CN115351917A - 一种紊流式超声搅拌设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水泥浆搅拌设备的技术领域，公开了一种紊流式超声搅拌设备及方法，通过倾斜式、双向紊流及超声搅拌的设计，实现混合浆料的多轨迹运行及混合，规避常规搅拌死角及效率低的问题，提升搅拌均匀性，并通过超声波的物理分散和化学强化作用，进一步提升混合浆料的微观均匀性和性能优势。
Description
技术领域
本发明涉及水泥浆搅拌设备的技术领域，具体公开了一种紊流式超声搅拌设备及方法。
背景技术
搅拌机在生产生活中具有广泛的应用，现有的搅拌机搅拌浆体时通常通过搅拌轴旋转带动叶片做圆周运动进行搅拌，浆料仅围绕一个方向旋转，使不同的物质层容易相互平行运动，而不能进行充分的混合均匀，搅拌费时费力且效果不佳；同时，在高速搅拌过程中经常会形成周边高，中间低的漩涡，搅拌物料多时，物料容易向外侧飞溅；此外，该搅拌形式存在搅拌速度梯度的变化，越靠近搅拌轴的区域拌合速度越低，容易产生搅拌低效区。
水泥基净浆和砂浆混合浆料是一种多相混合物，粒径范围跨度从厘米到纳米级别，因而使水泥基混合物料的充分分散，减小粉料团聚，提升功能性超细材料的分散效果，是实现水泥基材料性能提升的关键。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明旨在提供通过一种紊流式超声搅拌设备及方法，通过倾斜式、双向紊流及超声加强的搅拌装置的设计，实现混合浆料的多轨迹运行及混合，即在自重作用下向下运动，在搅拌叶桨的作用下将物料向上扬起，并在搅拌筒的反向作用力下形成逆向剪切，形成多重轨迹的浆料的紊流搅拌形式，有利于提升混合浆料的混合和搅拌效率，降低能量消耗。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现：一种紊流式超声搅拌设备，包括底座，所述底座上固定安装有搅拌筒，所述搅拌筒包括搅拌内筒和搅拌外筒，所述搅拌外筒套设在搅拌内筒的外部并形成空腔，所述搅拌内筒的外圆周壁上设有传动齿轮，所述传动齿轮配设有用于带动传动齿轮转动的驱动电机，所述搅拌内筒和搅拌外筒的两端通过顶盖连接在一起；
所述顶盖上安装有传动齿轮，所述传动齿轮配设有用于带动传动齿轮转动的驱动电机，所述驱动电机输出轴的另一端连接有搅拌轴，所述搅拌轴的顶端依次贯穿搅拌筒并延伸至搅拌内筒，所述搅拌轴的外表面固定安装有位于搅拌内筒的搅拌叶桨；
所述顶盖上设有超声分散搅拌装置和机械搅拌装置，所述超声分散搅拌装置包括超声换能器、变幅杆以及超声搅拌棒，超声搅拌棒与搅拌浆料直接接触。
进一步的，所述机械搅拌装置包括一组或多组机械搅拌单元，所述机械搅拌单元由驱动电机、传动齿轮和搅拌叶桨组成。
进一步的，所述搅拌筒为倾斜筒体，倾斜角度为15°。
进一步的，所述底座下方安装有液压升降装置，控制搅拌筒体按照设定角度倾斜。
进一步的，所述搅拌内筒在驱动电机和传动齿轮的带动下围绕搅拌轴心做自转运动，且内筒旋转方向与机械搅拌方向相反，引起物料的紊流扰动。
本发明还提供一种紊流式超声搅拌方法，包括以下试验步骤：
S1.将物料加入搅拌内筒，开启机械搅拌装置，将物料初步打散；
S2.启动液压升降装置控制搅拌筒体倾斜；
S3.启动搅拌内筒做反向旋转，物料在搅拌内筒中受机械搅拌力、内桶反向作用力、重力的不同向剪切力产生紊流运动；
S4.启动超声分散搅拌装置，物料在做紊流运动的同时，与超声搅拌棒接触，进一步进行超声分散，实现物料搅拌宏观和微观上的均匀性。
作为优选，所述步骤S1中机械搅拌的搅拌速率为50r/min-500r/min可调，搅拌时间为1-10min。
作为优选，所述步骤S3中筒反转的速率为50rmin-300r/min可调。
作为优选，所述步骤S4中超声功率为0-3000w，超声频率为15-40Hz，超声搅拌时间为1-10min。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明规避了传统搅拌形式的缺点，如简单的物料运行轨迹、搅拌死角多、不能有效剪切物料，混合均匀性差等缺陷，提供了更为科学的搅拌形式及搅拌轨迹，如多轨道运行轨迹、双向紊流搅拌形式等。
(2)本发明将上述高效搅拌与超声搅拌进行结合，超声搅拌棒通过提供高频机械振动波，改善物料表面吸附和浸润特性，解聚团粒，进一步提升物理分散效果及化学增强效应，达到充分分散和解聚目的。
