精製黒鉛の需要の急増により、高純度の黒鉛の需要が増加

グラファイトの原子構造は、腐食環境における極端な炉温度に耐えることができます。

黒鉛の世界的な需要は急増しており、EV車用バッテリーやエネルギー貯蔵システム、LED、太陽光発電装置、高性能半導体、重要部品などの幅広い製品に黒鉛が広く使用されているため、今後数十年続くと予想されています。高温炉。

皮肉なことに、高純度グラファイトを製造する炉には、グラファイトや繊維強化カーボンなどの関連材料から製造されたコンポーネントも必要です。グラファイトの独特な原子構造により、腐食環境における極端な炉温度に耐える能力が得られるため、工業炉で使用されるホットゾーンの重要な材料として理想的な選択肢となります。

「自然界に存在する黒鉛は結晶の形をしています。鉱山から抽出された場合、炭素含有量は通常約 90% です。特殊な高温炉では、炭素含有量が約 99.5% の人造黒鉛が製造されます。用途により高い純度が必要な場合は、特殊な装置を使用して、不純物を100万分の1の範囲まで削減します」とグラファイト業界へのカスタム工業炉装置の世界的サプライヤーであるPVA TePla Americaの工業炉部門シニア製品&セールスマネージャーであるトーマス・パラミデス氏は述べています。

黒鉛サプライヤーにとっては、炭素含有量の高い人造黒鉛の需要の高まりと、米国国内の半導体生産を回復するための連邦政府の取り組みにより、より短時間でより大きな積載量を生産できる容量の増加した電気炉システムの必要性が高まっています。材料の精製プロセスには極端な温度と有毒ガスが含まれるため、これらの産業ツールには高度に専門化されたプロセス制御と安全機能が必要です。

さまざまな産業で炭化ケイ素は多くの用途に使用されており、その製造にはグラファイトが不可欠な成分です。

炭化ケイ素は表面硬度が優れているため、部品に高度な滑り耐性、浸食耐性、腐食摩耗耐性が必要な工学用途での使用が容易になります。炭化ケイ素を製造する最も簡単なプロセスは、黒鉛電気抵抗炉内で 1,600 °C ～ 2,500 °C の温度でケイ砂と炭素を混合することです。

しかし、炭化ケイ素の半導体材料としての使用は、最も成長の可能性が高い分野の 1 つです。多くの次世代電子製品で選択される半導体材料としてシリコンに代わって炭化ケイ素が使用されるため、グラファイトの需要が大幅に増加しています。従来のシリコンウェーハと比較して、炭化ケイ素は高電圧動作に優れており、大幅に広い温度範囲と高いスイッチング周波数を提供します。

国内の半導体製造を促進し、サプライチェーンを強化するための連邦法も、炭化ケイ素とグラファイトの需要を増加させるだろう。 CHIPSおよび科学法は、2021年のCHIPS for America Actで認可された半導体インセンティブプログラムに資金を提供するために527億ドルを割り当てた。

半導体産業において、グラファイトの使用を促進する主な要因の 1 つは、さまざまな下流プロセスで精製される炭化ケイ素単結晶の成長です。結晶成長は、原料として消費可能な炭化ケイ素粉末から始まります。結晶成長装置のリアクター内で 2,000 °C を超える温度にさらされると、粉末が蒸発します。このプロセスでは、気相で形成されたシリコンと炭素の分子が、炭化ケイ素で構成される非常に高品質のディスク上でゆっくりと結晶化します。

グラファイトは、炉の内張り、熱交換器、鋳造用付属品、電極など、機器が高温に耐えられるようにするために、他の多くの形態で使用されています。そのため、プロセスは黒鉛断熱材で囲まれた黒鉛るつぼ内で行われます。

業界では、黒鉛サプライヤーは数十年前の炉を稼働していることが多く、機器を交換したり新しい設備を建設したりすることで生産能力を拡張できる可能性があります。次世代炉のオプションの中でも、メーカーが装置設計における安全性、信頼性、構成、制御の問題にどのように対処するかには、大きな違いがある可能性があります。

