CN113740208A - 一种全尾砂膏体搅拌实验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全尾砂膏体搅拌实验装置及使用方法，涉及金属矿膏体充填技术领域，解决了现有技术中没有专用搅拌试验设备，膏体搅拌不可控，搅拌效果易出现差异的问题。本发明包括控制器，还包括搅拌箱和搅拌轴，搅拌箱内设有水平设置的搅拌轴，搅拌轴与驱动机构相连接；所述搅拌箱通过动静分离板分为搅拌腔和出料腔，所述搅拌腔上部设有进料机构，搅拌腔内设有连接在搅拌轴上的搅拌组件；所述出料腔的上部设有图像采集件，出料腔的下部设有出料口；所述搅拌腔与出料腔内均设有监测组件。本发明可实时监测搅拌过程中功率变化，获取料浆均质化过程图像演化，分析复杂的流变行为，为研究膏体搅拌技术，发展膏体充填专用搅拌设备。

Description

一种全尾砂膏体搅拌实验装置及使用方法

技术领域

本发明涉及金属矿膏体充填技术领域，特别是指一种全尾砂膏体搅拌实验装置及使用方法。

背景技术

在矿山充填领域中，尾砂粒度细，颗粒吸附作用强，剪切作用下颗粒分散难。膏体中大量存在细颗粒聚集体，造成凝胶材料水化不充分，其胶结性能未能充分释放，降低了充填体力学强度，同时也影响膏体的稳定性及可泵性，不利于管道输送。膏体的搅拌必须借助于搅拌设备，搅拌过程的剪切作用是实现细颗粒分散关键，因此搅拌设备的性能决定了膏体均质，完善搅拌过程对于改善搅拌效果，提升设备生产能力具有重要意义。然而，目前膏体搅拌技术的研究缺乏标准搅拌仪器，都是借助于混凝土搅拌实验设备，但混凝土与膏体在物料及制备工艺上均存在较大差异性，因此获得的实验结果误差较大，无法满足膏体搅拌研究需求。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种全尾砂膏体搅拌实验装置及使用方法，解决了现有技术中没有专用搅拌设备，膏体搅拌不可控，搅拌效果易出现差异的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种全尾砂膏体搅拌实验装置，包括控制器，还包括搅拌箱，搅拌箱内设有水平设置的搅拌轴，搅拌轴与驱动机构相连接；所述搅拌箱的内部通过动静分离板分为搅拌腔和出料腔，所述搅拌腔上部设有进料机构，搅拌腔内设有连接在搅拌轴上的搅拌组件；所述出料腔的上部设有图像采集件，出料腔的下部设有出料口；所述搅拌腔与出料腔内均设有监测组件。

进一步地，所述进料机构包括尾砂浆管道、凝胶材料管道、外加剂管道和补水管道，尾砂浆管道、凝胶材料管道、外加剂管道和补水管道均固定在搅拌箱上，所述尾砂浆管道、凝胶材料管道、外加剂管道和补水管道上分别设有电磁阀。尾砂浆管道的进料端连接有立式搅拌机，尾砂浆管道上蠕动泵。

进一步地，所述搅拌组件包括至少三个搅拌叶片，搅拌叶片均匀连接在搅拌轴上。搅拌叶片包括搅拌臂和叶片，搅拌臂的一端叶片相连接、另一端设有搅拌夹，搅拌夹连接在搅拌轴上。

进一步地，所述驱动机构包括电机，电机的输出轴与搅拌轴相连接，电机的输出轴上设有扭矩传感器。图像采集件包括膏体图像精密采集仪，膏体图像精密采集仪通过连接件固定在搅拌箱的上部且与出料箱相对应。

进一步地，所述监测组件包括至少三对水分时空分布监测仪，水分时空分布监测仪均布在搅拌箱内。所述搅拌箱的下部设有支架，支架的下部设有滚轮，搅拌箱的上方设有箱盖。

一种全尾砂膏体搅拌实验装置的使用方法，步骤为：S1：首先，调整动静分离板的位置，使搅拌箱内部分为合适的搅拌腔和出料腔，立式搅拌机搅拌尾砂浆进行备料；

S2：尾砂浆管道、凝胶材料管道、外加剂管道和补水管道上的电磁阀均打开，控制机构控制蠕动泵启动，将立式搅拌机内的尾砂浆通过尾砂浆管道输送到搅拌腔内，此时，尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水按照一定的比例添加到搅拌腔内；