(3)本发明通过倾斜搅拌筒的设计，解决普通机械搅拌结合超声分散作用力有限的问题，使物料在倾斜紊流的过程中被充分超声分散，极大地提升了物料的分散程度，因而具有更为明显的应用优势。
(4)本发明通过大量实验和统计，限定了最优的紊流速率和超声参数，采用本发明装置以及工艺制备的净浆，物料的平均粒径明显降低，分散性大大提高；同时净浆Zeta电位较高，其沉降时间较普通搅拌的更长，分散稳定性更好；宏观上表现出流动性得到改善，其早期强度后期强度均较普通搅拌工艺更好。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明给出的一种紊流式超声搅拌设备示意图。
图2为本发明给出的一种紊流式超声搅拌设备搅拌筒俯视图。
附图标记
1 底座；
2 搅拌筒；
3 搅拌内筒；
4 搅拌外筒；
5 顶盖；
6 传动齿轮；
7 驱动电机；
8 驱动电机；
9 搅拌轴；
10 搅拌叶桨；
11 搅拌叶桨；
12 埚壁；
13 传动齿轮；
14 搅拌轴；
15 超声换能器；
16 变幅杆；
17 超声搅拌棒；
18 液压升降装置；
19 机械搅拌装置；
20 超声分散搅拌装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供了一种紊流式超声搅拌设备，包括底座1，所述底座1上固定安装有搅拌筒2，所述搅拌筒2包括搅拌内筒3和搅拌外筒4，所述搅拌外筒4套设在搅拌内筒3的外部并形成空腔，所述搅拌内筒3的外圆周壁上设有传动齿轮6，所述传动齿轮6配设有用于带动传动齿轮6转动的驱动电机7，所述搅拌内筒3和搅拌外筒4的两端通过顶盖5连接在一起；
所述顶盖5上安装有传动齿轮13，所述传动齿轮13配设有用于带动传动齿轮13转动的驱动电机8，所述驱动电机8输出轴的另一端连接有搅拌轴9，所述搅拌轴9的顶端依次贯穿搅拌筒2并延伸至搅拌内筒3，所述搅拌轴9的外表面固定安装有位于搅拌内筒3的搅拌叶桨10；
所述顶盖上设有超声分散搅拌装置20和机械搅拌装置19，所述超声分散搅拌装置20包括超声换能器15、变幅杆16以及超声搅拌棒17，超声搅拌棒17与搅拌浆料直接接触。
所述机械搅拌装置19包括一组或多组机械搅拌单元，所述机械搅拌单元由驱动电机8、传动齿轮13和搅拌叶桨11组成。
所述搅拌筒2为倾斜筒体，倾斜角度为15°。
所述底座1下方安装有液压升降装置18，控制搅拌筒2体按照设定角度倾斜。
所述搅拌内筒3在驱动电机7和传动齿轮6的带动下围绕搅拌轴心做自转运动，且搅拌内筒3旋转方向与机械搅拌方向相反，引起物料的紊流扰动。
一种紊流式超声搅拌方法，包括以下试验步骤：
S1.将物料加入搅拌内筒，开启机械搅拌装置，将物料初步打散；
S2.启动液压升降装置控制搅拌筒体倾斜；
S3.启动搅拌内筒做反向旋转，物料在搅拌内筒中受机械搅拌力、内桶反向作用力、重力的不同向剪切力产生紊流运动；
S4.启动超声分散搅拌装置，物料在做紊流运动的同时，与超声搅拌棒接触，进一步进行超声分散，实现物料搅拌宏观和微观上的均匀性。
所述步骤S1中机械搅拌的搅拌速率为50r/min-500r/min可调，搅拌时间为1-10min。
所述步骤S3中筒反转的速率为50rmin-300r/min可调。
所述步骤S4中超声功率为0-3000w，超声频率为15-40Hz，超声搅拌时间为1-10min。
具体的，净浆单方配合比设计如表1，应用上述紊流式超声搅拌设备，采用不同搅拌方式对比本发明工艺同普通搅拌方式的差异和优势。
表1净浆配合比
| 水泥 | 粉煤灰 | 水 | 外加剂 | |
| 比例(kg/m<sup>3</sup>) | 1296 | 288 | 792 | 3.2 |
对比例1
净浆单方配合比如表1所示，搅拌程序均按照GBT 17671-1999胶砂搅拌步骤。
实施例1
净浆配合比如表1所示，按照本发明所述搅拌工艺，首先将水泥和粉煤灰、水和外加剂等物料加入搅拌内桶，开启机械搅拌装置，以150r/min搅拌2min成混合水泥浆体；启动液压装置使搅拌筒体倾斜升高，开启内桶以100r/min反向旋转，同时开启超声分散搅拌装置，超声功率为1600w，超声频率为20Hz,搅拌时间为4min，而后出锅。
实施例2
