CN113134321B - 用于将石墨材料的石墨片球化的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将石墨材料球化的设备和方法。该设备包括：用于将石墨材料输送给该设备的送料装置；多个旋转环绕地构成的球化工具，所述球化工具布置在围绕旋转轴线且沿旋转方向转动的盘的外环周处；至少一个引导装置；用于将细料和极细料分离的分离装置；以及，产品出口。此外还提出的是，将覆盖环布置在球化工具之上。

Description

用于将石墨材料的石墨片球化的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于将石墨材料的石墨片球化(Verrunden)的设备和方法。
背景技术
本发明涉及一种用于制造石墨粉末，特别是用于球化片状石墨的方法。石墨由碳构成并且天然存在，但也可以人工产生。人造石墨例如由褐煤或烟煤或者油借助于炼焦来制造，其中会形成晶体。但是，如此制造的晶体仅当制造工艺以多级实现时才是均匀的。这相应地是成本高昂的。天然石墨以无定形石墨、片状石墨或脉状石墨的形式出现，特别地，天然石墨形成灰色至黑色的六边形晶体，其通常以层状彼此上下排列设置。无定形石墨与人造石墨相似，即晶体尺寸小。
石墨的特征在于高耐热性以及非常好的导电率和导热率。石墨粉末例如用于制造电池，特别是作为负电极材料。公开文献DE 11 2013 005 116 T5描述了一种用于锂-空气电池阴极的含碳材料，该材料显示出比常规含碳材料更高的容量。
公开文献DE 11 2016 000 490 T5描述了一种用于制造锂离子二次电池的负电极材料的石墨粉末的方法，该方法包括将石墨前体粉末化的方法以及将粉末化的石墨前体和碱性化合物的混合物通过将该混合物在2800℃至3500℃下加热而经受石墨化处理的方法。
对于某些应用，需要球化的石墨片，特别是需要石墨粉末，其中石墨颗粒具有特定的粒度，并且优选地具有被均匀球化的形状，特别是没有角或棱边。
发明内容
发明的目的在于：提供一种设备和一种方法，借助所述设备和方法能够以简单且便宜的方式制造例如为制造电池而使用的、包括被球化的石墨颗粒的石墨粉末。
上述目的通过一种用于将石墨材料——特别是石墨片——球化的设备以及一种用于将石墨材料球化的方法来实现。
所述设备包括：送料装置，其用于输送待球化的石墨材料；多个球化工具，其旋转环绕地构成；至少一个引导装置，其将石墨材料引导至球化工具和/或分离装置；以及，分离装置，其用于分离会干扰后续的加工步骤的细料和极细料。多个球化工具以规则的布置形式被布置在围绕旋转轴并且在旋转方向上转动的盘上，特别地，这些球化工具以规则的布置形式固定在转动的盘的外周处。此外，该设备具有至少一个产品出口，经由所述产品出口能够从该设备中提取在该设备之内加工的并且特别是被球化的石墨材料。此外还提出的是，将覆盖环布置在球化工具之上。
覆盖环优选地在所有被布置到盘的外周处的球化工具之上延伸。覆盖环引起在设备之内工艺空气的被改善的内部流动引导，进而还引起在工艺空气之内引导的石墨材料的被改善的内部流动引导，特别地，覆盖环使得石墨材料能够在设备内有利地循环。该覆盖环防止的是，粗的石墨材料(特别是石墨片)和/或已经被球化的石墨颗粒通过在球化工具处构成的压力波被向上抛并且通过工艺空气在球化工具上方被引导离开而不与球化工具接触。特别地，通过覆盖环对工艺空气的移动空间向上限定界限并且增加石墨材料和至少一个球化工具之间的接触的数量的方式，该覆盖环特别是强制产生了在粗的石墨材料和球化工具之间多次的有效接触，其中所述工艺空气引导和/或输送石墨材料。特别地，该覆盖环防止的是，石墨材料在不与至少一个球化工具有效接触的情况下循环通过该设备。
在工艺气体中运送的石墨材料因与所述设备的至少一个球化工具一次或多次有效接触而受到扭转。通过至少一个引导装置，受到扭转的石墨材料被转向到很大程度上垂直向上定向的方向，并且很大程度上没有扭转地被送入分离装置。这引起分离装置的最佳的入流由此得到分离装置的高的分离精度/>
用于待加工的石墨材料的送料装置被布置在具有球化工具的、转动的盘以上。转动的盘优选地布置在柱形构件内，其中柱形构件的纵轴和转动的盘的旋转轴重合。柱形构件的内表面至少局部地为所谓用于石墨材料的冲击面经由送料装置引入到设备内部空间中的石墨材料由球化工具捕获、加速并导向冲击面。优选地，冲击面和球化工具构成为，使得在将石墨材料引导至冲击面之前，石墨材料以不同的角度并且特别是多次撞击到球化工具上。由此，可以实现石墨片的特别有利的变形，特别是由此实现石墨片的期望的折叠(Faltung)。
在石墨材料撞击到球化工具上时，石墨片的角折叠并围绕相应的石墨片的芯缠绕。较小的石墨颗粒聚结成较大的、特别是球形的颗粒。另外，在球化期间，初始内部的孔隙度被最小化。以此种方式被球化的石墨颗粒具有比最初使用的石墨片更小的表面。这引起较小的不可逆的容量，并且还提高了使用寿命。被球化的石墨颗粒的光滑表面防止剥落或片裂(Aufschiefern)。具有被球化的石墨颗粒的粉末具有增加的装填密度，进而具有高的且特别是增加的能量密度。具有被球化的石墨颗粒的粉末特别适合于制造锂离子电池，因为锂离子更容易通过在被球化的石墨颗粒之间形成的空腔进入石墨，特别地，锂离子积聚在被折叠的石墨片之间的平面上。在球化之后和在用于制造电池等之前再次以化学方式清洁被球化的石墨颗粒的粉末并覆层。
