Устройство ультразвукового помола Российский патент 2020 года по МПК B02C19/18 

Изобретение относится к устройствам сверхтонкого измельчения в жидких средах низко-высокодисперсных материалов и может найти применение в различных технологических процессах в химической промышленности, при производстве строительных материалов, в частности, при изготовлении материалов взлетно-посадочных полос, в состав которых входят песчаный бетон (цемент, песок и вода) и высокопрочная арматурная сталь.

Дисперсность, как технологический показатель имеет важное значение в производстве и применении различных порошкообразных и мелкозернистых продуктов, таких, как пигменты, наполнители для пластмасс, строительные материалы и др. (ru.wikipedia.org. Дата обращ. 10.07.2019 г.). Песчаный бетон, как правило, обладает высокими физико-механическими характеристиками по сравнению с бетоном на крупном заполнителе. Наименьшая пористость и легкоукладываемость бетона достигается при использовании песка с гранулометрическим составом от 0,25 мм до 3 мм (Львович К. Песчаный бетон: родина - Россия. - М.: НИИЖБ. Стройинформ, 2001). Таким образом, величина зерен заполнителя (песка) значительно меняет свойства и структуру железобетона. Такого размера песка можно добиться с помощью обычных шаровых мельниц, недостаток которых состоит в том, что эти устройства обеспечивают, как показали эксперименты на Челябинском цинковом заводе, обработанный материал 50 на 50. То есть, 50% получается кондиционного сырья и 50% - некондиция (это то, что не удовлетворяет норме, стандарту, которым должны соответствовать продукция или обработанный материал), которая вновь возвращается в шаровую мельницу. Проведенные эксперименты с обработкой материала с применением ультразвукового устройства, который преобразует электрическую энергию в ультразвуковую вибрацию концентратора, показали, что в результате такой обработки получается 100% кондиционного сырья.

Предлагаемое изобретение может применяться, в частности, для измельчения материалов заполнителей бетона в жидкой среде при соотношении (Ж:Т)=(2:1), то есть 2 условных единицы жидкости (Ж) и 1 условная единица твердого (Т).

Известно устройство ультразвукового помола (см., например, патент RU 2050052, опубл. 10.12.1995), которое является прототипом, содержащее неподвижную цилиндрическую вертикальную емкость с входным и выходным патрубком с расположенным внутри ультразвуковым диспергатором с механическим измельчителем, к которому подсоединен выход ультразвукового генератора и нижней частью устройства, выполненого в виде вращающейся от электропривода конусообразной емкостью.

Технический результат заявляемого изобретения направлен на улучшение качества процесса измельчения.

Технический результат достигается тем, что устройство ультразвукового помола (далее УУП), содержит электропривод, соединенный с поворотной платформой, выключатель электрической энергии, ультразвуковой генератор, ультразвуковой магнитострикционный преобразователь (далее магнитостриктор) с согласующим элементом - пассивным концентратором с плавными экспоненциальными переходами и механическим измельчителем, выполненным в виде конуса с рифленой рабочей поверхностью, который расположен внутри неподвижной цилиндрической емкости, в верхней части которой установлен узел загрузки необработанного материала, а в нижней части - узел выгрузки обработанного материала, подвижную конусообразную емкость. На пассивном концентраторе ультразвуковых колебаний, выполненным из ферротитана, установлен электромагнит, который состоит из обмотки и сердечника с ферромагнитными свойствами, который приобретает свойства магнита при прохождении электрического тока по обмотке, блока управления. На выходе штуцера подвижной конусообразной емкости установлен датчик температуры, соединенный со сравнивающем устройством, выход которого соединен с блоком управления электромагнита для изменения величины зазора между измельчителем и подвижной конусообразной емкостью на поворотной платформе.