净浆配合比如表1所示，按照本发明所述搅拌工艺，首先将水泥和粉煤灰、水和外加剂等物料加入搅拌内桶，开启机械搅拌装置，以150r/min搅拌2min成混合水泥浆体；启动液压装置使搅拌筒体倾斜升高，开启内桶以100r/min反向旋转，同时开启超声分散搅拌装置，超声功率为1200w，超声频率为20Hz,搅拌时间为4min，而后出锅。
实施例3
净浆配合比如表1所示，按照本发明所述搅拌工艺，首先将水泥和粉煤灰、水和外加剂等物料加入搅拌内桶，开启机械搅拌装置，以150r/min搅拌2min成混合水泥浆体；启动液压装置使搅拌筒体倾斜升高，开启内桶以100r/min反向旋转，同时开启超声分散搅拌装置，超声功率为800w，超声频率为20Hz,搅拌时间为4min，而后出锅。
取搅拌后的胶材净浆分别进行下面测试，对比本发明方法同普通搅拌工艺的差别和优势。采用粒径/电位仪测定净浆的Zeta电位及粒径，净浆沉降时间测试方法为取净浆20ml于100ml标准量筒中，加水至100ml，记录净浆水泥浆体沉降到50ml的时间，净浆流动度参考GBT 8077-2012进行测试，净浆抗压强度参照GBT17671-1999进行测试，测试结果如表2所示。
表2净浆相关性能对比
可以看出，采用本发明装置以及工艺制备的净浆，平均粒径明显降低，表明粒子团聚减小，其分散性大大提高，净浆Zeta电位较高，其沉降时间较普通搅拌的更长，分散稳定性更好；宏观上表现出流动性得到改善，其早期强度后期强度均较普通搅拌工艺更好。
本发明提供了更为科学的搅拌形式及搅拌轨迹，采用多轨道运行轨迹、双向紊流的搅拌形式，通过机械搅拌和超声分散搅拌装置，对物料进行充分搅拌。并通过倾斜搅拌筒的设计，解决普通机械搅拌结合超声分散作用力有限的问题，使物料在倾斜紊流的过程中被超声分散，极大地提升了物料的分散程度，促进了物料工作性能和强度的提升。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种紊流式超声搅拌设备，其特征在于，包括底座，所述底座上固定安装有搅拌筒，所述搅拌筒包括搅拌内筒和搅拌外筒，所述搅拌外筒套设在搅拌内筒的外部并形成空腔，所述搅拌内筒的外圆周壁上设有传动齿轮，所述传动齿轮配设有用于带动传动齿轮转动的驱动电机，所述搅拌内筒和搅拌外筒的两端通过顶盖连接在一起；
所述顶盖上安装有传动齿轮，所述传动齿轮配设有用于带动传动齿轮转动的驱动电机，所述驱动电机输出轴的另一端连接有搅拌轴，所述搅拌轴的顶端依次贯穿搅拌筒并延伸至搅拌内筒，所述搅拌轴的外表面固定安装有位于搅拌内筒的搅拌叶桨；
所述顶盖上设有超声分散搅拌装置和机械搅拌装置，所述超声分散搅拌装置包括超声换能器、变幅杆以及超声搅拌棒，超声搅拌棒与搅拌浆料直接接触。
2.根据权利要求1所述的紊流式超声搅拌设备，其特征在于，所述机械搅拌装置包括一组或多组机械搅拌单元，所述机械搅拌单元由驱动电机、传动齿轮和搅拌叶桨组成。
3.根据权利要求1所述的紊流式超声搅拌设备，其特征在于，所述搅拌筒为倾斜筒体，倾斜角度为15°。
4.根据权利要求1所述的紊流式超声搅拌设备，其特征在于，所述底座下方安装有液压升降装置，控制搅拌筒体按照设定角度倾斜。
5.根据权利要求1所述的紊流式超声搅拌设备，其特征在于，所述搅拌内筒在驱动电机和传动齿轮的带动下围绕搅拌轴心做自转运动，且搅拌内筒旋转方向与机械搅拌方向相反，引起物料的紊流扰动。
6.采用上述权利要求1～5任一项所述的紊流式超声搅拌设备的紊流式超声搅拌方法，其特征在于，
包括以下试验步骤：
S1.将物料加入搅拌内筒，开启机械搅拌装置，将物料初步打散；
S2.启动液压升降装置控制搅拌筒体倾斜；
S3.启动搅拌内筒做反向旋转，物料在搅拌内筒中受机械搅拌力、内桶反向作用力、重力的不同向剪切力产生紊流运动；
S4.启动超声分散搅拌装置，物料在做紊流运动的同时，与超声搅拌棒接触，进一步进行超声分散，实现物料搅拌宏观和微观上的均匀性。
7.根据权利要求6中所述的紊流式超声搅拌方法，其特征在于，所述步骤S1中机械搅拌的搅拌速率为50r/min-500r/min可调，搅拌时间为1-10min。
8.根据权利要求6中所述的紊流式超声搅拌方法，其特征在于，所述步骤S3中筒反转的速率为50rmin-300r/min可调。
9.根据权利要求6中所述的紊流式超声搅拌方法，其特征在于，所述步骤S4中超声功率为0-3000w，超声频率为15-40Hz，超声搅拌时间为1-10min。
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