分离装置例如可以构成为具有筛分轮的风选机，以便将在球化石墨片时可能形成的、呈细料和/或极细料形式的磨粒(Abrieb)在持续的球化工艺期间移除。分离装置布置在具有球化工具的盘以上。具有球化工具的转动的盘的旋转轴和筛分轮的旋转轴优选是重合的。特别地，筛分轮同轴地布置在具有球化工具的转动的盘以上。在设备的下部区域中构成用于工艺空气的输送接管(Zufuhrstutzen)。特别地，工艺空气从下向上定向地输送并且被引导至球化区域、特别是球化工具，并且经由引导装置被引导至分离装置。此外，在设备内还存在工艺空气的内部循环。通过工艺空气的这种循环，石墨材料被多次导向球化工具。另外，细料和/或极细料通过工艺空气携带并经由分离装置从该设备移除。
根据一个实施方式，球化工具各自包括朝向旋转轴线的方向的侧面，该侧面优选在旋转轴线的方向上凸形地构成，和/或在旋转轴线的方向上具有一半径，或者通过多个多边形构成。特别可以设置成，球化工具分别具有纵轴线，所述纵轴线与始于盘的旋转轴线的径向线重合。球化工具的朝向盘的旋转轴线的侧面具有一半径或构成为多边形。该侧面优选通过径向线镜面对称地划分。朝向盘的旋转轴线的侧面以凸形形状、作为半径或作为具有多个彼此成角度布置的子区域的多边形的构成，这导致石墨材料的柔和的应力。特别地，通过球化工具的选定形状增加了石墨材料以对于折叠过程有利的90度角出现的概率。石墨材料和球化工具之间的每个有效接触因此优选地产生折叠过程。由此，石墨材料以期望的方式折叠并且特别不会被粉碎，因为总是引起在球化工具的表面和石墨材料之间的中央碰撞。
根据一个实施方式，相邻的球化工具之间的间距分别为球化工具的宽度的0.5倍至球化工具的宽度的五倍之间。在此，球化工具的宽度是正交于在所述球化工具上的径向线(Radial)得出的。在此，所述径向线特别为从上面布置有球化工具的盘的旋转轴线出发的径向线。相对地，球化工具的长度是由从盘的旋转轴线出发的径向线得出的。该间距优选地小于球化工具的宽度的三倍，特别优选地小于球化工具的宽度的1.5倍。
球化工具的数量为，在其上布置有球化工具的、转动的盘的每m环周优选有15至35个之间的球化工具。
根据该设备的一个实施方式，引导装置包括多个导向元件，所述导向元件特别布置在至少一个导向环处。在此可以设置成，导向元件的数量小于球化工具的数量。可选地，导向元件的数量可以对应于球化工具的数量，或者导向元件的数量也可高于球化工具的数量。经由送料装置输送的石墨材料撞击到导向环上并在此被引导经过筛分轮，使得已经存在的细料和/或极细料在持续的工艺中从该设备筛分出去。随后，石墨材料撞击到具有球化工具的转动的盘上，所述球化工具施加用于球化的能量。在此，捕获石墨材料、加速并抛向冲击面，因此引起石墨材料折叠进而引起球化。
石墨材料优选在限定的时间期间在该设备中处理，其中特别多次与转动的球化工具形成有效接触并且相应地成型。特别地，该时间确定为，使得可以基于：在该时间到期之后石墨材料很大程度仅还由被球化的石墨颗粒构成，所述石墨颗粒可以有利地用于电池生产。在球化过程结束之后，特别是在预先限定的处理时间到期之后，经由设备的产品出口提取被球化的石墨颗粒，例如将产品从设备中抽出。优选地，直接地在引导装置的导向环内部处进行产品的抽吸。由此确保的是，仅从该设备中提取先前被引导经过筛分轮的产品，其中已经移除了细料和/或极细料。
包括导向元件和导向环的引导装置布置在具有球化工具的转动的盘之上。特别地引导装置静态地布置在该设备内。根据一个实施方式，引导装置的导向元件构成为导向板，该导向板布置在导向环处。导向板局部地分别在垂直于转动的盘且切向于转动的盘的平面中布置和/或构成在球化工具之上。特别地，导向板基本上垂直地径向于具有球化工具的转动的盘的旋转轴线延伸。优选地，导向板的下部区域相反于转动的盘的旋转方向折弯，使得在导向板的垂直区域和折弯区域之间构成钝角。折弯的区域引起石墨颗粒以最佳、无冲击的方式进入包括导向元件的引导装置的竖直区域中。特别地，导向元件的折弯区域支持受到扭转的细料和/或极细料以预先规定的方式转向到垂直于转动的盘的方向。在此，所输送的石墨材料通过该设备之内的空气流首先引导经过筛分轮，撞击到转动的盘上，并且导向至球化工具和冲击面。
根据一个实施方式，石墨材料的添加经由该设备的控制装置来调节。控制装置例如控制：具有球化工具的转动的盘的驱动，和/或分离装置的驱动，和/或该设备的其他机器部件的驱动，特别地，控制装置控制转动的盘的相应转速和/或分离装置。例如，控制装置可以基于所谓的关断值来调节石墨材料的添加。在用石墨材料填充正运行的设备时，驱动器的电消耗增加。控制装置包含关于至少一个关断值的信息，特别是关于驱动器的电消耗值的信息。在达到一个限定的关断值或两个限定的关断值的情况下，结束进一步的石墨材料的输送。例如，送料装置包括阀，所述阀在达到关断值时通过控制装置激发并且根据控制信号封闭，使得其他的石墨材料不进入设备中。
在球化工艺的进程中，电消耗值会再次下降，使得测量值可以提供有关球化工艺的进展的情况。特别地，根据一实施方式可以布置成，在低于也称为第二关断值的、限定的第二电消耗值的情况下，可以再次开始配量和/或材料送料。只要在设备中仍存在石墨材料，转动的盘和/或分离装置的驱动器在整个工艺期间就不会关断。可选地可以布置成，该设备在完全填充之后，即达到第一关断值之后，运行一限定的时间，该时间例如事先根据经验得出，并且在该时间之后可靠地结束所有石墨片的球化。控制石墨材料的输送超过关断值确保的是，该设备不被过度填充，并且该设备特别在每个生成周期中被可重复地相同地填充。
例如，对于产品出口，可以包括适合于产品材料的抽吸装置，其中经由所述产品出口在球化工艺结束之后从该设备中提取被球化的石墨颗粒。优选地，抽吸装置的抽吸位置构成直接在引导装置的内部的导向环处，并且产品出口特别径向于内部的导向环延伸。抽吸单元产生负压。为了提取产品，打开抽吸单元，并且将抽吸出的空气导出到分选机构、例如具有过滤器的旋风分离器中。在此，将包括被球化的石墨颗粒的产品从被抽吸出的空气中分离。结合该体积流，该产品气动地从工艺室中运送并且设备的工艺室中的产品浓度快速下降直至该设备完全排空。在提取产品过程期间，还保持经由分离装置对细料和/或极细料的分离以及通过布置在转动的盘处的球化工具对石墨颗粒施加应力是有效的。