S3：启动电机带动搅拌轴转动，扭矩传感器监测搅拌轴转速，搅拌轴带动搅拌叶片旋转，对搅拌腔内的尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水进行搅拌，直至将其搅拌为膏体，在搅拌过程中，水分时空分布监测仪对膏体进行实时监测，并采集膏体水分状态数据；

S4：搅拌好的膏体进入出料腔，膏体图像精密采集仪采集进入出料腔的膏体状态数据，完成采集的膏体通过出料口排出；

S5：将扭矩传感器采集到的搅拌轴转速、水分时空分布监测仪采集的膏体水分状态和膏体图像精密采集仪采集的膏体状态数据传输到控制器上，并形成若干组膏体试验数据；

S6：控制器对膏体试验数据进行分析，得出尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水在不同比例下产生不同膏体的状态数据，通过对比不同膏体状态数据找到最佳膏体状态下尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水的比例参数，并将其投入使用。

本发明的有益效果为：本发明可用于分析膏体复杂的流变行为特征及浆料结构演化过程，为研究膏体搅拌技术，发展膏体充填专用搅拌设备，实现实验过程中的测试功能；搅拌顶部盖板可以随时打开，可在搅拌过程中随时取样；通过在电机上安装有扭矩传感器，实时监测搅拌过程中功率变化，水分时空分布监测仪可随时检测水分的状态，实现膏体形成过程的监测；膏体图像精密采集仪可监测膏体的搅拌效果，便于作对比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中A-A的截面示意图；

图3为图2中搅拌臂的结构示意图。

图中：1-电机；2-扭矩传感器；3-膏体图像精密采集仪；4-搅拌叶片；5-尾砂浆管道；6-凝胶材料管道；7-外加剂管道；8-补水管道；9-立式搅拌机；10-蠕动泵；11-搅拌箱；12-动静分离板；13-出料口；14-水分时空分布监测仪；15-叶片安装孔；16-搅拌臂；17-搅拌夹；18-螺孔；19-搅拌轴；20-叶片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，实施例1，一种全尾砂膏体搅拌实验装置，包括控制器，还包括搅拌箱11、搅拌轴19和动静分离板12，搅拌箱11内设有水平设置的搅拌轴19，搅拌轴19与驱动机构相连接，驱动机构控制搅拌参数即速度、时间和方向为可调参数，可为搅拌技术及搅拌机结构优化提供试验设备支持；所述搅拌箱11通过动静分离板12分为搅拌腔和出料腔，动静分离板12滑动设置在搅拌箱内，搅拌箱内设有与动静分离板配合的凹槽，便于动静分离板12的移动，调整搅拌腔和出料腔的比例，所述搅拌腔的上部设有进料机构，搅拌腔内设有连接在搅拌轴19上的搅拌组件；所述出料腔的上部设有图像采集件，出料腔的下部设有出料口13，出料腔在搅拌过程中为静态腔，可为搅拌过程中搅拌物料图像采集提供相对稳定的拍摄环境；所述搅拌腔与出料腔内均设有监测组件，监测组件监测搅拌腔和出料腔的膏体状态数据。图像采集件和监测组件均与控制器相连接，控制器兼具数据分析功能，选用电脑做控制器。搅拌机具备间歇及连续两种实验模式，关闭/开启连续进料、出料系统即可完成间歇/连续实验模式的切换；在进行数据采集时一般采用间歇搅拌模式，而在当模拟现场连续搅拌工艺时可采用连续模式。本实施例为发展膏体搅拌技术提供研制膏体充填专用搅拌设备，这将大幅度提高金属矿山膏体的搅拌效率及质量，进一步降低矿山充填成本。

