JP2005069717A

JP2005069717A - ミキサー内での混練物の流動性を評価する方法

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Publication number: JP2005069717A
Application number: JP2003209099A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Sugawara; 光男菅原; Takuya Okada; 岡田　　卓也
Original assignee: Krosaki Harima Corp
Current assignee: Krosaki Harima Corp
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP4102262B2

Abstract

【課題】ミキサーによってキャスタブル耐火物、生コンクリートのような流動性混練物を調製するに当たっての混練物の流動性を間接測定するに当たっての測定精度を高めることと、その測定精度が高めた測定法を利用する流動性制御法を提供する。
【解決手段】ミキサーの混練中に、ミキサーの攪拌羽根または回転軸の混練物から受ける負荷が、モーター回転の停止信号発生開始時点から、無負荷となる停止状態に達するまでの緩和時間を測定し、あらかじめ求めた緩和時間と流動性との相関関係からミキサー内で混練物の流動性を評価する方法とした。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、キャスタブル耐火物等の不定形耐火物あるいは生コンクリートを調製する場合のように、ミキサー内の粉体に液体を加えて練り混ぜた混練物の流動性をミキサー内で評価する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、キャスタブル耐火物等の不定形耐火物の流動性は配合する水の量を調整して行う。キャスタブル耐火物の流し込みが可能となる流動性の評価は、非特許文献１のｐ．１４２−１４３に記載のように、フローテーブル、フローコーンによるフロー値を測定することによって行っている。
【０００３】
フローテーブル、フローコーンによるフロー値の測定は、水を加えて練りまぜた材料をフローテーブル上のフローコーン内に所定の操作で充填し、フローコーンをはずしたときに材料が流れて広がった直径を測定するものであり、フローコーンをはずし一定時間経過した直径を「フリーフロー値」と称している。また、その後所定回数、所定高さからの落下運動を与えた後の直径を「タップフロー値」と称している。
【０００４】
また、生コンクリート分野では、混練した生コンクリートの施工性（流動性）を表す指標をワーカビリティ試験による、流れ易さ、打込み易さによって表わしている。このワーカビリティは、非特許文献２に記載されているように、▲１▼流動性試験、▲２▼貫入試験、▲３▼充填性試験、▲４▼分離性の試験、▲５▼ミキサー内のコンシステンシー試験、あるいは▲６▼降伏値と塑性粘土を求める試験等様々な評価試験法が定義されている。
【０００５】
これらの評価試験は、練り混ぜた不定形耐火物あるいは生コンクリートを施工可能とする流動性を評価するためのもので、練り混ぜた直後に抜き取り採取し、評価し、所定の流動性となったか否かを判断する評価試験として用いられ、流動性が不足であれば、さらに混練を続ける等の対策が採られる。
【０００６】
しかしながら、不定形耐火物あるいは生コンクリートのような流動性を持たせるための構成材料を所定の配合で混練しても、材料ロット、粒度、骨材の表面水量等の各種バラツキに起因して許容範囲を超えた流動性のバラツキを生じることがある。これらのバラツキは品質管理上、或いは施工性管理上問題となるため、混練のたびに流動性を評価し、所定の流動性の範囲内に収めるようにしている。
【０００７】
所定の流動性に達したか否かは前述の非特許文献２に記載の▲５▼以外は全て抜き取りで試験量を採取し評価しなければならない。その作業は面倒なため現場で省略されることもあり、作業者の感覚で流動性を判断しがちであり、そのために流動性のバラツキが大きくなるという欠点があった。また１０ｍｍ以上の大粗粒がある場合、測定前に粗粒を除去した為、再度、測定しなければならないものもあり、混練物の流動性を正確に表しているとは言い難い欠点があった。
【０００８】