抽吸单元优选地直接在引导装置的内部的导向环处具有抽吸位置。通过抽吸单元导出产品特别是径向于内部的导向环进行。在石墨材料的球化期间，抽吸单元例如通过径向于内部的导向环延伸的、可移动的柱体封闭。为了提取被球化的石墨材料，通过推动该可移动的柱体打开抽吸单元，并将包括被球化的石墨颗粒的产品-空气混合物抽吸到抽吸单元中。
为了进一步优化工艺条件，可以布置成，在持续运行中可以使得转动的盘移动的速度并由此球化工具移动的速度发生改变。例如可以布置成，首先选择低的旋转速度，该旋转速度在持续运行中随后提高到最大的旋转速度。可选地，对于特定工艺也有利的是，首先以高速度启动，并且在持续运行中降低该速度。优选地，该设备以在60米/秒和120米/秒之间的、转动的盘的最大转速运行(以盘的环周计)。
借助根据本发明的设备和根据本发明的方法，可以以简单且便宜的方式制造被球化的石墨颗粒，该石墨颗粒针对电池的制造进行优化。在此，特别通过如下方式对石墨片进行球化，即折叠石墨片的角并围绕石墨片的芯缠绕。在此，较小的石墨颗粒会聚结成较大的球形的或类球形的颗粒。另外，在球化时，石墨颗粒的内部的孔隙度被最小化，这对于电池生产同样是有利的。
根据本发明的设备的特征特别在于较小的机器结构尺寸。特别地，在该设备之内不形成磨粒，或仅形成少量(可被直接移除的、细料和/或极细料形式的)磨粒。特别地，直接在球化工艺期间并且在从设备中提取产品之前和期间移除磨粒，使得借助该设备和该方法实现被球化的、至少很大程度上无细料的、均质的石墨材料的良好产率。特别地，借助该设备和该方法产生特别均质的、很大程度上无磨粒的产品，该产品特别具有至少800克/升的装填密度。
需明确指出的一点是，已经结合根据本发明的设备阐述的所有方面和实施变型同样涉及或者可以是根据本发明的方法的部分方面。因此，如果在说明书中或在权利要求限定中针对根据本发明的设备的某一点谈及特定方面和/或关系和/或效果，则其同样适用于根据本发明的方法。反之同样适用，即已经结合根据本发明的方法阐述的所有方面和实施变型同样地涉及或可以是根据本发明的设备的部分方面。因此，在说明书中或在权利要求限定中针对根据本发明的方法的某一点谈及特定方面和/或关系和/或效果，则这同样适用于根据本发明的设备。
附图说明
在下文中，应根据所附的附图详细阐述本发明的实施例和其优点。在附图中各个元件彼此之间的比例并不总是对应于实际的大小比例，因为简化了一些形状并且为了更好地说明相对于其他元件放大地示出其他形状。
图1示出了用于球化石墨材料的石墨片的根据本发明的设备。
图2A至2E示出了在根据本发明的设备内进行工艺之前、期间和之后的石墨材料，特别是示出了所使用的石墨片。
图3A至3D示出了用于球化石墨材料的石墨片的、根据本发明的设备的另一实施方式的不同视图。
图4A和4B示出了根据本发明的设备的另一实施方式的内部空间中的不同视图。
图4A和4B示出了设备的子区域的不同视图。
图4C和4D示出了冲击面的不同的构造形式。
相同的附图标记用于本发明的相同的或起相同作用的元件。此外，为了清楚起见，在各个附图中仅示出了对于描述相应的附图而言必需的附图标记。所示的实施方式仅代表可如何设计根据本发明的设备或根据本发明的方法的示例，而不代表最终的限制。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于球化石墨材料GM的石墨片GF的设备1。该设备1包括近似构成为立式柱体的壳体2，在该壳体2的上侧布置有用于输送石墨材料GM的送料装置3，特别是用于输送石墨片GF的送料装置3。特别地，在所示的实施例中，送料装置3构成为下降管(Fallrohr)4，但是也可以布置成，经由喷射器-送料来输送石墨材料GM。
石墨材料GM撞击到球化工具5上。在此，石墨片GF的角被折叠并围绕相应的石墨片GF的芯缠绕。较小的石墨颗粒聚结成较大的、特别是球形的颗粒。另外，在球化期间，初始内部的孔隙度被最小化。以此种方式被球化的石墨颗粒vGT具有比最初使用的石墨片GF更小的表面。这引起较小的不可逆的容量以及高的使用寿命。被球化的石墨颗粒vGT的光滑表面防止其剥落或片裂。具有被球化的石墨颗粒vGT的粉末具有增加的装填密度，进而具有高的能量密度。该粉末特别适合于锂离子电池的制造，因为简化了锂离子通过在被球化的石墨颗粒vGT之间形成的空腔进入石墨，特别地，锂离子积聚在被折叠的石墨片之间的平面中。在球化之后和在用于制造电池等之前再次以化学方式清洁被球化的石墨颗粒的粉末并覆层。
设备1优选具有多个布置在可旋转移动的盘7处的球化工具5。经由送料装置3引入到设备内部空间中的石墨材料GM由球化工具5捕获、加速并且导向冲击面6。冲击面6特别为壳体2的柱形构成的内侧表面21的区域。
球化工具5特别全环周地并且彼此有规则的间距地布置在可转动移动的盘7的外环周处，所述盘7经由第一驱动轴8布置在第一驱动器9处。冲击面6和球化工具5构成为，使得石墨材料GM以不同的角度撞击到球化工具5上，由此可以实现石墨片GF的特别有利的变形，特别是折叠。球化工具5特别针对以不同的冲击角度进行尽可能高数量的颗粒冲击而优化。
