เตาหลอมไฮโดรเจนแบบ DC 

ภาพรวม

หลักการทำงานหลัก

1. ระบบทำความร้อน DC: เตาหลอมสร้างอาร์คหรือพลาสมา DC ที่เสถียรผ่านขั้วไฟฟ้ากราไฟต์ (แคโทด + แอโนด) ทำให้เกิดความร้อนของวัสดุอย่างรวดเร็วผ่านการแผ่รังสีความร้อนโดยตรงและการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อเทียบกับการให้ความร้อน AC การให้ความร้อน DC มีความเสถียรของอาร์คที่แข็งแกร่งกว่า การกระจายสนามอุณหภูมิที่สม่ำเสมอ และการใช้พลังงานที่ต่ำกว่า ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันของวัสดุที่เกิดจากอาร์คที่ไม่เสถียร
2. กลไกการแตกร้าวในบรรยากาศไฮโดรเจน:
   • ปฏิกิริยาลด: ไฮโดรเจน (H₂) ทำหน้าที่เป็นสารลดปฏิกิริยาเพื่อทำปฏิกิริยากับออกไซด์ของโลหะในวัสดุ (เช่น MOₓ + xH₂ → M + xH₂O) ลดโลหะที่มีวาเลนซ์สูงให้อยู่ในรูปของธาตุและปรับปรุงความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์
   • ปฏิกิริยาการแตกร้าว: ภายใต้อุณหภูมิสูงพิเศษและบรรยากาศไฮโดรเจน สิ่งเจือปนอินทรีย์ (เช่น น้ำมัน เรซิน) หรือสารประกอบเชิงซ้อน (เช่น คาร์ไบด์โลหะ ไนไตรด์) จะถูกแตกตัวเป็นก๊าซโมเลกุลขนาดเล็ก (CH₄, NH₃, H₂O) ซึ่งจะถูกปล่อยออกไปพร้อมกับก๊าซหางเพื่อกำจัดสิ่งเจือปน
   • ผลการทำให้บริสุทธิ์: ไฮโดรเจนยังสามารถกำจัดสิ่งเจือปนของก๊าซ (O₂, N₂, CO) ในวัสดุได้โดยการสร้าง H₂O, NH₃ และ CH₄ ซึ่งช่วยปรับปรุงความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์เป้าหมาย (สูงถึง 99.99% หรือสูงกว่า)

พารามิเตอร์ทางเทคนิคหลัก

ข้อได้เปรียบหลัก

1. ผลผลิตความบริสุทธิ์สูง: คุณสมบัติการลดที่แข็งแกร่งของไฮโดรเจนและการบำบัดล่วงหน้าด้วยสุญญากาศช่วยกำจัดออกไซด์ ก๊าซ และสิ่งเจือปนอินทรีย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ผลิตภัณฑ์เป้าหมายมีความบริสุทธิ์สูงถึง 99.99%–99.999% เหมาะสำหรับการเตรียมวัสดุระดับไฮเอนด์
2. การให้ความร้อนที่มีประสิทธิภาพ: การให้ความร้อนด้วยอาร์ค/พลาสมา DC ทำให้เกิดอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็ว (10–50℃/นาที) และสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงพิเศษ (สูงถึง 3000℃) ซึ่งสามารถจัดการกับวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูง (เช่น ทังสเตน โมลิบดีนัม ไทเทเนียม) และเร่งปฏิกิริยาการแตกร้าว
3. ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: ผลพลอยได้หลักของการแตกร้าวด้วยไฮโดรเจนคือ H₂O และก๊าซโมเลกุลขนาดเล็ก ซึ่งสามารถปล่อยออกไปได้หลังจากการบำบัดอย่างง่าย (เช่น การควบแน่นของน้ำ) ไม่มีการสร้างของเสียที่เป็นพิษ สอดคล้องกับมาตรฐานการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม
4. เสถียรและเชื่อถือได้: การให้ความร้อน DC ช่วยให้มั่นใจได้ถึงสนามอุณหภูมิที่สม่ำเสมอและอาร์คที่เสถียร บรรยากาศไฮโดรเจนแรงดันบวกและการเชื่อมต่อสุญญากาศป้องกันการรั่วไหลของอากาศ ลดการเกิดออกซิเดชันของวัสดุและปรับปรุงความสอดคล้องของผลิตภัณฑ์