Повышение технологичности процесса измельчения заполнителя (песка) и обеспечение необходимого его гранулометрического состава от 0,25, 1 и 3 миллиметров обеспечивается тем, что внутри неподвижной вертикальной емкости цилиндрической формы установлен магнитостриктор. В преобразователе (активном элементе) колебательной системы происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты и создается знакопеременная механическая сила. Рабочий инструмент - механический измельчитель создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте или непосредственно воздействует на него. Магнитостриктор, набранный из пластин никеля, способен обеспечить большие мощности излучения ультразвуковых (УЗ) колебаний высокой интенсивности. Сердечник магнитостриктора имеет отверстия для провода электрической энергии преобразует электрическую энергию ультразвукового генератора (УЗГ) в ультразвуковую вибрацию пассивного концентратора, соединенного с механическим измельчителем, выполненным в виде конуса с рифленой рабочей поверхностью. Для охлаждения магнитостриктора его корпус снабжен подводящим и отводящим устройствами, подающими воду для его охлаждения с датчиком давления для фиксации наличия или отсутствия охлаждающей жидкости.

Сущность изобретения поясняется графическим материалом, где на фиг. представлен схематический вид устройства, а позициями обозначены следующие элементы, узлы: 1 -электропривод, 2 - поворотная платформа, 3 - выключатель, 4 - ультразвуковой генератор, 5 - ультразвуковой магнитострикционный преобразователь, 6 - пассивный концентратор, 7 - механический измельчитель, 8 - неподвижная цилиндрическая емкость, 9 - узел загрузки, 10 - узел выгрузки, 11 - подвижная конусообразная емкость, 12 - обмотка электромагнита, 13 - блок управления электромагнитом, 14 - штуцер, 15 - сравнивающее устройство, 16 - подводящее и 17 - отводящее воду устройства, 18 - датчик давления.

Сущность изобретения заключается в том, что измельчитель 7 образует зазор с торцом конусообразной емкости 11 и создает ультразвуковые упругие колебания и волны, частота которых равна 22 кГц. К основным законам распространения этих волн относятся законы волноводного распространения в ограниченных участках среды, в частности в зазоре между измельчителем и торцом подвижной конусообразной емкости. УУП обеспечивает необходимое качество прошедшего через него зерна (песка) с помощью ультразвуковых волн, а также механических воздействий через управление с помощью блоков 15 и 14 зазором между измельчителем 7 и подвижной конусообразной емкостью 11 на поворотной платформе 2, приводимой во вращение электроприводом 1. Блоки 15 и 14 являются составной частью электромагнита 12, с помощью применения которого достигается улучшение качества процесса измельчения, получаемого после ультразвуковой обработки материала в жидкости и обеспечивается указанный в изобретении технический результат. Известно (см., например, Лузгин В.И., Шестовских А.Е., Петров, Коптяков А.С. Ультразвуковые резонансные излучатели для технологий получения нанодисперсньгх эмульсий и суспензий http://elar.urfu.ru/bitstream/10995/36339/1/aptee-2014-14.pdf. Дата обращ. 31.05.2018 г.), что при разрушении твердых тел под действием кавитации (кавитационная эрозия) происходит нагревание обрабатываемой жидкости. Это обусловлено возникновением микровзрывов в процессе кавитации и повышением в локальной зоне при схлопывании пузырьков в жидкости температуры до 1000°С и давления от 500 до 800 атмосфер. При этом рабочая температура обработанного материала должна быть около 60°С.

Современные датчики температуры имеют высокую точность работы. Температура (сигнал Uвх) на выходе штуцера 14 должна быть около 60 С° (кавитация есть). Привод 1 позволяет: 1) устранить зоны застоя обрабатываемого материала; 2) уменьшить влияние того, чтобы частицы обработанного и необработанного материала не мешали обработки; 3) рифленая поверхность определяется экспериментально, чтобы увеличить в рабочем зазоре эффективную обработку материала. Скорость вращения привода создает кинетическую энергию и выбирается экспериментально в процессе контакта частичек обрабатываемого материала. На выходе штуцера стоит набор сит.

