EP0041468B1 - Zum Herstellen kolloidaler Gemische geeignete Einrichtung - Google Patents

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EP0041468B1
EP0041468B1 EP81630040A EP81630040A EP0041468B1 EP 0041468 B1 EP0041468 B1 EP 0041468B1 EP 81630040 A EP81630040 A EP 81630040A EP 81630040 A EP81630040 A EP 81630040A EP 0041468 B1 EP0041468 B1 EP 0041468B1
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stirrer
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Robert Mercatoris
Fernand Artois
Joseph Colling
Albert Feitler
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Mecanarbed Dommeldange Sa Rl
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Mecanarbed Dommeldange Sa Rl
Mecanarbed Dommeldange Sa Rl
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    • B01F23/50—Mixing liquids with solids
    • B01F23/53—Mixing liquids with solids using driven stirrers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/80—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders with stirrers rotating about a substantially vertical axis
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    • B01F35/20—Measuring; Control or regulation
    • B01F35/21—Measuring
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    • B01F35/45—Closures or doors specially adapted for mixing receptacles; Operating mechanisms therefor
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    • B01F27/11—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers
    • B01F27/112—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers with arms, paddles, vanes or blades
    • B01F27/1125—Stirrers characterised by the configuration of the stirrers with arms, paddles, vanes or blades with vanes or blades extending parallel or oblique to the stirrer axis

Definitions

  • the present invention relates to a device for producing colloidal mixtures, in particular pourable or sprayable colloidal water-cement mixtures, which may contain additives, and a method for operating them.
  • colloidal water-cement mixtures for the production of colloidal concrete, be it on a pure water-cement basis or in the presence of aggregates, requires specific mixing plants.
  • such mixtures are made by generally introducing energy into the intimately mixed components of the mixture.
  • the individual cement particles are largely wetted and the mixture can be converted into a colloidal state, i.e. a state in which neither liquid water nor solid cement particles are present as such, but an intimately mixed, homogeneous mixture which a single phase exists.
  • a mixer mixes a proportion of the cement amount of 25-60% of water in a rotary motion such that the peripheral speed at the outer diameter of the stirrer is 1500 m / minute, that the mixer is filled with cement, that the rotational movement of the stirrer is maintained or throttled to a maximum of half the peripheral speed and that the mixture contains up to 2 parts of sand per cement quantity a degree of moisture of 5-15% so that the sand reaches the center of the funnel-shaped profile of the material to be mixed, which is formed by the stirring.
  • Colloidal water-cement mixtures produced in this way, with or without additives, are used in particular for coating shaped parts made of steel, such as conduit pipes, boilers, containers and the like. They can also be used to inexpensively replace the expensive paints, paints, varnishes or plastic coatings used for protection against corrosion, for example on the basis of organic polymers.
  • One of the main advantages of these mixtures is that the steel molded parts to be coated do not have any surface treatment, e.g. by sandblasting, which is a high factor in the calculation of the cost of conventional corrosion protection.
  • the mix can rise and set on the wall of the mixer, while a cavity forms around the stirrer blades in which they rotate ineffectively.
  • a device is known in which the vessel, which contains the material to be mixed, is movable over rails. The vessel is lifted under a mixer using a lifting device.
  • the object of the invention is to provide a device whose agitator is self-cleaning and which allows the above-mentioned, partly contradicting conditions to be met.
  • the idea on which the invention is based is based on the observation that the best results with regard to the quality of the colloid mixture produced can be achieved if the material to be mixed takes the form of a standing wave in the course of the mixing and stirring process in the container, the profile of which resembles that of a lemniscate remind.
  • the material particles experience an acceleration that leads to extensive disintegration: the latter is responsible for the fact that there is a colloidation at all.
  • This acceleration of the particles can be brought about by a correspondingly high stirring speed, but it should be noted that the exceeding of a certain speed limit, which depends on the respective state of the material, on the configuration of the Mixing container and depends on the design of the stirrer, in particular the wing, leads to the fact that the mix rises on the container wall and sets, while a cavity is formed around the stirrer wing, in which they rotate ineffectively.
  • the stirrer belonging to the device according to the invention has a plurality of series of blades of the same dimensions arranged in planes perpendicular to the stirring axis and at a distance from one another, the blades belonging to one series being an angular dimension of approximately 60 ° with respect to the blades of the adjacent series are offset, each wing has an inclination of approximately 12 ° to said plane and counter to the direction of rotation of the stirrer and the height between wings belonging to adjacent series corresponds at least to the thickness of a wing.