そこで、面倒な作業となる抜き取りで試験量を採取し評価する方法に替わり、ミキサー内で混練中に流動性を評価する方法が発明されている。具体的には、混練中にミキサーの攪拌羽根を駆動するためのモーターの電流値あるいは電力を測定する方法である。つまり、キャスタブルやコンクリート等は粉体に水を添加して混練するが、流動性が悪い（フロー値が小さい）場合にはミキサーの混練羽根に受ける抵抗が大きく、逆に流動性が良い（フロー値が大きい）場合にはミキサーの混練羽根が受ける抵抗が小さくなる。この抵抗をモーターの電流値等で測定する方法である。従って、あらかじめ混練時のモーターの電流値と混練物のフロー値との相関関係を求めておけば、混練中の電流値を測定することで混練物の流動性を評価することができるのである。
【０００９】
例えば特許文献１では、コンクリートミキサを回転駆動させる電動モーターの負荷電流を検出し、流動性を評価する方法が記載されている。
【００１０】
しかしながら、本発明者が実際にこれらの方法でフロー値と電流値との相関関係をとってみるとバラツキが大きく、実際の施工現場で流動性を管理するには精度が不十分であることがわかった。特に、不定形耐火物の混練においては、バラツキが特に顕著であることがわかった。その理由は明確ではないが、不定形耐火物は、コンクリートに比べて微粉の使用量が多く、特に近年は耐食性を増すために、微粉の使用量が増加している傾向にある。流動性は微粉量と大きく関連するが、ミキサーモーターにかかる負荷には敏感に反映されないと考えられる。
【００１１】
また非特許文献３によれば、ミキサーモーターにかかる負荷は、粘性抵抗を測定していることになるが、この抵抗は、圧力抵抗と摩擦抵抗からなる。摩擦抵抗は粘性抵抗ともいうが、粘性流体中を物体が動く速度に比例し、この速度が十分に小さい場合、すなわちレイノルズ数が１以下の場合には、抵抗の大部分は粘性抵抗であるとしている。しかしながらミキサーにて混練する場合のレイノルズ数は数百から数千にも達するため、抵抗に占める粘性抵抗の割合が低下するため、回転中のミキサーモーターにかかる負荷から粘性、つまり流動性を評価する精度には限界があるものと考えられる。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭５９−２２４３１１号公報
【００１３】
【非特許文献１】
耐火物手帳（１９５８年版）耐火煉瓦技術会（１９５７年発行）
【００１４】
【非特許文献２】
「コンクリートの試験方法（上）」笠井芳夫、池田尚治編著、技術書院（１９９３）
【００１５】
【非特許文献３】
岩波「理化学辞典第４版」岩波書店（１９８７）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、混練中にミキサー内で混練物の流動性を評価する際の精度を高めることにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
ミキサーの混練中に、ミキサーの攪拌羽根または回転軸の混練物から受ける負荷が、モーター回転の停止信号発生開始時点から、無負荷となる停止状態に達するまでの緩和時間を測定し、あらかじめ求めた緩和時間と流動性との相関関係からミキサー内で混練物の流動性を評価する方法とした。
【００１８】
混練物の攪拌混練のために一定速度で回転しているミキサーの攪拌羽根は一定の抵抗（負荷）を受けている。本願発明は、この攪拌羽根が攪拌混練中の一定の負荷状態から停止時に無負荷の状態に戻るまでの時間（緩和時間）と流動性との間には密接な相関があり、混練物の流動性を高精度で知ることができるいう知見の下で完成したものである。
【００１９】
従来、例えば不定形耐火物の混練において、熟練者は、回転中の混練物の挙動や音等により主として混練物の練り具合を判定するが、その流動性は回転中では判定しにくく、最終的にはミキサーを停止した際の混練物の挙動、水の染み出し方、混練物の光の反射具合等から総合的に判断してきた。
【００２０】
また停止した際、混練物には慣性力が作用するが、その慣性に起因する混練物の流れの状態からも流動性を判断してきた。
【００２１】
さらに、流動性は混練物の粘性をあらわしていると考えると、粘性による抵抗は、流体の速度が一定の時には定常状態となり、混練物の粘性変化が、ミキサーモーターの負荷に敏感には反映しないと考えられる。一方、流体の速度が変化する時にその粘性挙動が顕著に現れることから、回転から停止時の緩和時間は、混練物の粘性を精度よくあらわしているとも考えられる。
【００２２】
この回転時から停止時までの挙動には、停止時に、混練物の慣性が攪拌羽根や軸に作用し、緩和時間の重要な一部をなす。混練物の流動性は、その慣性とも大きな密接な関係が考えられるため、この緩和時間を測定することで、既存の流動性との相関が非常に良い結果をもたらすことが考えられる。このため、緩和時間の測定により混練物の流動性を精度良く測定することが可能となった。
【００２３】
負荷は、攪拌羽根または回転軸に生じている状態量であって、具体的にはトルク、歪、位置、角速度、角加速度または攪拌羽根前面に生じる混練物の盛り上がる液面高さとして測定される。
【００２４】
