La demande croissante d'éperons en graphite purifié nécessite une haute

Jan 26, 2024

Par Mike Santora | 14 décembre 2022

Les fours qui produisent du graphite de haute pureté nécessitent également des composants fabriqués à partir de graphite et de matériaux connexes tels que le carbone renforcé de fibres.

Les industries en croissance telles que les véhicules électriques, les systèmes de stockage d'énergie par batterie et les semi-conducteurs de nouvelle génération nécessitent un graphite de plus grande pureté.

La demande mondiale de graphite augmente et devrait se poursuivre pendant des décennies, tirée par la large utilisation du graphite pour une gamme de produits tels que les batteries pour les voitures électriques et les systèmes de stockage d'énergie, les LED, les équipements solaires, les semi-conducteurs haute performance et les composants critiques. dans des fours à haute température.

Ironie du sort, les fours qui produisent du graphite de haute pureté nécessitent également des composants fabriqués à partir de graphite et de matériaux connexes tels que le carbone renforcé de fibres. La structure atomique unique du graphite lui donne la capacité de résister à des températures de four extrêmes dans un environnement corrosif, ce qui en fait un choix idéal comme matériau critique dans les zones chaudes utilisées dans les fours industriels.

"Le graphite que l'on trouve dans la nature est de forme cristalline ; lorsqu'il est extrait d'une mine, il contient généralement environ 90 % de carbone. Des fours spécialisés à haute température créent du graphite synthétique contenant environ 99,5 % de carbone. Si l'application nécessite une pureté plus élevée, un équipement spécialisé peut réduire les impuretés à quelques parties par million », a déclaré Thomas Palamides, directeur principal des produits et des ventes - Fours industriels chez PVA TePla America, un fournisseur mondial d'équipements de fours industriels sur mesure pour l'industrie du graphite.

Pour les fournisseurs de graphite, la demande croissante de graphite synthétique à haute teneur en carbone et les initiatives du gouvernement fédéral visant à rétablir la production nationale de semi-conducteurs aux États-Unis entraînent un besoin de systèmes de fours électriques à capacité accrue qui produisent une plus grande charge utile en moins de temps. Étant donné que le processus de purification des matériaux implique des températures extrêmes et des gaz nocifs, ces outils industriels nécessitent des contrôles de processus et des dispositifs de sécurité hautement spécialisés.

La structure atomique unique du graphite lui donne la capacité de résister à des températures de four extrêmes dans un environnement corrosif, ce qui en fait un choix idéal comme matériau critique dans les zones chaudes utilisées dans les fours industriels.

Demande croissante de carbure de siliciumDans diverses industries, il existe de nombreuses utilisations du carbure de silicium, dans la production desquelles le graphite est un composant essentiel.

La dureté de surface supérieure du carbure de silicium facilite son utilisation dans les applications d'ingénierie où un degré élevé de résistance à l'usure par glissement, érosion et corrosion est nécessaire pour les composants. Le procédé le plus simple pour fabriquer du carbure de silicium consiste à combiner du sable de silice et du carbone dans un four à résistance électrique en graphite à une température comprise entre 1 600 et 2 500 °C.

Cependant, l'utilisation du carbure de silicium comme matériau semi-conducteur est l'un des domaines où le potentiel de croissance est le plus élevé. La demande de graphite augmente considérablement car le carbure de silicium remplace le silicium en tant que matériau semi-conducteur de choix dans de nombreux produits électroniques de la future génération. Comparé aux tranches de silicium traditionnelles, le carbure de silicium est supérieur pour un fonctionnement à haute tension et offre des plages de température nettement plus larges et des fréquences de commutation accrues.

La législation fédérale visant à stimuler la fabrication nationale de semi-conducteurs et à renforcer la chaîne d'approvisionnement augmentera également la demande de carbure de silicium et de graphite. Le CHIPS and Science Act a alloué 52,7 milliards de dollars pour financer les programmes d'incitation aux semi-conducteurs autorisés par le CHIPS for America Act de 2021.

Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'un des principaux moteurs de l'utilisation du graphite est la croissance de monocristaux de carbure de silicium raffinés dans divers processus en aval. La croissance cristalline commence avec une poudre de carbure de silicium consommable comme matériau source. La poudre s'évapore lorsqu'elle est exposée à des températures supérieures à 2 000 ° C à l'intérieur d'un réacteur de machine de croissance cristalline. Au cours du processus, les molécules de silicium et de carbone formées en phase gazeuse cristallisent lentement sur un disque de très haute qualité composé de carbure de silicium.

Le graphite est utilisé sous de nombreuses autres formes pour permettre aux équipements de résister à des températures élevées, tels que les revêtements de four, les échangeurs de chaleur, les accessoires de fonderie et les électrodes. Ainsi, le processus se déroule dans un creuset en graphite entouré d'une isolation thermique en graphite.

Fours adaptés à l'application Dans l'industrie, les fournisseurs de graphite exploitent souvent des fours vieux de plusieurs décennies et peuvent être prêts à étendre leur capacité en remplaçant l'équipement ou en construisant de nouvelles installations. Même parmi les options de four de nouvelle génération, il peut y avoir des différences substantielles dans la façon dont le fabricant aborde les problèmes de sécurité, de fiabilité, de configuration et de contrôle dans la conception de l'équipement.

