Steigende Nachfrage nach gereinigtem Graphit spornt Need for High an

Die Atomstruktur von Graphit hält extremen Ofentemperaturen in einer korrosiven Umgebung stand.

Die weltweite Nachfrage nach Graphit steigt stark an und wird voraussichtlich noch über Jahrzehnte anhalten, angetrieben durch die breite Verwendung von Graphit für eine Reihe von Produkten wie Batterien für Elektroautos und Energiespeichersysteme, LEDs, Solaranlagen, Hochleistungshalbleiter und kritische Komponenten in Hochtemperaturöfen.

Ironischerweise erfordern die Öfen, die hochreinen Graphit produzieren, auch Komponenten, die aus Graphit und verwandten Materialien wie faserverstärktem Kohlenstoff hergestellt werden. Die einzigartige Atomstruktur von Graphit verleiht ihm die Fähigkeit, extremen Ofentemperaturen in einer korrosiven Umgebung standzuhalten, was ihn zu einer idealen Wahl als kritisches Material in heißen Zonen von Industrieöfen macht.

„Der in der Natur vorkommende Graphit hat eine kristalline Form; Wenn es aus einer Mine gefördert wird, hat es normalerweise einen Kohlenstoffgehalt von etwa 90 %. In speziellen Hochtemperaturöfen wird synthetischer Graphit mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 99,5 % erzeugt. Wenn die Anwendung eine höhere Reinheit erfordert, können spezielle Geräte die Verunreinigungen auf den Bereich von Teilen pro Million reduzieren“, sagte Thomas Palamides, Senior Product & Sales Manager – Industrieöfen bei PVA TePla America, einem globalen Anbieter von kundenspezifischer Industrieofenausrüstung für die Graphitindustrie .

Für Graphitlieferanten führen die wachsende Nachfrage nach synthetischem Graphit mit hohem Kohlenstoffgehalt und Initiativen der Bundesregierung zur Wiederherstellung der inländischen Halbleiterproduktion in den USA zu einem Bedarf an elektrischen Ofensystemen mit höherer Kapazität, die eine größere Nutzlast in kürzerer Zeit produzieren. Da der Materialreinigungsprozess mit extremen Temperaturen und schädlichen Gasen verbunden ist, erfordern diese Industriewerkzeuge hochspezialisierte Prozesskontrollen und Sicherheitsfunktionen.

In verschiedenen Branchen gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Siliziumkarbid, bei dessen Herstellung Graphit ein wesentlicher Bestandteil ist.

Die überlegene Oberflächenhärte von Siliziumkarbid erleichtert den Einsatz in technischen Anwendungen, bei denen ein hohes Maß an Gleit-, Erosions- und Korrosionsverschleißfestigkeit für Komponenten erforderlich ist. Das einfachste Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbid besteht darin, Quarzsand und Kohlenstoff in einem elektrischen Widerstandsofen aus Graphit bei einer Temperatur zwischen 1.600 °C und 2.500 °C zu kombinieren.

Allerdings ist die Verwendung von Siliziumkarbid als Halbleitermaterial einer der Bereiche mit dem größten Wachstumspotenzial. Die Nachfrage nach Graphit wächst erheblich, da Siliziumkarbid Silizium als Halbleitermaterial der Wahl in vielen elektronischen Produkten der zukünftigen Generation ersetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumwafern ist Siliziumkarbid für den Betrieb bei höherer Spannung überlegen und bietet deutlich breitere Temperaturbereiche und höhere Schaltfrequenzen.

Bundesgesetze zur Förderung der inländischen Halbleiterproduktion und zur Stärkung der Lieferkette werden auch die Nachfrage nach Siliziumkarbid und Graphit erhöhen. Der CHIPS and Science Act stellte 52,7 Milliarden US-Dollar zur Finanzierung von Halbleiter-Anreizprogrammen bereit, die durch den CHIPS for America Act von 2021 genehmigt wurden.

In der Halbleiterindustrie ist der Anbau von Siliziumkarbid-Einkristallen, die in verschiedenen nachgelagerten Prozessen veredelt werden, einer der Hauptgründe für die Verwendung von Graphit. Das Kristallwachstum beginnt mit einem verbrauchbaren Siliziumkarbidpulver als Ausgangsmaterial. Das Pulver verdampft, wenn es in einem Kristallwachstumsmaschinenreaktor Temperaturen über 2.000 °C ausgesetzt wird. Dabei kristallisieren in der Gasphase gebildete Silizium- und Kohlenstoffmoleküle langsam auf einer sehr hochwertigen Scheibe aus Siliziumkarbid.

Graphit wird in vielen anderen Formen verwendet, damit Geräte hohen Temperaturen standhalten können, beispielsweise für Ofenauskleidungen, Wärmetauscher, Gießereizubehör und Elektroden. Daher findet der Prozess in einem Graphittiegel statt, der von einer Graphit-Wärmeisolierung umgeben ist.

In der Branche betreiben Graphitlieferanten oft jahrzehntealte Öfen und sind möglicherweise bereit, die Kapazität durch den Austausch von Geräten oder den Bau neuer Anlagen zu erweitern. Selbst bei den Ofenoptionen der nächsten Generation kann es erhebliche Unterschiede darin geben, wie der Hersteller die Themen Sicherheit, Zuverlässigkeit, Konfiguration und Steuerung bei der Gerätekonstruktion angeht.