これらの状態量は、具体的な測定方法としては下記の方法があるが、本願発明の緩和時間の測定方法は、これに限定されるものではない。
【００２５】
その第１は攪拌翼、攪拌羽等の歪を、攪拌翼、攪拌羽等に取り付けた歪ゲージにより測定する方法であり、また、その第２は、攪拌翼、攪拌羽の位置変化をレーザーにて計測する方法である。また、その第３として、回転軸のトルク変化を測定する方法がある。この場合のトルクは電流等ではなく軸に取り付けた歪ゲージ等で機械的に直接求める方法である。さらには、回転軸の角速度変化を求める方法、攪拌翼、攪拌羽に取り付けた加速度変化を測定する方法、停止直後から停止までの攪拌羽前面のスラリーの盛り上がりの高さ変化をレーザーにより距離測定または画像処理による液面高さ変化を測定する方法等である。
【００２６】
このように、攪拌羽根または回転軸に生じている負荷は、ミキサー内で簡単に測定することが可能であり、電気信号として検出されるため自動的に測定して記録することができるので、測定精度が向上する。
【００２７】
また、停止状態は、完全な停止状態の判定が困難な場合は、その停止直前の状態量の２０〜３０％以下の閾値を決め、モーター回転の停止信号発生開始からその閾値を下回った時をもって緩和時間と定義してもよい。緩和時間は、モーター回転の停止信号発生開始からその閾値を下回った時のみならず、状態量の変化を指数関数等の関数に近似し、その半減時間や指数係数として定めても良い。
【００２８】
本発明では、ミキサーは、キャスタブル等の不定形耐火物やコンクリートを混練するのに使用されている一般的なミキサーであれば問題なく使用することができる。不定形耐火物においては、ターボミキサー、ボルテックスミキサーなどにおいて、特に優れた効果を発揮する。
【００２９】
本発明は、前述の従来技術に見られる回転中の攪拌抵抗を電流、電力、トルク等様々な手段で検出し、あらかじめ事前に流動性を測定しその時の電流、電力、トルク等の比較により求める方法とはまったく思想を異にしている。
【００３０】
つまり攪拌中の抵抗ではなく、攪拌（モーター）を停止したその時からの抵抗の変化を、「緩和時間」という概念で計測し、あらかじめ事前に流動性を測定し、その時の「緩和時間」との関係を整理した検量線から流動性を求める方法である。攪拌から停止への抵抗の変化は時間のみならず、抵抗速度変化、加速度変化として計測しても良い。あるいは攪拌羽根前面に生じる混練物の盛り上がる液面高さの変化として計測しても良い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、緩和時間を歪ゲージによって測定した実施例によって説明する。
【００３２】
図１はミキサー１に設けられた回転軸２に取り付けられた攪拌羽根３への歪ゲージ４の取り付け状態を示す。歪ゲージ４の取り付け場所は、回転中の歪と停止時の歪の差が大きく現れる場所を選べばよい。
【００３３】
その流動性の測定に当たっては、まず、ミキサー１の静止状態における歪ゲージを０にセットする。次に、攪拌羽根３に回転する接線方向に既知の負荷を与え、その時の歪を計測しておく。これによって、歪みに対応する混練時の抵抗を知ることができる。混練中の歪み変化を、例えば、スリップリング、テレメーター等によって取り出す。
【００３４】
モーターが停止するときの信号をシーケンサーから出力し、モーター電源接点を開き、モーターを停止すると同時に停止信号をトリガーとして、停止前と停止後の数秒〜数十秒の歪み値を連続的に測定する。歪み値にはノイズも混入するので、できればフィルター等の前処理をするのが望ましい。
【００３５】
但し、モーター静止時に攪拌羽根の挙動が振動現象を伴うため、停止時のゼロ歪までに要する時間の判定が困難な場合もある。そのため、混練中のひずみの数割以下あるいは任意の閾値を設け、その閾値を下回るに要する時間を緩和時間と定めることもできる。
【００３６】
ミキサーの攪拌羽根３を回転し、混練しながらモーターを停止し、緩和時間を測定して流動値を換算する。これは、前記従来の公知の直接法によって流動性を測定し、そのとき攪拌羽根３の緩和時間と流動性との関係（以後「検量線」と称する）を材料毎にあらかじめ測定しておく。この検量線に基づいて、測定した停止時の緩和時間から流動性を求めることが可能となる。
【００３７】
目標とする流動性で練り上げたい場合には、数秒〜数分間隔でモーターを停止し、停止時までの緩和時間を測定しながら、所定の流動性を得られるまでの時間を推測し、推測時間手前で再度停止し、測定を繰り返すことで所定の流動性を得るまでの推定時間の精度を上げる。そして、目的とする緩和時間に達したら、そこで混練を停止することで所定の流動性を得ることが可能となる。
図１に示すミキサー１に、回転軸２に取り付けたスリップリングを介して動的歪計４を取り付け、表１に示す配合のアルミナ質不定形耐火物６００ｋｇを混練した。
【００３８】
【表１】