Bien sûr, assurer le fonctionnement sûr et sécurisé des fours industriels est une priorité. Tout risque d'incendie résultant des températures de fonctionnement très élevées et des masses ou charges importantes à l'intérieur du four doit être évité par des solutions de conception intelligentes. Par conséquent, les composants matériels et logiciels du système sont correctement conçus et équipés de fonctions de sécurité redondantes, entre autres facteurs.

Le Dr Thomas Metzger, chef de produit senior PVA TePla en Allemagne, a déclaré : « Généralement, environ quatre tonnes métriques de graphite sont chargées dans un réacteur à four chauffé à 2 400 °C, ce qui représente une énorme quantité d'énergie, la sécurité est donc essentielle. . Des conditions anormales dans le processus ou le milieu doivent être prises en compte dans la conception du système pour assurer la sécurité des opérateurs de l'équipement. Qu'il y ait une panne d'eau de refroidissement, de gaz traité, d'air comprimé ou d'alimentation électrique, le système doit être capable de revenir à un état sûr pour protéger les opérateurs, l'équipement, la charge utile et l'environnement."

De plus, la plupart des fours sont conçus sur mesure en fonction des exigences spécifiques des fournisseurs de graphite, telles que l'espace disponible, la méthode de chargement et la charge utile.

"Lorsqu'un client a créé un nouvel atelier [de four] pour une installation, il l'a conçu avec une fosse pour un système de chargement par le bas, ce qui facilite le chargement de la charge sans soulever d'un chariot au rez-de-chaussée. Avec les fours à chargement par le bas, tout le fond de la chambre à vide descend pour placer la charge, puis elle est élevée sur un système électrique dans le four », a déclaré Metzger.

Metzger note que d'autres clients préfèrent les systèmes à chargement par le haut, qui peuvent être chargés à l'aide d'un pont roulant. "Le dessus glisserait sur le côté à 180 degrés pour s'ouvrir. Une grue à flèche ou un pont roulant serait utilisé pour charger la charge dans le four par le haut", a-t-il expliqué.

La sélection des gaz de procédé utilisés est une considération importante, et chaque fabricant utilise une chimie ou une durée légèrement différente pour son procédé. "Nous utilisons généralement des gaz de procédé comme le fluor ou le chlore. Bien qu'ils soient hautement corrosifs et dangereux à des concentrations élevées, nous devons être flexibles face aux exigences spécifiques du procédé", a déclaré Metzger.

La configuration interne du four industriel est unique à la purification à haute température.

"Nous conservons tout le gaz de procédé à l'intérieur du réacteur de confinement, et à l'extérieur, nous avons un gaz inerte comme l'argon ou l'azote. Cette configuration garantit une grande pureté du produit et évite la contamination des éléments chauffants, de l'isolation et des autres composants de la cuve. Le volume réactif est conservé complètement séparé des éléments chauffants », a déclaré Metzger.

Généralement, les fours d'un diamètre allant jusqu'à deux mètres peuvent accueillir des pièces usinées en graphite de différentes géométries, produisant des charges utiles de quatre tonnes métriques ou plus.

"En règle générale, les pièces usinées sont placées dans les fours pour être purifiées, puis emballées, scellées et expédiées après le traitement des articles", a déclaré Metzger.

La personnalisation du système permet de s'adapter à certaines conditions de processus et exigences d'installation.

"Certains clients aiment avoir une pompe dédiée supplémentaire pour la gestion des gaz de procédé corrosifs. D'autres préfèrent utiliser la même pompe d'abord pour évacuer le système, avant le chauffage, et plus tard pour la régulation de la pression de procédé", a déclaré Metzger.

Il note que la flexibilité de conception peut s'étendre à l'équipement auxiliaire et au système de contrôle pour mieux répondre aux préoccupations environnementales.

Des fours spécialisés à haute température créent du graphite synthétique avec une teneur en carbone d'environ 99,5 %.

"Les fournisseurs de graphite choisissent généralement d'inclure un système d'épurateur pour nettoyer les gaz d'échappement. Les gaz corrosifs utilisés pendant le traitement sont, pour la plupart, consommés dans le processus, mais les gaz d'échappement du processus doivent répondre aux exigences légales en matière de protection contre les émissions.", a déclaré Metzger. .

Il ajoute qu'un technicien peut faire fonctionner le four avec un PC ou utiliser des connexions à distance pour la surveillance. Un écran de présentation affiche l'état en temps réel de toutes les pompes, vannes et composants critiques avec des indicateurs d'alerte pour les problèmes et la maintenance requise.

"Les systèmes de four d'aujourd'hui sont essentiellement clé en main avec une intégration suffisante", a déclaré Metzger.

Pour répondre à la demande mondiale croissante de graphite raffiné hautement purifié de manière sûre et fiable, les fournisseurs de graphite proactifs qui consultent des fournisseurs de fours expérimentés pour personnaliser leurs systèmes en fonction de la demande actuelle et future du marché auront un avantage durable sur la concurrence.

PVA TePla Amériquewww.pvateplaamerica.com