СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PREPARING CONCRETE MIXES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области машиностроения и направлено на разработку способа приготовления цементных растворов и конструкции аппарата для его осуществления.
Приготовление с высокой производительностью качественных с необходимой плотностью гомогенных цементных растворов является актуальной задачей в различных отраслях промышленности, в частности, строительной, нефтяной, газовой, а также в атомной энергетике при иммобилизации радиоактивных отходов в цементный компаунд.
В основе методов приготовления цементных растворов лежит принцип введения расчетного количества цементного порошка и, при необходимости, других сухих добавок в известный объем жидкости затворения. Процесс введения цементного порошка происходит при перемешивании образующегося цементного раствора. Очевидно, что способ перемешивания в значительной степени определяет энергозатраты на проведение процесса и существенно влияет на гомогенность полученного раствора. С ростом вязкости конечного цементного раствора, особенно при получении растворов высокой плотности, энергетический кпд процесса перемешивания снижается, что, в зависимости от способа перемешивания, может являться причиной невозможности дальнейшего осуществления процесса приготовления цементного раствора из-за недостатка вводимой в реакционный объем энергии для нормального проведения процесса.
Известен способ приготовления цементных растворов, где перемешивание осуществляется путем вращения корпуса смесительного аппарата вокруг горизонтальной оси, в результате чего смешиваемые компоненты и вода перемещаются в вертикальной плоскости по внутренней стенке корпуса снизу вверх, а сверху вниз сбрасываются спиралью съемного стержня [патент РФ № 2118593, МКИ В28С 5/20].
Этот способ реализуется в устройстве [патент РФ № 2118593, МКИ В28С 5/20], содержащем снабженный внешними бандажами горизонтальный корпус в форме тела вращения с загрузочным и разгрузочным торцами, на внутренней поверхности которого установлены по спирали перемешивающие элементы и питатели сухих компонентов и воды. Перемешивающие элементы выполнены в виде изогнутого по спирали съемного стержня, заключенного в резиновый или пластиковый шланг, причем угол наклона спирали стержня расположен в пределах 10-80° к вертикали при соотношении диаметра корпуса к его длине в пределах от 1:2 до 1:3,5. Изнутри корпуса по его образующей смонтированы съемные прямые стержни, а выходное отверстие питателя воды расположено внутри корпуса на расстоянии от 0,1 до 0,5 его длины со стороны разгрузочного торца устройства.
Однако данные способ и устройство не обеспечивают гомогенности получаемых растворов при их большой конечной плотности, и, кроме того, требуют больших энергозатрат на вращение загруженного раствором корпуса устройства.
Также известен способ приготовления цементных растворов, где перемешивание осуществляют вращающимися в вертикальной плоскости мешалками [научно-технический журнал "Нефтяное хозяйство", № 8, 1991, М.: Недра, стр.40].
Этот способ реализуется в смесительной установке [научно-технический журнал "Нефтяное хозяйство", № 8, 1991, М.: Недра, стр.40], содержащей резервуар, размещенные в нем мешалки, состоящие из горизонтально расположенных валов с поперечными траверсами, к концам которых прикреплены прерывные ленточные винтовые лопасти. При этом резервуар имеет днище, выполненное по форме и размерам мешалок в виде двух соприкасаемых сферических сегментов, расположенный под ним поддон, образующий с ними, с торцевой стенкой резервуара и торцевой заглушкой перед задней торцевой стенкой герметичную полость. На торцевых стенках резервуара оборудованы опорно-концевые подшипники концов валов мешалок, которые соединены с приводом.
Основными недостатками этого способа перемешивания и реализующей его смесительной установки является присущая всем механическим мешалкам недостаточная степень перемешивания компонентов приготавливаемых растворов, обусловленная образованием застойных зон. Это приводит к выпадению из раствора частиц цемента на днище резервуара, которые наслаиваются и уплотняются на высоту зазора 20-50 мм между днищем и лопастями мешалок, что также делает невозможным получение гомогенных высоковязких растворов.
Наиболее близким способом к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ пульсационного перемешивания в плоских вертикальных слоях жидкости, выбранный в качестве прототипа [Пульсационная техника. Под общей ред. С.М.Карпачевой. М.: Энергоатомиздат, 1983, стр.43-49].
Недостатком этого способа является невозможность приготовления цементных растворов высокой плотности, обладающих высокой конечной вязкостью, из-за недостатка вводимой в реакционный объем энергии для проведения процесса, а также наличие застойных зон, что обуславливает недостаточную степень перемешивания компонентов при приготовлении гомогенного цементного раствора нормальной плотности.
Наиболее близким устройством к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является выбранное в качестве прототипа устройство, содержащее реакционную зону, пульсационную камеру и сопловой аппарат, соединенный с пульсационной камерой и расположенный асимметрично относительно реакционной зоны [Пульсационная техника. Под общей ред. С.М.Карпачевой. М.: Энергоатомиздат, 1983, стр.43-49].
При подаче пневматического импульса в пульсационную камеру жидкость выдавливают из нее через сопловой аппарат в виде струи, вовлекая в движение прилегающие слои жидкости в реакционной зоне и передавая энергию пневматического импульса в объем реакционной массы. При сбросе давления воздуха из пульсационной камеры в нее через сопловой аппарат затекает свежая порция жидкости из реакционной зоны. Генерирование импульсов определенной частоты позволяет создать интенсивную циркуляцию жидкости по объему в виде макровихря.
Недостатком этого устройства является невозможность приготовления цементных растворов высокой плотности, обладающих высокой конечной вязкостью, из-за недостатка вводимой в реакционный объем энергии для проведения процесса, а также наличие застойных зон, что обуславливает недостаточную степень перемешивания компонентов при приготовлении гомогенного цементного раствора нормальной плотности.