实施例2，与实施例1不同的是进料机构包括尾砂浆管道5、凝胶材料管道6、外加剂管道7和补水管道8，尾砂浆管道5、凝胶材料管道6、外加剂管道7和补水管道8均固定在搅拌箱11上，所述尾砂浆管道5、凝胶材料管道6、外加剂管道7和补水管道8上分别设有电磁阀。电磁阀通过控制器控制连接，控制器分别控制电磁阀，实现对进料量、速度以及配比都能够达到精准操控。尾砂浆管道5的进料端连接有立式搅拌机9，尾砂浆管道5上蠕动泵10，蠕动泵10将立式搅拌机9内的尾砂浆泵入管道内，并通过管道进入搅拌箱11内。

如图2所示，实施例3，与实施例2不同的是搅拌组件包括三个搅拌叶片4，三个搅拌叶片4均布在搅拌腔内的搅拌轴19上、且三个搅拌叶片4之间的夹角为120°；搅拌叶片4包括搅拌臂16和叶片20，搅拌臂16的一端设有叶片安装孔15，叶片20通过穿设在叶片安装孔15上的螺栓固定在搅拌臂16上，叶片20可更换，搅拌臂16的另一端设有搅拌夹17，搅拌夹17上设有螺孔18，螺孔18连接在搅拌轴19上的轴套上。叶片20通过叶片安装孔15固定在搅拌臂16的顶端，搅拌叶片4与搅拌轴19的夹角可以任意调节，其目的是在实验过程中为了采用单因素法并且找到最佳的角度，叶片20的板厚度约2-3mm，预留4个孔通过螺孔18固定叶片20，叶片20安装角度可从0-90°自由调整，调整时需先拧松螺栓，然后轻轻转动叶片20至合适位置，然后再拧紧螺栓即可；搅拌臂16可以将叶片20与搅拌轴19通过搅拌夹17连接起来。实验装置配备有宽径比(叶片宽度与搅拌箱半径之比)为0.2、0.3、0.4、0.5，不同宽度叶片(长度相同)，以及长宽比(叶片长度与宽度之比)为1.25、2、4、6.75不同长度叶片(宽度相同)，便于更换叶片，可开展叶片长度及宽度对搅拌效果影响规律研究，从而寻找到最佳膏体搅拌叶片尺寸。

实施例4，驱动机构包括电机1，电机1的输出轴与搅拌轴19相连接，电机1的输出轴上设有扭矩传感器2。电机的运行参数(电流、电压、转速)实时输入到控制器，同时控制器可实现对电机1的启动、速度、转动方向、停止进行的实时控制，调节范围为0-200rpm。扭矩传感器标定系数为7.71，量程为0-1000N.m，扭矩值是通过在搅拌机轴上安装的扭矩传感器进行采集获取，通过建立搅拌扭矩与流变参数之间的映射关系N＝f(η·τ)，η为塑性粘度，τ为屈服应力，N为搅拌机扭矩值，f为关系函数，根据试验建立的关系式通过监测扭矩变化可实时获取搅拌过程膏体流变性能的演变，从保障制备的膏体符合充填输送要求。

在本实施例中，图像采集件为膏体图像精密采集仪3，膏体图像精密采集仪3通过连接件固定在搅拌箱11的上部且与出料箱相对应。膏体图像精密采集仪3采用图像特征分析软件(如MATLAB)，其原理是采用工业摄像机配合防抖镜头组成双分辨率的成像系统，物理分辨率覆盖μm～cm级的矿物颗粒，避免单一成像系统物理分辨率的局限性，通过双分辨率图像可以分析视野范围内的颗粒度大小分布，然后根据颗粒度大小分布来分析膏体料浆均匀性、流动性等特征参数。

在本实施例中，监测组件六个水分时空分布监测仪14，水分时空分布监测仪14均布在搅拌箱11内。水分时空分布监测仪14在底部安装2个，搅拌箱壁两边各2个，这样可以充分监测到膏体料浆的变化；水分时空分布监测仪采集频率为5Hz，可实时监测水分的含量是否达标，防止膏体出现过稀或过稠的现象，同时获取实时水分分布情况可监测膏体搅拌过程中均质性的变化。