歪計４によって測定した歪値は、ＡＤ変換ボードを介して５０００Ｈｚでコンピュータに取り込んだ。シーケンサー接点からのモーター停止信号をトリガー信号として、停止直前数秒の歪値と停止直後数秒〜数１０秒の歪値をコンピュータに取り込み、停止からゼロになるまでの時間を計測した。ただこの場合、歪計のドリフト等によりゼロに完全に戻らない場合もあるため、完全に停止したと考えられる数秒後から数１０秒後までの歪値をゼロとみなし、採取したデータを補正し、かつある一定の閾値内に到達した時間を緩和時間とした。
【００３９】
図２は、同一ロットで連続して混練し、３分、６分、９分の各時点で歪の閾値を０．１として設定して測定し計測した緩和時間と、サンプルを抜き取り、タップフロー値を測定した結果を、それぞれ、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。なおタップフロー用サンプルは、混練重量を同一とするため元配合に戻して測定した。図２から、混練時間が進み、タップフロー値が大きくなる、即ち、流動性が良好になるとともに、緩和時間が長くなっていることがわかる。
【００４０】
図３は、このように様々な時間で混練しその時の緩和時間と抜き取り測定した流動性（タップフロー値）との検量線を作成するための相関関係を示す。同図からタップフロー値と緩和時間との相関性は非常に高いことが分かる。
【００４１】
この相関関係から検量線を作成し、これを基に、混練時間を制御して流動性を一定に制御する試験を実施した。
【００４２】
本実施例においては、水添加開始から４分間混練後、１分間隔でミキサーを停止し、緩和時間を計測し、所定の緩和時間に達しない場合さらに１分混練・緩和時間の測定を繰返し、所定の流動性に対応する緩和時間を得られるまで、運転・停止測定を繰り返して流動性を制御した。目標となる流動性として、タップフロー値を１４５と１３０の２水準に設定し、目標値とおりの流動性が得られるかも合わせて検討した。
【００４３】
比較例として、一定時間（６分間）混練する方法と、電流による制御、すなわち、駆動モーターの電流が一定の電流値に達するまで運転する２つの方法と比較した。最終混練物は抜き取りフロー試験を実施し、タップフロー値を求めた。その結果を表２に示す。
【００４４】
【表２】