设备1还包括分离装置10，例如具有筛分轮11的风选机。在球化石墨片GF时，会形成细料和/或极细料FM形式的磨粒。由于期望的最终产品EP优选地应仅具有被球化的石墨颗粒vGT，所以细料和/或极细料FM直接在设备1内与被球化的石墨颗粒vGT分离并从设备1中移除。分离装置10布置在具有球化工具5的盘7之上。筛分轮11经由第二驱动轴12与第二驱动器13连接。特别地设置成，第一驱动轴8和第二驱动轴12同轴布置。
经由设备1的下部区域中的、特别是在具有球化工具5的转动的盘7之下的输送接管14输送从下向上定向的工艺空气PL，该工艺空气PL被引导至球化区域并经由导向元件25到达分离装置10。工艺空气PL在此携带细料和/或极细料FM，并将其经由抽吸接管16从设备1导出。
在设备1内，石墨材料GM与至少一个球化工具5发生至少一次有效接触，由此石墨材料GM受到扭转。通过导向元件25，受到扭转的石墨片GF、受到扭转的被球化的石墨颗粒vGT和受到扭转的细料和/或极细料FM转向到垂直方向上，特别是垂直于转动的盘7的方向上，进而至少很大程度上没有扭转地到达分离装置10。这引起分离装置10的最佳的入流，由此得到高的分离精度。
根据本发明的一个实施方式，石墨材料GM经由送料装置3输送给设备1的工艺室40。石墨材料GM撞击到导向环41上，并在此GM被引导经过筛分轮11，使得将已经存在的细灰尘筛分出来。石墨材料GM然后撞击到具有球化工具5的盘7上，所述球化工具5施加用于球化的能量。特别地，石墨材料GM由具有球化工具5的盘7捕获、加速并抛向冲击面6。在前两个方法步骤期间，产品出口17被封闭，如其结合图3A和3D在下文中更详细描述的。
工艺和/或工艺空气PL经由输送接管14到达设备1的外壳2中，并穿流在具有球化工具5的盘7与冲击面6之间构成的间隙45。在穿流间隙45时，通过导向环41由空气体积流将受应力的石墨颗粒有针对性地提供给筛分轮11。现在，包括被至少部分球化的石墨颗粒的材料在内部流中向回到达具有球化工具5的盘7，精细灰尘(特别是细料和/或极细料FM)随工艺空气和/或工艺空气PL经由抽吸接管16离开设备1。
被球化的石墨颗粒vGT(参见图2D和2E)经由类似于注射器送料装置的抽吸设备通过产品出口17被抽出。抽吸直接在导向环41的内部进行。由此确保的是，之前未被引导经过筛分轮11的石墨材料GM不从设备1被抽出。
将石墨材料GM在预先限定的时间期间在该设备中处理，其中特别是多次与转动的球化工具5进行有效接触，由此将石墨片GF折叠并成型为被球化的石墨颗粒vGT。在预先限定的时间之后，可以认为，石墨材料GM很大程度上仅由被球化的石墨颗粒vGT构成。现在起，可以经由产品出口17从设备1中提取被球化的石墨颗粒vGT形式的最终产品，并例如用于制造电池。
为了进一步改善(通过被改善的流动引导)对石墨材料GM施加应力而能够设有，分别将覆盖环18布置在球化工具5之上。覆盖环18有利地在所有布置在转动的盘7的环周处的球化工具5上延伸，并且实现要被球化的石墨颗粒的有利的循环，因为石墨颗粒在设备1内的流动引导通过覆盖环18被优化。该覆盖环18特别是防止，粗的石墨材料GM(特别是石墨片GF)和/或已经被球化的石墨颗粒vGT被向上抛并且在不与球化工具5接触的情况下循环通过设备10。覆盖环18特别地迫使球化工具5和粗的石墨材料GM之间多次有效接触。
此外，根据一个实施方式，设备1包括控制装置20，借助于该控制装置20能够例如对第一驱动器9和/或第二驱动器13，并进而对筛分轮11的转速和/或具有球化工具5的盘7的转速，进行调节和/或根据产品要求进行设定。
此外也可以布置成，石墨材料GM的送料基于所谓的关断值来调节。特别地，该关断值通过设备1本身生成。在用石墨材料GM填充运转的设备1时，驱动器9、13的电消耗增加。控制装置20包含关于至少一个关断值的信息，特别是关于驱动器9、13的电消耗值的信息。在达到一个限定的关断值或两个限定的关断值的情况下，结束进一步的石墨材料GM输送。例如，送料装置3(也参见图3A至3C的描述)包括阀，该阀在达到关断值时通过控制装置20驱动并且根据控制信号封闭，使得石墨材料GM不进一步到达设备1中。
在球化工艺的进程中，电消耗值可以再次下降，使得这可以提供有关球化工艺的进展的情况。特别地，根据一实施方式可以布置成，在低于也称为第二关断值的、限定的第二电消耗值的情况下，可以再次开始配量和/或材料送料。只要在设备1中仍存在石墨材料GM，驱动器9、13就不会关断。
可选地可以布置成，该设备1在完全填充之后，即达到第一关断值之后，运行一限定的时间，该时间例如事先根据经验得出，并且在该时间之后可靠地结束所有石墨片GF的球化。
控制石墨材料GM的输送超过关断值确保的是，该设备1不被过度填充，并且该设备特别在每个生成周期中被可重复地相同地填充。
借助在此描述的设备1并且根据在此描述的方法对石墨材料GM进行的球化可以分为三个步骤，具体为填充、球化和排出。这三个步骤不能明确地彼此分开，但是在下面分别进行描述。
在填充时，例如通过喷射器将石墨材料GM引入工艺室40中。工艺室40还由工艺空气PL的空气流以转动的盘7所表现的循环穿流。转动的盘7上的球化工具5将石墨颗粒与工艺空气PL一起朝壳体2的内侧表面21的方向加速，并且石墨颗粒跟随空气流到达筛分轮11。然后，石墨颗粒重新通过由空气流预设的圆。筛分轮11的第二驱动器13的功率消耗根据产品加载而增加。因此，可以将设备1填充至选定的程度，并获得可以用作切换点的直接的工艺值。在填充期间，可以在必要的情况下暂时地对配量装置进行“再配量”，以便补偿初始的重量和/或浓度降低。但是，如果达到期望的状态，则结束填充，并且开始第二步骤球化。