在本实施例中，所述搅拌箱11的下部设有支架，支架的下部设有滚轮，搅拌箱11的上方设有箱盖。底部安装有滑轮便于移动，为了实现实验过程中的测试功能，搅拌顶部盖板可以随时打开，可在搅拌过程中随时取样。

一种全尾砂膏体搅拌实验装置的使用方法，步骤为：S1：首先，调整动静分离板12的位置，使搅拌箱内部分为合适的搅拌腔和出料腔，立式搅拌机9搅拌尾砂浆进行备料；动静分离板12左右移动，调整搅拌腔与出料腔的大小，从而调整搅拌腔的长宽比，为研究搅拌腔长宽比对膏体搅拌效果影响规律提供可能；

S2：尾砂浆管道5、凝胶材料管通道6、外加剂通道7和补水通道8上的电磁阀均打开，控制器控制蠕动泵10启动，将立式搅拌机9内的尾砂浆通过尾砂浆管道5输送到搅拌腔内，此时，尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水均按照一定的比例添加到搅拌腔内；控制器控制电磁阀可严格按照比例的添加，避免数据出错的同时可以实现智能化数据采集，实时监测，有利于实验出最佳的添加比；

S3：启动电机1带动搅拌轴19转动，电机1为5.0kW，并且可通过变频器转速调节，调节为120rpm；扭矩传感器2监测搅拌轴19转速，扭矩传感器标定系数为7.71，量程定为640N.m；搅拌轴19带动搅拌叶片4旋转，搅拌叶片4可拆卸更换，可开展叶片20长度及宽度对搅拌效果影响规律研究，从而寻找到最佳膏体搅拌叶片尺寸；对搅拌腔内的尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水进行搅拌，直至将其搅拌为膏体，在搅拌过程中，水分时空分布监测仪14对膏体进行实时监测，并采集膏体水分状态数据；水分时空分布监测仪采集频率为5Hz，可实时监测水分的含量是否达标，防止膏体出现过稀或过稠的现象，同时获取实时水分分布情况可监测膏体搅拌过程中均质性的变化；

S4：搅拌好的膏体进入出料腔，膏体图像精密采集仪3采集进入出料腔的膏体的状态数据，完成采集的膏体通过出料口13排出；膏体图像精密采集仪3采集的膏体的状态数据为颗粒度大小分布，然后根据颗粒度大小分布来分析膏体料浆均匀性、流动性等特征参数，数据采集频率设置为10次/s，标准情况下该搅拌机单次实验可搅拌膏体(密实)量为0.045m左右，约为75kg；

S5：将扭矩传感器2采集到的搅拌轴19转速、水分时空分布监测仪14采集的膏体水分状态数据和膏体图像精密采集仪3采集的膏体状态数据传输到控制器上，并形成若干组膏体试验数据；控制器为电脑，可以对膏体状态数据监测和分析，并得出不同的膏体试验数据；电脑控制水、凝胶材料、尾砂以及外加剂的配比，膏体搅拌匀质图像通过膏体图像精密采集仪测得并记录，通过软件(如Excel、Origin等)导出，以便进一步分析；扭矩值是通过在搅拌机轴上安装传感器进行采集，通过软件导出；转速频率可通过变频器转速经过电脑操控调节，也可以通过调节来控制轴转动的方向，将扭矩传感器2采集到的搅拌轴19转速、水分时空分布监测仪14采集的膏体水分状态数据和膏体图像精密采集仪3采集的膏体状态数据的数据参数整合在电脑上；

