科技日报记者 赵向南
近日，山西中电科电子装备有限公司（以下简称“山西中电科”）联合中国五矿攻关的“高纯石墨提纯关键技术装备及应用”项目，获得2025年度非金属矿科学技术一等奖。该项目的成功实施，标志着困扰我国多年的高纯石墨纯化装备“卡脖子”难题取得系统性突破。
在航空航天、核工业等领域，石墨等碳基材料被誉为“工业黑金”。然而，石墨要发挥最佳性能，须经过真空高温纯化处理，而高温纯化炉正是实现这一工序的核心装备。
研发团队经过数百轮方案迭代与上千次工艺试验，先后攻克超高温温控、炉膛布气、超高真空稳控三大关键技术，成功研制出高温纯化炉及核心工艺，实现了在2400℃超高温、高真空环境下石墨制品的高效除杂。
啃下2400℃超高温“硬骨头”
走进山西中电科生产车间，大型立式高温纯化炉矗立其间。该公司事业部部长白杨丰向科技日报记者介绍：“这套装备可营造2400℃超高温、高真空工况。经提纯后，石墨杂质含量低于百万分之一。”
近年来，高纯石墨需求持续攀升，但国外设备不仅价格昂贵，供货周期也长，严重制约了国内相关产业的发展。为此，山西中电科携手南开大学、中北大学等高校，瞄准产业痛点，在2018年向高温纯化炉发起技术攻关。
“我们深耕真空热工装备制造多年，但研制高温纯化炉挑战空前。”山西中电科总经理解永强说，“高温纯化炉集真空、温控、气流、冷却、自控等系统于一体，各环节环环相扣，技术难度极高。”
攻关路上，第一道难关便是温度监测失效。国内原有设备升温至1800℃即出现测温失灵，团队改用红外非接触测温，经过上百组试验优化，采用双点位监测与补偿算法，最终将测温误差控制在1℃以内，打通温度监测瓶颈。
测温难题破解后，升温试验依旧困难重重。白杨丰回忆道：“全体科研人员驻守车间连夜调试，好不容易炉温突破2250℃临界点，核心加热元件突然瞬间熔断，炉膛温度断崖式跌落，一夜辛苦全部白费。”
“只有达到2400℃的极端高温，硅、硼、铝等杂质才能汽化分离，实现高纯提纯。”白杨丰解释道，受材料耐热上限、炉膛热场不均制约，元器件极易因高温热冲击损毁。
团队多方甄选新型耐高温材料，反复优化炉膛结构、调整保温铺设方式，逐步解决局部过热问题。炉温每抬升100℃，都要完成多轮冷热启停测试，从元件装配到功率调控逐项打磨，调试周期短则数周、长则数月。
历经上百轮拆装改造、循环试温，研发人员持续优化控温逻辑、均衡炉内热场，设备终于实现长时间稳定2400℃恒温运行，成功闯过了超高温升温这一难关。
破解均匀定向气流难题
2019年春，研发人员满怀期待地开启首台样机48小时全流程试验。炉门打开瞬间，现场所有人面色凝重：原本码放整齐的石墨坯料全部倾倒坍塌，即便温度、真空度两项关键参数均已达标，纯化试验仍宣告失败。
设计团队总负责人田冬龙仍记得当时的窘迫：“物料大面积报废，一连数日，整个团队都在寻找问题根源。”
研发团队很快摸清核心逻辑：高温纯化炉不仅是“烧”的设备，更是“流”的工艺。“脱除杂质，靠的是高温气体在材料表面定向流动，带走挥发出来的杂质。”白杨丰说，气流太弱，杂质无法扩散；气流太乱，物料受力不均，有时倾斜倒塌，有时相互粘连。
实现气流均匀稳定，并非易事。狭小炉膛内部布满加热体、隔热屏、物料托架，留给气体流通的空间极其有限。在有限空间里设计均衡气道，成为团队的新难题。依托南开大学流体力学科研力量，团队引入气流场及传热耦合仿真建模，将炉膛每一处焊缝、倒角全部录入三维计算网格。
“前后拿出几十套设计方案，计算机单次参数运算就要两三天时间。很多仿真合格的结构，落地样机就出现各类问题。”田冬龙说，部分方案气流均匀达标，但气体管路压降过高，气流阻滞难以流通。
团队一边依托软件迭代模型，一边反复加工零件、装配试炉，先后17次大刀阔斧修改炉膛内部结构，累计开展100余次仿真与炉上实测。直到第22次试验开炉，炉内石墨坯料摆放完好无损，均匀定向气流难题顺利攻克。
趁热打铁，研发团队接连完成冷却系统、安全报警联锁攻关。2019年底，国内首台自主立式高温纯化炉正式落地投用，热场与气道全结构实现国产化创新。
攻克超高真空纯化技术
随着新能源、航空航天等战略性新兴产业对石墨纯度要求越来越高，初代、二代纯化炉的真空工况已经难以满足高端产品的生产需求。
“真空度越高，杂质越易逸出。”白杨丰说，“每提升一个数量级，石墨纯度便跃升一阶。”
然而，在2400℃高温环境下维持高真空，难度超乎想象。超高温下，炉壳热膨胀不均，热场变形挥发，密封结构失效。“试验中，炉温每升高100℃，炉内真空便快速泄漏崩盘。”田冬龙回忆道。研发人员只能从头再来，降温拆机、更换配件，耗时数天重新升温试产。
转机来自一次大胆设想：分工重组。研发团队将高真空难题拆解为“抽得快”“漏得少”两条路线。一方面研发机械泵、扩散泵智能联动抽气系统，低温阶段大功率快速抽除空气，高温工况精准切换扩散泵作业，整体抽气效率提升近3倍；另一方面，改造炉体法兰密封结构，采用无氧铜刀口密封搭配波纹管热补偿装置，彻底解决了高温工况密封渗漏痛点，最终建成2400℃、万分之一帕的超高真空工艺环境。
拿下超高温与高真空兼容技术难题后，国产高温纯化炉成功跨越高纯材料处理的门槛。在超高温与超高真空的协同作用下，纯化后的产品灰分降至1ppm（百万分之一）以下，硼、铝等关键杂质含量低于0.01ppm，石墨粉纯度达6.5N（99.99995%）。“这好比一百万个碳原子中，混入的杂质原子不到一个。”解永强说，“这是超高纯级别，达到了国际先进水平，能满足重要战略材料需求。”
2024年，电气设计团队联合中北大学完成装备智能化改造，为纯化炉搭载智能工艺编辑系统。“新一代炉子装上智慧大脑，操作人员如同搭积木一般，可自由组合工艺模块。”白杨丰介绍，工作人员只需录入石墨原料品类、重量、目标纯度，系统便能自动生成整套生产工艺，一键启动全流程生产，设备运行数据实时留存归档。
从技术空白到全链条自主可控，山西中电科搭建起高温纯化装备研发、试制、量产完整产业体系。大批量国产高温纯化炉走进国内新材料、新能源龙头企业生产线。
“打破国外技术垄断，用国产装备守护我国战略材料产业链安全，是我们研发的初心。”解永强表示，“未来，研发团队将持续深耕新材料装备赛道，不断刷新国产高端热工装备的技术上限。”