在实际中，一旦第一石墨材料GM进入设备1，就开始第二步骤球化。因为一旦在工艺空气PL的空气流中引导第一石墨颗粒，则球化也就开始。然而，将在设备1内生成的筛分器流(Sichterstrom)的上述切换点认为是统一的起点。一旦在设备1中达到期望的填充程度，即使在随后的时间点低于预先限定的切换点，也直到在第三步骤排出之后都不将配量装置再次投入运行。这是必需的，以使得对于所有石墨颗粒而言能够保证统一的球化时间。在球化时间进程期间，工艺参数的变动在一些区域中也是有意义的。
第三步骤排出特别是利用抽吸单元进行。抽吸单元产生负压，并通过借助翻盖封闭的抽吸接管与设备1连接。在第三排出步骤或产品提取步骤开始时，打开抽吸单元，并将被抽吸的空气引入分选机构中。下面结合图3A和3D描述抽吸单元65的实施方式。例如具有过滤器的旋风分离器适合作为分选机构。在此，包括被球化的石墨颗粒的产品从气体中分离。结合该体积流，气动地将产品从工艺室40中送出，并且浓度迅速降低直到被完全排空。在该过程期间，还保持对细料和/或极细料FM的移除以及通过布置在转动的盘7处的球化工具5对颗粒施加应力是有效的。
图2A至2E示出在根据本发明的设备1内进行处理之前、期间和之后的石墨材料GM(特别是作为初始材料使用的石墨片GF)。特别地，图2A和2B以不同的放大倍数示出不同的作为初始材料使用的石墨片GF。根据图2A的石墨材料GM基本上包含小的石墨片GF，而在图2B中基本上包含大的石墨片gGF。图2C示出在球化石墨材料GM时的中间阶段，其中已经通过折叠大的石墨片gGF和/或通过聚结小的石墨片kGF而发生部分球化。图2D和2E示出在根据本发明的设备内被球化的石墨材料GM，其基本上仅包含被球化的石墨颗粒vGT，并且特别是不具有细料和/或极细料。
图3A至3D以及图4A和4B示出根据本发明的用于将石墨材料GM的石墨片GF球化的设备1的另一实施方式的不同视图。特别地，图3A示出贯穿具有闭合的抽吸单元65的设备1的上部区域的竖直的横截面，图3B示出图3A的子区域的放大图，图3C示出贯穿设备1的上部区域的水平横截面，并且图3D示出贯穿具有打开的抽吸单元65的设备1的上部区域的竖直横截面。
在设备1的壳体2的上侧处设有呈下降管4形式的、用于输送例如包含石墨片GF的石墨材料GM的送料装置3。转动的盘7布置在设备1的内部空间中。在盘7的外环周处的上侧上，相邻于设备1的壳体2的导向环41或内侧表面21，以规则的布置方式对球化工具5进行布置和/或固定。盘7置于驱动轴8上，并通过该驱动轴8围绕旋转轴线D被旋转地驱动。内侧表面21邻近于盘7特别构成为冲击面6并且具有结构化部分或轮廓化部分，所述结构化部分或轮廓化部分支持石墨材料GM的折叠和/或聚结。
经由下降管4输送的石墨材料GM撞击到布置在转动的盘7上的且布置在该处的环绕的球化工具5，并且该石墨材料GM被加速并且引向冲击面6。在此之后，石墨材料GM经由上升的空气流从导向元件25被引导至筛分轮11。
抽吸单元65优选地直接在引导装置的内部的导向环15处具有抽吸位置AP。借助于抽吸单元65导出产品特别是径向于内部的导向环15进行。在石墨材料GM的球化期间，抽吸单元65通过径向于内部的导向环15延伸的、可移动的柱体66封闭。该柱体66(参见图3A)特别地处于所谓的闭合位置66c中。特别地，在这种情况下，仅空气L通过抽吸单元65经由二次空气接管67抽吸。由此防止的是，石墨材料GM在其撞击到球化工具5和冲击面6之前被抽吸。抽吸单元65仅为了提取被球化的石墨材料vGT才经由产品出口17通过推动可移动柱体66打开(参见图3D)。特别地，在柱体66移回到打开位置66o中期间和之后，将包括被球化的石墨颗粒vGT和经由二次空气接管67吸入的空气L的产品-空气混合物抽吸到抽吸单元65中。
根据一个实施方式可以布置成，球化工具5的(朝向盘7的旋转轴线D的)侧面50分别设有半径R。该倒圆的侧面50形成另一冲击面51，所该冲击面51进一步支持石墨材料GM的球化。
此外可以设置成，球化工具5的所有立于盘7上的侧面分别具有相同的高度，并且球化工具5的上侧分别布置在一平面中，该平面平行于转动的盘7的平面。
设备1还包括作为分离装置10的筛分轮11，经由所述筛分轮11将呈细料和/或极细料FM形式的、在球化石墨材料GM时形成的磨料分离，并且经由抽吸接管16从设备1移除。筛分轮11布置在具有球化工具5的盘7之上。在本实施例中，筛分轮11布置在与盘7的驱动轴8同轴的轴处，使得筛分轮11和盘7能够彼此独立地旋转运动。
工艺空气PL经由设备的下部区域中的输送接管14输送，所述工艺空气向上朝球化区域定向并且穿流导向元件25，并且在此部分地并且主要朝分离装置10导向。工艺空气PL的主流携带细料和/或极细料FM，并经由抽吸接管16将所述细料和/或极细料从设备1导出。
球化工具5例如安置在盘7上并且经由适合的固定机构30紧固在所述盘处，例如借助于螺旋连接31、焊接连接、粘接等。可选地，盘7也可以与球化工具一体构成。导向元件25布置在球化工具5之上，使得所述导向元件25部分地从上方对球化工具5加盖。特别地设置成，各相邻的球化工具5以不同方式从上方通过导向元件25加盖。优选地，一些球化工具5*也以规则的布置方式不通过导向元件25加盖。特别可以布置成，导向元件25的数量小于球化工具5的数量。由于导向元件25静态地布置在设备内，所以在设备持续运行中，球化工具5和导向元件25的相对布置是始终改变的。
在该实施例中，导向元件25特别构成为基本上垂直布置的、径向于旋转轴线D延伸的导向板26，该导向板26可以在下部区域中相反于旋转方向DR折弯，使得在折弯的区域27和垂直的导向板26之间构成钝角(也参见图4A和4B)。折弯的区域27特别是相反于旋转方向DR折弯并且引起石墨颗粒最佳无碰撞地进入到包括导向元件25的引导装置60的竖直部分中。特别地，导向元件25的折弯的区域27支持受到扭转的细料和/或极细料FM以及石墨材料GM按上述转向方式转到垂直于转动的盘7的方向上。在此，将输送的石墨材料在空气流之内引导经过筛分轮11，撞击到盘7上，并导向至球化工具5和冲击面6。