  • a multi-level stirrer While using a single-level stirrer, i.e. a stirrer that has a certain number of blades that are all in one plane, the acceleration effect is only a function of the speed and the blade angle of inclination, a multi-level stirrer has the advantage of accelerating from zero a first value is followed by a further acceleration which is based on an already relatively high value.
  • the protective jacket surrounding the stirrer shaft is used to protect the agitator from contamination by set colloid mixture residues or to facilitate cleaning.
  • the device according to the invention also has an advantage which manifests itself in the procedure for the production of colloidal mixtures and in particular in relation to the question of determining the end point. To determine the point in time at which the mixture is fully colloidal and after which further stirring no longer contributes to the product quality and only increases the risk of setting, it is sufficient to monitor the power consumption of the stirrer drive.
  • the stirrer is operated at a peripheral speed on the outside diameter of at least 500 and preferably 1500 m / min. It could be shown that before reaching the colloidal state, i.e. H. in the presence of a solid phase in addition to a liquid phase in the mixture, the power consumption of the electric drive is irregular, the fluctuations being able to be observed on an ammeter, in particular if the latter has a running recorder display. The fluctuations come to an abrupt end at a certain time, which indicates that there is a colloidal single-phase system in the container. At this point, and not after a certain stirring time has expired, it is advisable to stop stirring immediately and to process the colloided product further.
  • FIG. 1 shows a possible embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows a preferred embodiment of an agitator according to the invention.
  • the container (1) which can have a hinged bottom part (2) for access to the agitator (10).
  • the container (1) can be raised and lowered on suitable lifting devices (20).
  • the agitator (10) shows a one-story wing design (11).
  • On the shaft (12) of the agitator (10) is the protective jacket (13) open in the upper part.
  • the water supply pipe (14) is aimed at the open top of the jacket (13).
  • the electric motor (30) forming the drive unit is equipped with a measuring device, not shown, which allows the power consumption and in particular its fluctuations to be tracked. It is easily possible to couple the measuring device to a module that visually and / or acoustically indicates when the power consumption is without fluctuations and then switches off the agitator if necessary.
  • a fluid coupling (not shown) is connected between the stirrer and the drive.
  • Fig. 2 you can see a two-story agitator, which has 3 blades per level.
  • the wings are offset by 120 ° in each plane; the two wing series are in turn offset by 60 °.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Herstellen kolloidaler Gemische, insbesondere vergiess- bzw. verspritzbarer kolloidaler Wasser-Zement-Gemische, die Zuschläge enthalten können, sowie ein Verfahren zu deren Betreiben.
  • Die Entwicklung kolloidaler Wasser-Zement-Gemische zum Herstellen von kolloidalem Beton, sei es auf reiner Wasser-Zement-Basis, oder in Gegenwart von Zuschlägen, erfordert spezifische Mischanlagen. In der Tat werden solche Gemische hergestellt, indem man generell in die innig miteinander vermengten Gemisch-Komponenten Energie einleitet. Unter dem Einfluss der eingeleiteten Energie werden die einzelnen Zementpartikel weitgehend benetzt und man kann das Gemisch in einen kolloidalen Zustand überführen, in einen Zustand also in welchem weder flüssiges Wasser, noch feste Zementpartikel als solche vorliegen, sondern ein innig vermengtes, homogenes Gemisch, das in einer einzigen Phase existiert.
  • Das Einleiten von Energie in ein anfänglich vorliegendes Zwei-Phasen-System, bestehend aus Wasser sowie darin suspendiertem festen Zement, wird selbstverständlich am besten vermittels eines geeigneten Rührers vollzogen.
  • So kann man bspw. gemäss den in der DE-A-2718236 beschriebenen Verfahren in einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art Zement und Wasser in einem Verhältnis von 0,25-0,6 während eines Zeitraumes von etwa 2 Minuten mit einer Rührer-Umfangsgeschwindigkeit von etwa 30 m/Minute vormischen und dann mindestens 8 Minuten lang einer Massenbeschleunigung von mindestens 2 g (g = 9,81 m/sec2) aussetzen.