図４は、その結果を図として現すものである。同図において、▲１▼はタップフロー値の目標を１４５とした例を示し、▲２▼は１３０に設定した例を示す。また、図中の四角領域は、標準偏差±σ内を示す。
【００４５】
同図から、本発明においては、目標となるタップフロー値ほぼ達成されており、且つ、そのバラツキは非常に小さいことがわかる。これに対して、一定時間混練する方法では、タップフローの値のバラツキが非常に大きい。また、電流制御ではバラツキはやや小さくなり、かつタップフロー下限が制御されるが、その効果は顕著ではない。このことから、本発明によれば、きわめて高精度な流動性を制御でき、かつそのバラツキを小さく押さえることがわかる。
【００４６】
表３は得られた不定形耐火物の品質を示す。品質試験には曲げ強度を採用した。曲げ強度は、混練後のスラリーを鋳込みサイズ：６５×５７×２３０ｍｍに振動を付与しながら鋳込み、その後２４時間養生、１１０℃×２４時間乾燥し、さらに３００℃×２４時間乾燥したものを試料とした。５７×２３０の面を荷重面とし、支持長２００ｍｍの３点曲げを実施した。
【００４７】
【表３】

同表から、本発明により施工した不定形耐火物の品質が向上しかつバラツキが小さくなった。これは分散状態が安定することで品質が向上し、流動性のバラツキが小さいため、施工組織の均一化が実現でき、曲げ強度のバラツキが小さくなったものと考えられる。
【００４８】
これに対して、従来法では、流動性のバラツキが大きく、流動性が高いものは施工時には流れやすいが、それとともに粗粒が沈降しやすく、下部に粗粒が集中し、上部は粗粒が少なくなり、組織の不均一化を生じ、その結果強度のバラツキが大きくなる。また流動性が低いものは施工時に流れにくく、施工時に巻き込んだ空気の脱泡ができにくく内部欠陥となりやすく曲げ強度が低下すると考えられる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明により、以下の効果を奏することができる。
【００５０】
（１）施工の信頼度が大幅に向上し、また流動性のバラツキが非常に小さくなるため、鋳込んだ組織が安定し、その結果施工体の品質が大幅に安定する。
【００５１】
（２）目標とする流動性を任意に設定・制御することが可能となる。このことから、振動鋳込み等ができない形状では、流動性をあげタップフロー値を高い値に設定し制御可能となり確実な施工が可能となる。
【００５２】
（３）混練終了を自動的に判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ミキサー攪拌アームへ歪ゲージを取り付けた状態を示す。
【図２】混練時間と流動性（タップフロー値）及び緩和時間との関係を示す。
【図３】緩和時間と抜き取り測定した流動性（タップフロー値）との関係を示す。
【図４】一定時間混練及び電流制御実施時と本発明による流動性制御時の流動値（タップフロー値）との関係を示す。
【符号の説明】
１ミキサー
２回転軸
３攪拌羽根
４歪ゲージ４

Claims

ミキサーの攪拌羽根または回転軸のミキサー内の混練物から受ける負荷が、モーター回転の停止信号発生開始時点から、無負荷となる停止状態に達するまでの緩和時間を測定し、あらかじめ求めた緩和時間と流動性との相関関係からミキサー内で混練物の流動性を評価する方法
攪拌羽根または回転軸のミキサー内の混練物から受ける負荷は、攪拌羽根または回転軸に生じている状態量であって、トルク、歪、位置、角速度、角加速度、または攪拌羽根前面に生じる混練物の盛り上がる液面高さであることを特徴とする請求項１に記載のミキサー内での混練物の流動性を評価する方法