导向元件25可特别在其朝向旋转轴线D的一侧经由所谓的空气导向环15彼此连接。特别地，导向元件25与空气导向环15一起形成所谓的引导装置60。通过至少一个引导装置60将在与球化工具5和/或冲击面6接触之后受到扭转的石墨材料GM转向到很大程度上垂直向上定向的方向上，并且在很大程度上没有扭转地被送至分离装置10。这引起分离装置的最佳的入流，由此得到高的分离精度。工艺空气PL的一部分可以作为副流分离，并在球化区域之内在冲击面6和球化工具5之间循环。该二次空气起如下支持作用，即将石墨材料GM多次地且以不同的角度地与球化工具5接触，并且由此改善了石墨材料GM向被球化的石墨颗粒vGT的折叠和/或聚结。
在图3A和图3B中还可看到在球化工具5之上的覆盖环18，所述覆盖环同样用于，将石墨材料GM拦截在球化区域中，并且由此提高石墨材料GM和冲击面和/或球化工具5之间的接触的数量。特别地，通过覆盖环18，由于优化的流动引导改善了石墨材料GM在设备1内的循环。
根据一个实施方式，相邻的球化工具5之间的间距A分别为球化工具5的宽度B5的0.5倍至球化工具5的宽度B5的5倍之间。在此，球化工具5的宽度B5是由正交于从盘7的旋转轴线D出发的径向线r(D)得出的。优选地，间距A小于球化工具5的宽度B5的三倍，特别优选地小于球化工具5的宽度B5的1.5倍。在根据图3C示出的示例中，间距A大约为球化工具5的宽度B5。
球化工具5的数量为，在其上布置有球化工具5的、转动的盘7的每m环周优选有15至35个之间的球化工具。
优选在将石墨材料GM在设备1内处理限定的时间之后，最终产品(特别是被球化的石墨颗粒vGT)的提取经由产品出口17进行。优选将抽吸单元65分配给产品出口17。该抽吸单元65例如通过拉回与产品出口17关联的可移动的柱体66的方式产生负压，并且通过拉回可移动的柱体66打开产品出口17。现在，处于设备1之内的、优选仅由被球化的石墨颗粒构成的石墨材料GM与处于设备1之内的空气一起被抽吸出来，其中被抽吸的空气与石墨颗粒首先引导到分选机构(未示出)中，例如引入具有过滤器的旋风分离器中。在分选机构中，将包括被球化的石墨颗粒的产品与空气分离。
根据本发明的一个实施方式，该方法不是连续的方法而是分批的方法，在所述连续的方法中持续地输送石墨材料GM并且始终提取呈被球化的石墨颗粒vGT形式的最终产品，而在所述分批的方法中对设备1用限定量的石墨材料GM填充并且在提取呈被球化的石墨颗粒vGT形式的最终产品之前，以限定的转动值运行限定的时间。
在设备1中，石墨材料GM优选地在进行球化之后才引导给筛分轮11，而呈细料和/或极细料FM形式的磨料在球化工艺期间已经引导至筛分轮11并且可以经由抽吸接管16从设备1中导出。特别地，在筛分处理之后才经由产品出口17提取产品，使得所提取的最终产品基本上仅具有被球化的石墨颗粒vGT，并且特别是没有细料和/或极细料FM。
球化工具5的数量和形状与该方法相协调和优化。同样地，冲击面6在以下方面进行了优化，即为了在球化时使石墨颗粒GM受到柔和的应力，并且为了避免细料和/或极细料FM。
图4A和4B以立体图示出设备1的子区域的不同的视图。为了解释各个构件特别参考图3B的描述。图4A和4B基本上彼此对应，其中在图4B的图中省略了球化工具5之上的覆盖环18，从而可更好地识别球化工具5。
图4C和4D示出冲击面6以及布置在回转的盘7上的球化工具5的不同的构成方案。球化工具5具有纵轴线L5，该纵轴线L5与从盘7的旋转轴线出发的径向线r(D)重合。球化工具5的朝向盘7的旋转轴线的侧面50具有半径R或构成为多边形。侧面50优选地通过径向线r(D)镜像对称地划分。
朝向盘7的旋转轴线的侧面50构成为具有半径R或构成为具有多个彼此成角度布置的子区域的多边形，这导致石墨材料GM受到柔和的应力。由此，将石墨材料折叠并且特别是不被粉碎，因为总是引起在球化工具5的表面和石墨材料GM之间的中央碰撞。
与朝向盘7的旋转轴线的侧面50相对置的侧面55特别地也被称为背离旋转轴线的侧面55。优选地，该背离旋转轴线的侧面55不通过径向线r(D)镜像对称地划分，因为侧面55由两个相互成钝角ε的子区域56和57构成。特别地，在旋转方向DR上超前的子区域57与径向线r(D)布置成是正交或基本正交的，而在旋转方向DR上随后的子区域56和超前的子区域57的延长之间构成锐角α。优选地适用的是，锐角α和钝角ε之和为180度。
此外，优选布置成，在旋转方向DR上超前的子区域57的长度L57明显小于在旋转方向DR上随后的子区域56的长度L56。特别地，长度L57为长度L56的5％至30％之间，特别优选在13％至20％之间。
通过侧面55的子区域56、57的上述布置特别得出的是，在旋转方向DR上超前的子区域57被布置成更靠近冲击面6。上述角度α也称为后角(Freiwinkel)。通过该后角α特别得出的是，在冲击面6和球化工具5之间构成的间隙45在旋转方向DR上逐渐变窄，这也额外地支持石墨材料GM的柔和的球化。特别地，由此克服石墨材料GM因收缩和/或摩擦引起的不期望的热应力。
此外，在冲击面6的轮廓化部分和更靠近冲击面6布置的子区域57之间构成角度β，所述角度根据实施变型为50度至90度之间。角度β特别优选总是大于55度并且也总是小于90度。