สถานการณ์การใช้งานทั่วไป

1. การสกัดและการทำให้บริสุทธิ์โลหะหายาก: การลดออกไซด์ของโลหะหายาก (เช่น WO₃, MoO₃, TiO₂) ให้เป็นโลหะธาตุที่มีความบริสุทธิ์สูง การทำให้บริสุทธิ์ของโลหะหายากเพื่อกำจัดสิ่งเจือปน เช่น ออกซิเจนและคาร์บอน
2. การรีไซเคิลวัสดุแบตเตอรี่: การแตกร้าวของวัสดุแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (เช่น LiCoO₂, LiNiMnCoO₂) เพื่อกู้คืนโคบอลต์ นิกเกิล ลิเธียม และโลหะมีค่าอื่นๆ การลดไฮโดรเจนของออกไซด์ของโลหะในแบตเตอรี่ของเสียเพื่อปรับปรุงอัตราการกู้คืน
3. การเตรียมวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และเทคโนโลยีชั้นสูง: การทำให้บริสุทธิ์ของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ (เช่น ซิลิกอน เจอร์เมเนียม) เพื่อกำจัดสิ่งเจือปนร่องรอย การเตรียมผงโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูง (เช่น ผงนิกเกิลที่ลดด้วยไฮโดรเจน ผงโคบอลต์) สำหรับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์
4. การรีไซเคิลทรัพยากรของเสีย: การแตกร้าวของของเสียผสมอินทรีย์-อนินทรีย์ (เช่น วัสดุผสมโลหะ-พลาสติก ขยะอิเล็กทรอนิกส์) เพื่อแยกโลหะและสารอินทรีย์ การรีไซเคิลโลหะมีค่าในเศษเหลือทิ้งจากอุตสาหกรรม

ความท้าทายทางเทคนิคหลักและแนวทางแก้ไข

คำแนะนำในการเลือกและการปรับแต่ง

1. ตามคุณสมบัติของวัสดุ: สำหรับโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง (เช่น W, Mo) เลือกโมเดลกำลังไฟสูง (≥200 kW) ที่มีอุณหภูมิสูงสุด ≥2500℃ สำหรับวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวต่ำหรือการแตกร้าวแบบอินทรีย์ ให้เลือกโมเดลกำลังไฟปานกลาง (50–150 kW) ที่มีอุณหภูมิ ≤2000℃
2. ตามขนาดการผลิต: การวิจัยและพัฒนาแบบแบทช์ขนาดเล็ก (0.1–1 กก./แบทช์) เลือกปริมาตรห้องเตาหลอม ≤0.05 m³ การผลิตแบบแบทช์ขนาดกลาง (1–50 กก./แบทช์) เลือกห้องเตาหลอม 0.05–0.5 m³
3. พิจารณาข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์: สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงพิเศษ (≥99.999%) เลือกโมเดลที่มีประสิทธิภาพสุญญากาศสูง (สุญญากาศสูงสุด ≤1×10⁻³ Pa) และระบบทำให้บริสุทธิ์ไฮโดรเจนที่มีความบริสุทธิ์สูง สำหรับข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ทั่วไป การกำหนดค่าสุญญากาศและไฮโดรเจนทั่วไปเป็นที่ยอมรับ
4. การจับคู่มาตรฐานความปลอดภัย: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์เป็นไปตามมาตรฐานความปลอดภัยของไฮโดรเจนในท้องถิ่น (เช่น GB 3634 สำหรับความปลอดภัยในการใช้ไฮโดรเจน, NFPA 55 สำหรับมาตรฐานสากล) และติดตั้งระบบล็อคความปลอดภัยและอุปกรณ์ป้องกันการระเบิดที่สมบูรณ์