  • Weiter hat die Anmelderin in ihrer nachveröffentlichen LU-A-81 524 ein Verfahren beschrieben, dessen Merkmale darin bestehen, dass man in einem Mischer einen auf die Zementmenge bezogenen Anteil von 25-60% Wasser mittels eines Rührers in eine Drehbewegung solcher Art versetzt, dass die Umfangsgeschwindigkeit am Aussendurchmesser des Rührers min 1500 m/Minute beträgt, dass man den Mischer mit Zement beschickt, dass man die Drehbewegung des Rührers beibehält oder auf höchstens die Hälfte der Umfangsgeschwindigkeit drosselt und dem Gemisch einen Anteil von bis zu 2 Teilen Sand pro Zementmenge mit einem Feuchtigkeitsgrad von 5-15% so zuführt, dass der Sand in das Zentrum des durch das Rühren gebildeten trichterförmigen Profils des Mischgutes gelangt.
  • Es wurde festgestellt, dass die Zugabe von Sand überraschenderweise bewirkt, dass weniger hochwertige Zemente, die sich wohl gut kolloidieren lassen aber des öfteren Gemische ohne ausreichendes Haftvermögen ergeben, unter den erfindungsgemässigen Bedingungen verwendet werden können, was unbestreitbare Vorteile sowohl in Punkto Gestehungskosten als auch hinsichtlich der Versorgung an Rohstoffen mit sich bringt.
  • Solcherart hergestellte kolloidale Wasser-Zement-Gemische, mit oder ohne Zuschläge, dienen insbesondere zum Beschichten von Formteilen aus Stahl, wie Leitungsrohren, Kesseln, Behältern u.dgl. Sie können auch dazu herangezogen werden die teuren zum Schutz gegen Korrosion verwendeten Anstriche, Farben, Lacke oder Kunststoffüberzüge bspw. auf der Basis organischer Polymerer, preisgünstig zu ersetzen. Hierbei besteht einer der Hauptvorteile dieser Gemische darin, dass die zu beschichteten Formteile aus Stahl keiner Oberflächenbehandlung, z.B. durch Sandstrahlen, bedürfen, die einen hohen Faktor bei der Berechnung der Gestehungskosten für den konventionellen Korrosionsschutz darstellt.
  • Allerdings ist erwiesen, dass bereits geringfügige Abweichungen von den einzelnen Verfahrensbedingungen, wie z. B. eine zu hohe oder zu niedrige Sandfeuchtigkeit, oder eine nicht verfahrensgerechte Zuführung des Sandes zum Scheitern des Herstellungsprozesses führen.
  • So kann im Fall einer nicht verfahrensgerechten Zugabe des Sandteiles das Mischgut an der Wandung des Mischers hochsteigen und abbinden, während sich um die Rührerflügel ein Hohlraum bildet in welchem diese wirkungslos rotieren.
  • Weiter darf man, um ein frühzeitiges Abbinden des Mischgutes zu vermeiden, die Mischzeit nicht überschreiten; gleichzeitig ist es notwendig, das Mischen und Rühren möglichst lange und intensiv zu betreiben, da dies die unabdingbare Voraussetzung zu Kolloidierung selbst darstellt.
  • Aus der FR-A-2 387 075 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der das Gefäss, welches das zu mischende Gut beinhaltet, über Schienen beweglich ist. Das Gefäss wird mittels einer Hubvorrichtung unter einen Mischer angehoben.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zu schaffen, dessen Rührwerk selbstreinigend ist und welches die oben angeführten, zum Teil widersprüchlichen Bedingungen zu erfüllen gestattet.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Idee stützt sich auf die Beobachtung, dass die besten Resultate hinsichtlich der Qualität des hergestellten Kolloidgemisches dann zu erzielen sind, wenn das Mischgut im Verlauf des Misch- und Rührvorganges im Behälter die Form einer stehenden Welle annimmt, deren Profil an eine Lemniskate erinnert. Innerhalb dieser Form erfahren die Materialteilchen ein Beschleunigung, die zu einer weitgehenden Desintegration führt: letztere ist dafür verantwortlich, dass es überhaupt zu einer Kolloidierung kommt.
  • Diese Beschleunigung der Teilchen kann man durch eine entsprechende hohe Rührgeschwindigkeit herbeiführen, wobei jedoch zu beachten ist, dass das Überschreiten einer gewissen Geschwindigkeitsgrenze, die vom jeweiligen Zustand des Materials, von der Konfiguration des Mischbehälters und von der Ausbildung des Rührers, insbesondere der Flügel abhängt, dazu führt, dass das Mischgut an der Behälterwand hochsteigt und abbindet, während sich um die Rührerflügel ein Hohlraum bildet, in welchem diese wirkungslos rotieren.