Задачей, на решение которой направлен предлагаемый способ, является разработка способа приготовления гомогенных цементных растворов высокой плотности при одновременном снижении энергопотребления процесса перемешивания.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является разработка устройства приготовления гомогенных цементных растворов высокой плотности при одновременном снижении энергопотребления процесса перемешивания.
Для решения поставленной задачи способ приготовления цементного раствора характеризуется тем, что смешивают цементный порошок и жидкость затворения в устройстве с днищем, выполненным в виде полуцилиндрической обечайки, ось которой расположена в горизонтальной плоскости, причем смешивание осуществляют пульсирующими струями самого раствора, направленными тангенциально днищу.
Для решения поставленной задачи устройство для приготовления цементного раствора содержит корпус, выполненный в виде днища и боковых стенок, пульсационные камеры с соплам, а также узел загрузки реагентов и выгрузки цементного раствора, причем днище корпуса выполнено в виде полуцилиндрической обечайки, ось которой расположена в горизонтальной плоскости, верхняя часть корпуса снабжена отбойником в виде цилиндрической поверхности, ось которой расположена в горизонтальной плоскости, а сопла выполнены в виде щелей, сформированных у днища.
В частном варианте нижнее сопло сформировано между днищем и цилиндрической поверхностью обечайки.
В другом частном варианте устройство снабжено двумя соплами, причем второе выполнено в виде щели, сформированной между цилиндрической поверхностью обечайки нижнего сопла и цилиндрической поверхностью обечайки второго сопла.
В другом частном варианте сопла сообщены с корпусом в разных местах днища.
В другом частном варианте пульсационные камеры смонтированы непосредственно на корпусе.
В другом частном варианте корпус размещен с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси.
Технический результат достигается тем, что введение цементного порошка в раствор проводят в условиях его интенсивной турбулизации по всему реакционному объему корпуса за счет придания реагентам вращательного движения вдоль горизонтальной оси реакционного объема корпуса. Ввод энергии на перемешивание осуществляют пульсирующими струями раствора, направленными тангенциально к оси вращательного движения реакционной массы, в двух и более точках цилиндрической образующей, ограничивающей реакционный объем в его нижней части.
На чертеже приведен продольный разрез устройства для приготовления цементного раствора.
Устройство для приготовления цементного раствора состоит из плоского корпуса, в котором протекает процесс приготовления цементного раствора, выполненного в виде днища 1 и боковых стенок 2, пульсационных камер 3 и 4, генерирующих возвратно-поступательное движение, сопел 5 и 6, преобразующих возвратно-поступательное движение в пульсационных камерах в пульсирующие струи раствора в реакционной зоне 7, узла загрузки реагентов и выгрузки готового цементного раствора 8. Пульсационные камеры сверху закрыты крышкой, в которую вварены пульсопроводы 9 и 10, обеспечивающие подвод пульсационного воздуха к пульсационным камерам. На внутренней стенке реакционной зоны в верхней ее части закреплен отбойник 11, предотвращающий образование застойной зоны в верхней части реакционной зоны. Реакционная зона 7 образована днищем 1, боковыми стенками 2, отбойником 11 и цилиндрическими поверхностями 12 и 13 обечаек сопел, направленных тангенциально днищу корпуса.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
После предварительного заполнения устройства, выполненного в виде днища 1 и боковых стенок 2, через узел загрузки реагентов 8 известным объемом жидкости затворения начинают процесс ее перемешивания в реакционной зоне 7 с одновременным дозированием в жидкость через узел загрузки небольших порций цементного порошка.
Перемешивание реагентов в устройстве происходит за счет периодической подачи сжатого воздуха через пульсопроводы 9 и 10 попеременно в пульсационные камеры 3 и 4 и последующего сброса воздуха из них в сбросной коллектор. При подаче воздуха в пульсационные камеры раствор из них с большой скоростью выдавливается в реакционную зону 7 через щели сопел 5 и 6, нижнее из которых выполнено в виде щели, сформированной между днищем и цилиндрической поверхностью 12 обечайки, направленной тангенциально к днищу корпуса, а второе выполнено в виде щели, сформированной между цилиндрической поверхностью 12 обечайки нижнего сопла и цилиндрической поверхностью 13 обечайки второго сопла, направленной также тангенциально к днищу корпуса.
Реагенты в реакционной зоне приводятся во вращательное движение. Отбойник 11 предотвращает образование застойной зоны в верхней части реакционной зоны. При сбросе воздуха реагенты из реакционной зоны медленно заполняют пульсационные камеры через сопла. По мере дозирования цементного порошка реакционная зона устройства заполняется цементным раствором с возрастающей плотностью и вязкостью. В этих условиях для поддержания необходимой для нормального течения процесса интенсивности перемешивания увеличивают ввод энергии на перемешивание соответствующим увеличением длительности импульса подачи сжатого воздуха в пульсационные камеры. По окончании дозирования расчетного количества цементного порошка в реакционную зону устройства приготовленный раствор некоторое время перемешивают для улучшения его гомогенности, после чего сливают в транспортную тару через узел выгрузки готового цементного раствора 8, наклоняя устройство вокруг горизонтальной оси 14 на угол, необходимый для его полного опорожнения. После возврата в исходное состояние устройство вновь готово к повторению цикла приготовления следующей порции цементного раствора.
Использование предлагаемого изобретения позволяет получать цементные растворы высокой плотности и гомогенности при отсутствии застойных зон в реакционном объеме и снижении энергопотребления.