Natürlich hat die Gewährleistung des sicheren Betriebs von Industrieöfen oberste Priorität. Jegliche Brandgefahr aufgrund der sehr hohen Betriebstemperaturen und der großen Massen bzw. Ladung im Inneren des Ofens muss durch intelligente konstruktive Lösungen vermieden werden. Daher sind sowohl die Hardware- als auch die Softwarekomponenten des Systems ordnungsgemäß konstruiert und unter anderem mit redundanten Sicherheitsfunktionen ausgestattet.

Dr. Thomas Metzger, leitender Produktmanager von PVA TePla in Deutschland, sagte: „Im Allgemeinen werden etwa vier Tonnen Graphitmaterial in einen auf 2400 °C erhitzten Ofenreaktor geladen, was eine enorme Energiemenge ist, daher ist Sicherheit von entscheidender Bedeutung.“ . Abnormale Bedingungen im Prozess oder in den Medien müssen bei der Systemkonstruktion berücksichtigt werden, um die Sicherheit der Anlagenbediener zu gewährleisten. Unabhängig davon, ob Kühlwasser, verarbeitetes Gas, Druckluft oder Strom ausfallen, muss das System in der Lage sein, in einen sicheren Zustand zurückzukehren, um Bediener, Ausrüstung, Nutzlast und Umwelt zu schützen.“

Darüber hinaus werden die meisten Öfen speziell auf die spezifischen Anforderungen der Graphitlieferanten zugeschnitten, beispielsweise hinsichtlich des verfügbaren Platzes, der Beladungsmethode und der Nutzlast.

„Als ein Kunde eine neue [Ofen-]Werkstatt für eine Anlage baute, entwarf er diese mit einer Grube für ein Bodenladesystem, das das Laden der Charge erleichtert, ohne sie von einem Wagen im Erdgeschoss zu heben. Bei Bodenbeschickungsöfen senkt sich der gesamte Boden der Vakuumkammer ab, um die Charge hineinzugeben, und dann wird sie mit einem elektrisch betriebenen System in den Ofen gehoben“, sagte Metzger.

Metzger weist darauf hin, dass andere Kunden Top-Loading-Systeme bevorzugen, die über einen Laufkran beladen werden können. „Die Oberseite würde zum Öffnen um 180 Grad zur Seite geschoben werden. Ein Auslegerkran oder Laufkran würde verwendet, um die Charge von oben in den Ofen zu laden“, erklärte er.

Die Auswahl der verwendeten Prozessgase ist ein wichtiger Gesichtspunkt, und jeder Hersteller verwendet für seinen Prozess eine leicht unterschiedliche Chemie oder Zeit. „Wir verwenden typischerweise Prozessgase wie Fluor oder Chlor. Obwohl diese in hohen Konzentrationen stark korrosiv und gefährlich sind, müssen wir flexibel auf die spezifischen Anforderungen des Prozesses reagieren“, sagte Metzger.

Die innere Konfiguration des Industrieofens ist einzigartig für die Hochtemperaturreinigung.

„Wir halten das gesamte Prozessgas im Sicherheitsreaktor und außerhalb haben wir ein Inertgas wie Argon oder Stickstoff. Diese Konfiguration gewährleistet eine hohe Produktreinheit und vermeidet eine Kontamination der Heizelemente, Isolierung und anderer Behälterkomponenten. „Das reaktive Volumen bleibt vollständig von den Heizelementen getrennt“, sagt Metzger.

Im Allgemeinen können Öfen mit einem Durchmesser von bis zu zwei Metern mit Graphit bearbeitete Teile unterschiedlicher Geometrie aufnehmen und Nutzlasten von vier Tonnen oder mehr erzeugen.

„Normalerweise werden bearbeitete Teile zur Reinigung in die Öfen gegeben und dann verpackt, versiegelt und versendet, nachdem die Artikel verarbeitet wurden“, sagte Metzger.

Die Anpassung des Systems ermöglicht die Anpassung an bestimmte Prozessbedingungen und Installationsanforderungen.

„Einige Kunden wünschen sich eine zusätzliche Pumpe für den Umgang mit korrosiven Prozessgasen. Andere ziehen es vor, dieselbe Pumpe zunächst zum Evakuieren des Systems, vor dem Erhitzen und später zur Prozessdruckregelung zu verwenden“, sagte Metzger.

Er weist darauf hin, dass die Designflexibilität auch auf Zusatzgeräte und das Steuerungssystem ausgedehnt werden kann, um Umweltbelangen bestmöglich Rechnung zu tragen.

„Graphitlieferanten entscheiden sich im Allgemeinen für den Einbau eines Scrubber-Systems zur Reinigung der Abgase. Bei der Verarbeitung eingesetzte korrosive Gase werden größtenteils im Prozess verbraucht, die Prozessabgase müssen jedoch den gesetzlichen Anforderungen zum Emissionsschutz genügen“, so Metzger.

Er fügte hinzu, dass ein Techniker den Ofen mit einem PC bedienen oder Fernverbindungen zur Überwachung nutzen kann. Ein Übersichtsbildschirm zeigt den Echtzeitstatus aller Pumpen, Ventile und kritischen Komponenten mit Warnhinweisen für Probleme und erforderliche Wartung an.

„Heutige Ofensysteme sind im Wesentlichen schlüsselfertig und ausreichend integriert“, sagte Metzger.

Um die steigende weltweite Nachfrage nach raffiniertem, hochreinem Graphit sicher und zuverlässig zu decken, werden proaktive Graphitlieferanten, die sich mit erfahrenen Ofenlieferanten beraten, um ihre Systeme an die aktuelle und zukünftige Marktnachfrage anzupassen, einen dauerhaften Vorsprung gegenüber der Konkurrenz haben.

pvateplaamerica.com