根据图1、3和4，冲击面特别通过柱形构件的内侧表面构成。根据图4C，冲击面6构成为具有锯齿状的内侧表面70的柱体。通过冲击面6的轮廓化部分，石墨材料GM撞击到其上的表面被扩大。另外，锯齿状的内侧表面70的角为另外的冲击元件72，该冲击元件72进一步支持石墨材料GM的球化。根据图4D，冲击面6构成为具有波纹状的内侧表面71的柱体，由此，石墨材料GM撞击到其上的表面同样被扩大。特别地，在波纹状的内侧表面71的情况下，放弃在冲击面6处的尖锐的棱边，由此石墨材料GM还被更柔和地处理，由此可以进一步优化球化。
相对于根据现有技术已知的设备和方法，借助根据本发明的设备1和根据本发明的方法，关于石墨材料GM的送料量，显著地提高了被球化的石墨颗粒vGT的产率。
该设备和方法特别适用于使多层材料球化，所述材料允许材料的折叠和/或聚结。另外，要加工的材料必须具有一定的柔性，以便其在球化时不折断。
前述段落的实施方式、示例和变型、权利要求或以下的描述和附图包括其不同的视图和相应各自的特征可以彼此独立地使用或以任意组合的方式使用。结合实施例描述的特征可用于所有实施方式，只要这些特征不是不兼容的。
即使结合附图通常提及“示意”图和视图，但借此绝不意味着这些附图表示及其描述在本发明的公开方面具有次要的重要性。本领域技术人员完全能够从示意性和抽象性绘制的图中获得足够的信息，所述信息有助于其理解本发明，而例如从设备的部件或其他所示元件的绘出的且可能不精确符合比例的大小关系中不会以任何的方式损害本领域技术人员的理解。因此，附图为作为读者的本领域技术人员实现的是，按照根据本发明的方法的具体阐述的实施方案和根据本发明的设备的具体阐述的工作方式推导出对权利要求中以及说明书概述部分中一般性和/或抽象表述的发明思想的更好的理解。
已经参考优选实施方式描述了本发明。然而，对于本领域技术人员而言可设想的是，可以对本发明的做出修改或变化，而不脱离所附权利要求的保护范围。
附图标记列表
1 设备
2 壳体
3 送料装置
4 下降管
5、5* 球化工具
6、6-5、6-19 冲击面
7 盘
8 第一驱动轴
9 第一驱动器
10 分离装置
11 筛分轮
12 第二驱动轴
13 第二驱动器
14 输送接管
15 空气导向环
16 抽吸接管
17 产品出口
18、18-5、18-19覆盖环
19 第二球化工具
20 控制装置
21 内侧表面
25 导向元件
26 导向板
27 折弯区域
30 固定机构
31 螺旋连接
40 工艺室
41 导向环
45 间隙
50 指向旋转轴线的侧面
51 冲击面
55、55-5、55-19背离旋转轴线的侧面
56 子区域
57 子区域
60 引导装置
65 抽吸单元
66 可移动的柱体
66C 关闭位置中的可移动的柱体
66o 打开位置中的可移动的柱体
67 二次空气接管
70 锯齿状的内侧表面
71 波纹状的内侧表面
72 另外的冲击元件
A 间距
AP 抽吸位置
B5 球化工具的宽度
d5、d19 距旋转轴线的间距
d6-1、d6-2 距旋转轴线的间距
D 旋转轴线
DR 旋转方向
EP 最终产品
FM 细料和/或极细料
GF 石墨片
GM 石墨材料
gGF 大石墨片
kGF 小石墨片
L 空气
L5 纵轴线
L56 在旋转方向上随后的子区域
L57 在旋转方向上超前的子区域
R 半径
PL 工艺空气
vGT 球化的石墨颗粒

Claims (22)

1.一种用于将石墨材料(GM)球化的设备(1)，包括：
送料装置(3)，其用于将所述石墨材料(GM)输送给所述设备(1)；
输送接管(14)，其位于所述设备的下部区域中，用于输送从下向上定向的工艺气体(PL)；
多个球化工具(5)，其用于球化所述石墨材料(GM)，多个所述球化工具(5)旋转环绕地构成，所述球化工具(5)布置在围绕旋转轴线(D)并且在旋转方向(DR)上转动的盘(7)的外环周处，
至少一个引导装置(60)，其用于将所述石墨材料(GM)引导至所述球化工具和/或分离装置，所述引导装置(60)包括：
-多个导向元件(25)，所述导向元件(25)的数量小于所述球化工具(5)的数量，并且所述导向元件(25)布置在所述球化工具(5)之上，使得所述导向元件(25)部分地从上方对所述球化工具(5)加盖，以及
-导向环(15)；
分离装置(10)，其用于将所述石墨材料(GM)中会干扰后续的加工步骤的细料和极细料(FM)移除；
抽吸接管(16)，其用于导出携带细料和/或极细料(FM)的工艺气体(PL)；以及
产品出口(17)，其用于提取在所述设备(1)内被球化的石墨材料(GM)；其中，在所述球化工具(5)之上布置有覆盖环(18)。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其中所述覆盖环(18)在布置到所述盘(7)的所述外环周处的所有球化工具(5)之上延伸。
3.根据权利要求1所述的设备(1)，其中所述石墨材料(GM)在与至少一个球化工具(5)进行一次或多次有效接触之后受到扭转，并且其中所述石墨材料(GM)能够通过所述至少一个引导装置(60)转向到在很大程度上垂直的方向上并且能够在很大程度上没有扭转地被输送至所述分离装置(10)。
4.根据权利要求2所述的设备(1)，其中所述石墨材料(GM)在与至少一个球化工具(5)进行一次或多次有效接触之后受到扭转，并且其中所述石墨材料(GM)能够通过所述至少一个引导装置(60)转向到在很大程度上垂直的方向上并且能够在很大程度上没有扭转地被输送至所述分离装置(10)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1)，其中所述球化工具(5)各自包括朝向所述旋转轴线(D)的方向的侧面(50)，其中所述侧面(50)在所述旋转轴线(D)的方向上凸形地构成，或者具有半径(R)，或者其中朝向所述旋转轴线(D)的方向的所述侧面(50)通过多个多边形构成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1)，其中所述设备(1)包括至少一个用于从下向上定向的空气流的空气输送的装置，其中借助于所输送的空气，能够将所述石墨材料(GM)多次引向所述球化工具(5)，并且其中所述空气输送还构成用于将所述细料和极细料(FM)与被球化的所述石墨材料(GM)分离。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1)，其中所述分离装置是具有筛分轮(11)的风选机，其中所述筛分轮在转动的所述盘(7)之上与所述球化工具(5)同轴地布置。