S6：控制器对膏体试验数据进行分析，得出尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水在不同比例下产生不同膏体的状态数据，通过对比不同膏体状态数据找到最佳膏体状态下尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水的比例参数，并将其投入使用；控制器对膏体状态数据的精准调控，可以将实验过程中的膏体试验数据的变化进行对比，完成不同膏体试验数据的比例参数对膏体状态影响的试验，通过对比膏体实验数据找到最佳膏体状态的参数，或者是用于优化现有的工艺参数，然后投入使用。其他结构均与实施例3相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全尾砂膏体搅拌实验装置，包括控制器，其特征在于：还包括搅拌箱（11），搅拌箱（11）内设有水平设置的搅拌轴（19），搅拌轴（19）与驱动机构相连接；所述搅拌箱（11）的内部通过动静分离板（12）分为搅拌腔和出料腔，所述搅拌腔上部设有进料机构，搅拌腔内设有连接在搅拌轴（19）上的搅拌组件；所述出料腔的上部设有图像采集件，出料腔的下部设有出料口（13）；所述搅拌腔与出料腔内均设有监测组件。

2.根据权利要求1所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述进料机构包括尾砂浆管道（5）、凝胶材料管道（6）、外加剂管道（7）和补水管道（8），尾砂浆管道（5）、凝胶材料管道（6）、外加剂管道（7）和补水管道（8）均固定在搅拌箱（11）上，所述尾砂浆管道（5）、凝胶材料管道（6）、外加剂管道（7）和补水管道（8）上分别设有电磁阀。

3.根据权利要求2所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述尾砂浆管道（5）的进料端连接有立式搅拌机（9），尾砂浆管道（5）上蠕动泵（10）。

4.根据权利要求1~3任一项所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述搅拌组件包括至少三个搅拌叶片（4），搅拌叶片（4）均匀连接在搅拌轴（19）上。

5.根据权利要求4所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述搅拌叶片（4）包括搅拌臂（16）和叶片（20），搅拌臂（16）的一端与叶片（20）相连接、另一端设有搅拌夹（17），搅拌夹（17）连接在搅拌轴（19）上。

6.根据权利要求1~3、5任一项所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述驱动机构包括电机（1），电机（1）的输出轴与搅拌轴（19）相连接，电机（1）的输出轴上设有扭矩传感器（2）。

7.根据权利要求6所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述图像采集件包括膏体图像精密采集仪（3），膏体图像精密采集仪（3）通过连接件固定在搅拌箱（11）的上部且与出料箱相对应。

8.根据权利要求7所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述监测组件包括至少三对水分时空分布监测仪（14），水分时空分布监测仪（14）均布在搅拌箱（11）内。

9.根据权利要求1~3、5、7、8任一项所述的全尾砂膏体搅拌实验装置，其特征在于：所述搅拌箱（11）的下部设有支架，支架的下部设有滚轮，搅拌箱（11）的上方设有箱盖。

10.一种如权利要求1~9所述的全尾砂膏体搅拌实验装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：首先，调整动静分离板（12）的位置，使搅拌箱的内部分为合适的搅拌腔和出料腔，立式搅拌机（9）搅拌尾砂浆进行备料；

S2：尾砂浆管道（5）、凝胶材料管道（6）、外加剂管道（7）和补水管道（8）上的电磁阀均打开，控制机构控制蠕动泵（10）启动，将立式搅拌机（9）内的尾砂浆通过尾砂浆管道（5）输送到搅拌腔内，同时，尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水按照一定的比例添加到搅拌腔内；

S3：启动电机（1）带动搅拌轴（19）转动，扭矩传感器（2）监测搅拌轴（19）转速，搅拌轴（19）带动搅拌叶片（4）旋转，对搅拌腔内的尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水进行搅拌，直至将其搅拌为膏体，在搅拌过程中，水分时空分布监测仪（14）对膏体进行实时监测，并采集膏体水分状态数据；

S4：搅拌好的膏体进入出料腔，膏体图像精密采集仪（3）采集进入出料腔的膏体状态数据，完成采集的膏体通过出料口（13）排出；

S5：将扭矩传感器（2）采集到的搅拌轴（19）转速、水分时空分布监测仪（14）采集的膏体水分状态数据和膏体图像精密采集仪（3）采集的膏体状态数据传输到控制器上，并形成若干组膏体试验数据；

S6：控制器对膏体试验数据进行分析，得出尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水在不同比例下产生不同膏体的状态数据，通过对比不同膏体状态数据找到最佳膏体状态下尾砂浆、凝胶材料、外加剂和水的比例参数，并将其投入使用。

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