もちろん、工業炉の安全・安心な操業は最優先事項です。非常に高い動作温度と炉内の大きな質量または装入によって生じる火災の危険は、インテリジェントな設計ソリューションによって回避する必要があります。したがって、システムのハードウェアコンポーネントとソフトウェアコンポーネントは両方とも適切に設計されており、他の要素の中でも特に冗長な安全機能が装備されています。

ドイツの PVA TePla シニアプロダクトマネージャーであるトーマスメッツガー博士は、「通常、約 4 トンの黒鉛材料が 2400 °C に加熱された反応炉に投入されますが、これは膨大なエネルギーを消費するため、安全性が不可欠です」と述べています。装置オペレーターの安全を確保するために、プロセスまたは媒体の異常状態をシステム設計時に考慮する必要があります。冷却水、処理ガス、圧縮空気、電力のいずれに障害が発生しても、システムは正常な状態に戻ることができなければなりません。オペレータ、機器、積載物、環境を保護する安全な状態。」

さらに、ほとんどの炉は、利用可能なスペース、装填方法、積載量など、黒鉛サプライヤーの特定の要件に合わせてカスタム設計されています。

「ある顧客が、施設用に新しい[炉]ワークショップを作成したとき、ボトムローディングシステム用のピットを備えた設計をしました。これにより、1階のトロリーから持ち上げずに装入物を積み込むことが容易になります。ボトムロード炉では、底部全体が真空チャンバーの上部が降下して装入物が置かれ、その後電動システムで炉内に引き上げられます」とメッツガー氏は語った。

メッツガー氏は、他の顧客は天井クレーンを使用して荷物を積み込むことができるトップローディングシステムを好むと指摘しています。「上部は横に180度スライドして開きます。上部から装入物を炉に装填するためにブームクレーンまたはオーバーヘッドクレーンが使用されます」と彼は説明しました。

使用するプロセスガスの選択は重要な考慮事項であり、各メーカーはプロセスにわずかに異なる化学反応または時間を使用します。「通常、フッ素や塩素などのプロセスガスを使用します。これらは腐食性が高く、高濃度では危険ですが、プロセスの特定の要件に柔軟に対応する必要があります」とメッツガー氏は述べています。

工業炉の内部構造は高温精製に特化したものです。

「すべてのプロセスガスを格納容器内に保管し、外側にはアルゴンや窒素などの不活性ガスを配置します。この構成により、高い製品純度が保証され、発熱体、断熱材、その他の容器コンポーネントの汚染が回避されます。反応体積は完全に維持されます。」発熱体から隔離してください」とメッツガー氏は語った。

一般に、直径が 2 メートルまでの炉は、さまざまな形状の黒鉛機械加工部品を収容でき、ペイロードが 4 トン以上になります。

「通常、機械加工された部品は精製のために炉に入れられ、加工後に梱包、密封されて出荷されます」とメッツガー氏は述べた。

システムをカスタマイズすると、特定のプロセス条件や設置要件に対応できます。

「一部の顧客は、腐食性プロセスガスを処理するために追加の専用ポンプを使用したいと考えています。また、同じポンプを最初にシステムの排気に使用し、加熱する前に使用し、その後プロセス圧力を調整することを好む顧客もいます」とメッツガー氏は述べています。

同氏は、設計の柔軟性を補助装置や制御システムに拡張して、環境問題に最大限に対処できると指摘しています。

「黒鉛サプライヤーは通常、排気ガスを浄化するためにスクラバーシステムを組み込むことを選択します。処理中に使用される腐食性ガスは、ほとんどの場合プロセス内で消費されますが、プロセス排気ガスは排出ガス保護の法的要件を満たさなければなりません」とメッツガー氏は述べた。

同氏は、技術者はPCで炉を操作したり、リモート接続を使用して監視したりできると付け加えた。概要画面には、すべてのポンプ、バルブ、重要なコンポーネントのリアルタイムのステータスが表示され、問題や必要なメンテナンスのアラートインジケーターが表示されます。

「今日の炉システムは基本的に、十分な統合を備えたターンキーです」とメッツガー氏は述べています。

精製された高純度グラファイトに対する世界的な需要の高まりに安全かつ確実に応えるために、経験豊富な炉サプライヤーと相談してシステムを現在および将来の市場需要に合わせてカスタマイズする積極的なグラファイトサプライヤーは、競争に対して永続的な優位性を得ることができます。

pvateplaamerica.com