  • Geht man davon aus, dass konventionelle Rührer mit geneigten Flügeln eine bestimmte Beschleunigung der Teilchen bewirken, so ist es sinnvoll, sich nicht durch das oben erwähnte Geschwindigkeitsmaximum eingrenzen zu lassen, sondern ein Mehr an Beschleunigung dadurch herbeizuführen, dass man mehrere Beschleuniger vorsieht, deren Einzelwirkungen kumulativ sind.
  • Aus diesem Grunde weist der zu der erfindungsgemässen Vorrichtung gehörende Rührer mehrere in zur Rührachse senkrechten Ebenen und mit einem Abstand zueinander angeordnete Serien von Flügeln gleicher Abmessungen auf, wobei die zu einer Serie gehörenden Flügel gegenüber den Flügeln der benachbarten Serie um ein Winkelmass von annähernd 60° versetzt sind, jeder Flügel zur besagten Ebene und entgegen der Rührer-Drehrichtung eine Neigung von annähernd 12° aufweist und der Höhenstand zwischen zu benachbarten Serien gehörenden Flügeln zumindest dem Dickenmass eines Flügels entspricht.
  • Während bei Verwendung eines einstöckigen Rührers, also eines Rührers, der eine gewisse Anzahl Flügel aufweist die alle in einer Ebene liegen, der Beschleunigungseffekt lediglich Funktion der Drehzahl und des Flügel-Neigungswinkels ist, bietet ein mehrstöckiger Rührer den Vorteil, dass der Beschleunigung von Null auf einen ersten Wert eine weitere Beschleunigung nachgeschaltet ist, die von einem bereits relativ hohen Wert ausgeht.
  • Zum Schutz des Rührwerkes vor Verschmutzungen durch abgebundene Kolloidgemischreste, bzw. zur Erleichterung der Reinigung, dient erfindungsgemäss der die Rührerwelle umgebende Schutzmantel.
  • In der Tat genügt es, das Wasser in den Mantel zu leiten um zu bewirken, dass das Rührwerk von Verunreinigungen befreit bzw. freigehalten wird und zwar wird man nach erfolgter Kolloidierung den Behälter absenken und horizontal verfahren, den entleerten oder auch einen neuen Behälter ein- und auffahren, den Rührer in Bewegung setzen und das Wasser für die nächste Charge einführen. Die Tatsache dass der Schutzmantel an der Rührerwelle fest anliegt und daher mitdreht, bewirkt einen Schleudereffekt, der zur Reinhaltung der Welle sowie des Getriebes beiträgt.
  • Die erfindungsgemässe Einrichtung besitzt ferner einen Vorzug, der sich in der Verfahrensweise bei der Herstellung kolloidaler Gemische und insbesondere in Bezug auf die Frage der Endpunktbestimmung äussert. Zur Bestimmung des Zeitpunktes, zu welchem das Gemisch voll durchkolloidiert ist und nach welchem ein weiteres Rühren nichts mehr zur Produktqualität beiträgt und nur die Gefahr eines Abbindens vergrössert, genügt es in der Tat, die Leistungsaufnahme des Rührerantriebes zu verfolgen.
  • Der Rührer wird mit einer Umfangsgeschwindigkeit am Aussendurchmesser von zumindest 500 und vorzugsweise 1500 m/min betrieben. Es konnte erwiesen werden, dass vor Erreichen des kolloidalen Zustandes, d. h. bei Anwesenheit einer Fest- neben einer Flüssigphase im Gemisch, die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebs unregelmässig ist, wobei die Schwankungen an einem Amperemeter beobachtet werden können, insbesondere wenn letzterer eine laufende Schreiberanzeige aufweist. Die Schwankungen nehmen zu einem bestimmten Zeitpunkt ein jähes Ende, was darauf hinweist, dass sich im Behälter ein kolloidales Einphasensystem befindet. Zu diesem Zeitpunkt und nicht etwa nach Ablaufen einer bestimmten Rührzeit empfiehlt es sich, das Rühren sofort abzustellen und das kolloidierte Produkt weiterzuverarbeiten.
  • Zur bildhaften Darstellung dienen die Zeichnungen die in nicht einschränkender Weise in Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung, und in Fig. 2 eine bevorzugte Anführungsform eines erfindungsgemässen Rührwerkes zeigen.