8.根据权利要求1所述的设备(1)，其中所述导向元件(25)构成为布置在所述导向环处的导向板，并且其中所述导向环(15)静态地布置在具有所述球化工具(5)的、转动的所述盘(7)之上，其中所述导向板局部地分别在垂直于转动的所述盘(7)且切向于转动的所述盘(7)的平面中构成在所述球化工具(5)之上，并且其中所述导向板在垂直的所述平面的下部区域中相反于所述旋转方向(DR)折弯地构成。
9.根据权利要求6所述的设备(1)，其中所述导向元件(25)构成为布置在所述导向环处的导向板，并且其中所述导向环(15)静态地布置在具有所述球化工具(5)的、转动的所述盘(7)之上，其中所述导向板局部地分别在垂直于转动的所述盘(7)且切向于转动的所述盘(7)的平面中构成在所述球化工具(5)之上，并且其中所述导向板在垂直的所述平面的下部区域中相反于所述旋转方向(DR)折弯地构成。
10.根据权利要求7所述的设备(1)，其中所述导向元件(25)构成为布置在所述导向环处的导向板，并且其中所述导向环(15)静态地布置在具有所述球化工具(5)的、转动的所述盘(7)之上，其中所述导向板局部地分别在垂直于转动的所述盘(7)且切向于转动的所述盘(7)的平面中构成在所述球化工具(5)之上，并且其中所述导向板在垂直的所述平面的下部区域中相反于所述旋转方向(DR)折弯地构成。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的设备(1)，其还包括控制装置(20)，其中借助于所述控制装置(20)能够控制经由所述送料装置(3)的石墨材料(GM)的输送。
12.根据权利要求1所述的设备(1)，还包括用于产品材料的、分配给所述产品出口(17)的抽吸装置(65)，其中所述抽吸装置(65)的抽吸位置直接构成在内部的所述导向环(15)处，并且其中所述抽吸装置(65)径向于内部的所述导向环(15)延伸。
13.根据权利要求6所述的设备(1)，还包括用于产品材料的、分配给所述产品出口(17)的抽吸装置(65)，其中所述抽吸装置(65)的抽吸位置直接构成在内部的所述导向环(15)处，并且其中所述抽吸装置(65)径向于内部的所述导向环(15)延伸。
14.根据权利要求7所述的设备(1)，还包括用于产品材料的、分配给所述产品出口(17)的抽吸装置(65)，其中所述抽吸装置(65)的抽吸位置直接构成在内部的所述导向环(15)处，并且其中所述抽吸装置(65)径向于内部的所述导向环(15)延伸。
15.根据权利要求8至10中任一项所述的设备(1)，还包括用于产品材料的、分配给所述产品出口(17)的抽吸装置(65)，其中所述抽吸装置(65)的抽吸位置直接构成在内部的所述导向环(15)处，并且其中所述抽吸装置(65)径向于内部的所述导向环(15)延伸。
16.根据权利要求11所述的设备(1)，还包括用于产品材料的、分配给所述产品出口(17)的抽吸装置(65)，其中所述抽吸装置(65)的抽吸位置直接构成在内部的所述导向环(15)处，并且其中所述抽吸装置(65)径向于内部的所述导向环(15)延伸。
17.根据权利要求12至14中任一项所述的设备(1)，其中所述抽吸装置(65)包括能够移动的柱体(66)，或者其中给所述抽吸装置(65)分配能够移动的柱体(66)，其中所述能够移动的柱体(66)在第一工作位置中封闭所述产品出口(17)。
18.根据权利要求15所述的设备(1)，其中所述抽吸装置(65)包括能够移动的柱体(66)，或者其中给所述抽吸装置(65)分配能够移动的柱体(66)，其中所述能够移动的柱体(66)在第一工作位置中封闭所述产品出口(17)。
19.根据权利要求16所述的设备(1)，其中所述抽吸装置(65)包括能够移动的柱体(66)，或者其中给所述抽吸装置(65)分配能够移动的柱体(66)，其中所述能够移动的柱体(66)在第一工作位置中封闭所述产品出口(17)。
20.一种将石墨材料(GM)球化的方法，其中所述石墨材料(GM)与多个旋转环绕地构成的球化工具(5)中的至少一个球化工具(5)有效接触；
并且其中将覆盖环(18)布置在所述球化工具(5)之上；
其中所述覆盖环(18)对引导石墨材料(GM)的工艺空气流的移动空间限定界限，并且提高所述石墨材料(GM)和至少一个所述球化工具(5)之间的接触的数量。
21.根据权利要求20所述的方法，所述方法在根据权利要求1至19中任一项所述的设备(1)中执行，其中被球化的所述石墨材料(GM)无扭转地引导至所述设备(1)的分离装置(10)。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中所述设备(1)的控制装置(20)包含关于关断值的信息，其中在达到限定的所述关断值的情况下，结束进一步的石墨材料(GM)的输送，特别地其中所述关断值是由驱动器的电消耗的数值计算的。
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