  • Man erkennt den Behälter (1), der zwecks Zugang zum Rührwerk (10) eine aufklappbare Bodenpartie (2) aufweisen kann. Der Behälter (1) ist heb- und senkbar an geeigneten Hubvorrichtungen (20) angeordnet. Das Rührwerk (10) zeigt eine einstöckige Flügelausführung (11). An der Welle (12) des Rührwerks (10) befindet sich der in der Obenpartie offene Schutzmantel (13). In die offene Obenpartie des Mantels (13) zielt das Wasserzufuhrrohr (14). Der das Antriebsaggregat bildende Elektromotor (30) ist mit einer nicht dargestellten Messvorrichtung ausgerüstet, die es erlaubt, die Leistungsaufnahme und insbesondere deren Schwankungen zu verfolgen. Es ist ohne weiteres möglich, die Messvorrichtung mit eine Modul zu koppeln, das optisch und/oder akustisch anzeigt wann die Leistungsaufnahme ohne Schwankungen verläuft und das Rührwerk dann ggf. abschaltet. Zur Verringerung des insbesondere bei mehrstöckigen, breiten Rührern auftretenden hohen Anfahrmomentes wird eine nicht gezeigte Flüssigkeitskupplung zwischen Rührwerk und Antrieb geschaltet.
  • In Fig. 2 erkennt man ein zweistöckiges Rührwerk, das je 3 Flügel pro Ebene aufweist. In jeder Ebene sind die Flügel um 120° gegeneinander versetzt; die beiden Flügelserien sind wiederum um 60° gegeneinander versetzt.
  • Die erfindungsgemässe Einrichtung bietet gegenüber bekannten Einrichtungen Vorteile, die sich in 2 Weisen äussern können:
    • Erstens ist es möglich kolloidale Gemische herzustellen indem man die für konventionelle Vorrichtungen notwendigen und oft kritischen Rührgeschwindigkeit bequem und risikolos herabsetzen kann. Dies ergibt auch Ersparnisse, was die apparative Ausrüstung insbesondere die Nennleistung des Motors anbelangt, der das Rührwerk antreibt.
    • Zweitens ist es möglich, die üblichen Rührgeschwindigkeiten ohne Bedenken weit unter die kritische Geschwindigkeit zu senken und gleichzeitig die Dauer des Kolloidierprozesses drastisch herabzusetzen. Dies trägt dazu bei, dass bei optimaler Qualität des Endproduktes jedes Risiko eines vorzeitigen Abbindens des Materials ausgeschaltet wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Herstellung kolloidaler Gemische, insbesondere Wasser-Zement-Gemische mit und ohne Zuschläge, die einen Mischbehälter (1), ein Wasserzufuhrrohr (14), Feststoffzufuhrmittel und einen mit einem Antriebsaggregat (30) über eine Welle (12) feststehend verbundenes Rührwerk (10) mit Flügeln (11) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (12) einen am unteren Ende fest anliegenden und am oberen Ende offenen Schutzmantel (13) aufweist, wobei das Wasserzufuhrrohr (14) in den offenen Teil des Schutzmantels (13) zielt und dass der Mischbehälter (1) heb- und senkbar so angeordnet ist, dass in Höchststellung das Verhältnis zwischen dem Gesamtdurchmesser der Flügel (11) und dem des Mischbehälters (1) in der mittleren Flügelebene 1 : 1,15 bis 1 : beträgt.
2. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rührwerk (10) mehrere in zur Rührerachse senkrechten Ebenen und mit einem Abstand zueinander angeordnete Serien von Flügeln (11) gleicher Abmessungen aufweist, wobei die zu einer Serie gehörenden Flügel annähernd um 60° gegenüber den Flügeln der benachbarten Serien versetzt sind.
3. Vorrichtung nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rührwerk (10) zwei Serien von drei Flügeln (11) besitzt, wobei die Flügel einer Serie um 120° gegeneinander versetzt sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Flügel (11) zur besagten Ebene und entgegen der Rührer-Drehrichtung eine Neigung von annähernd 12° aufweist und der Höhenstand zwischen zu benachbarten Serien gehörenden Flügeln (11) zumindest dem Dickenmass eines Flügels entspricht.
5. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (1) eine aufklappbare Bodenpartie (2) besitzt.
6. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat (30) über dem Mischbehälter (1) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich zum Verringern des Anfahrmomentes zwischen dem Rührwerk (10) und dem Antriebsaggregat (30) eine Flüssigkeitskupplung befindet.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat (30) eine Messvorrichtung zum kontinuierlichen Bestimmen der Leistungsaufnahme aufweist.
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