В целом примеси ферротитана практически не ухудшают физические, механические, технологические свойства технического титана по сравнению с химически чистым металлом. У ферротитана имеется еще множество уникальных качеств. Например, стойкость к кавитации, магнитные свойства, низкая теплопроводность и способность обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. Сам цикл работы электромагнита представляет собой следующую последовательность действий. Сначала в обмотку подается ток заданной величины, при которой магнитные силы станут больше, чем силы, удерживающие сердечник 6 - пассивный концентратор 6, в покое. Далее сердечник выйдет из состояния покоя и произойдет его движение в заданную точку полезного промежутка. Далее сердечник 6 электромагнита подтянут в заданную сторону по команде от блока 13 (вверх или вниз до упора измельчителя 7 и конусообразной емкости 11). Если технологический процесс измельчения находится в заданных условиях (60 С° - кавитация есть) ток в обмотке 12 стабилен, в противном случае ток уменьшается до заданного значения, магнитные силы становятся меньше и сердечник переходит в следующее заданное состояние для обеспечения необходимого качества измельчения песка с помощью ультразвуковой кавитации. Таким образом, для управления зазором между измельчителем 7 и вращающейся конусообразной емкостью 11 в настоящем изобретении используется электромеханический исполнительный механизм (ЭМ), который по закону Майкла-Фарадея (cм. Bigslide.ru) при подаче разнополярного напряжения питания на катушку электромагнита 12 увеличивает или уменьшает зазор между механическим измельчителем 7 и вращающейся емкостью 11 в зависимости от измеренной температуры обрабатываемого материала на выходе 14. Для этого на УУП установлено сравнивающее устройство 15 -аналоговый компаратор. Аналоговый компаратор 15 предназначен для регистрации входного сигнала Uвх непрерывно изменяющихся сигналов от датчика температуры на выходе штуцера 14 и сравнения его с опорным сигналом Uоп. На выходе компаратора 15 формируется выходной сигнал Uвых - дискретный или логический сигнал, содержащий 1 бит информации: (1,0 или -1). Таким образом, компаратор - это элемент перехода от аналоговых к цифровым сигналам. Эта электронная схема принимает на свои входы два аналоговых сигнала от встроенного на штуцере 14 датчика температуры и Uоп блока 15. После обработки этих сигналов, сравнивающее устройство 15 формирует управляющий сигнал Uвых блоку 13, который обеспечивает подачу разнополярного напряжения питания на катушку электромагнита 12 на концентраторе 6, увеличивая или уменьшая зазор между механическим измельчителем и конусообразной емкостью 11. Блок 13 подключен к выключателю электрической энергии 3.

УУП работает следующим образом. В исходном (статическом) состоянии привод вращения конусообразной емкости подвижной части устройства отключен, на УЗГ ультразвукового преобразователя напряжение питания отсутствует. Исходный материал для УУП (песок) проходит предварительную обработку до заданного размера с добавлением жидкости (Ж:Т)=(2:1) (жидкость 2 условные единицы, твердое одна условная единица). Затем этот материал попадает через узел 9 под действием силы тяжести в зону обработки - проточный зазор между торцом механического измельчителя 7 и торцом подвижной вертикальной платформы 11. Подключается выключателем 3 электрическая энергия к УЗГ 4, приводу 1 и блоку 13. После подключения УЗГ магнитостриктор 5 преобразует с помощью концентратора 6 электрическую энергию в ультразвуковую вибрацию измельчителя 7. Ультразвуковая обработка материала происходит за счет кавитационного воздействия и механического взаимодействия частиц между собой при включенном приводе 1. Затем через выходной узел 10 с ситами выгружается готовый продукт.

Заявляемое устройство обеспечивает качественный процесс измельчения и однородности получаемого после ультразвуковой обработки материала.

Изобретение относится к устройствам для измельчения материала. Предложено устройство ультразвукового помола, содержащее электропривод, соединенный с поворотной платформой и выключателем электрической энергии, ультразвуковой генератор, ультразвуковой магнитострикционный преобразователь с согласующим элементом - пассивным концентратором, выполненным с плавными экспоненциальными переходами и механическим измельчителем, выполненным в виде конуса с рифленой рабочей поверхностью, который установлен внутри неподвижной цилиндрической емкости, в верхней части которой установлен узел загрузки необработанного материала, а в нижней части - узел выгрузки обработанного материала, подвижную конусообразную емкость. На пассивном концентраторе ультразвуковых колебаний, выполненном из ферротитана, установлен электромагнит, который состоит из обмотки и сердечника с ферромагнитными свойствами и соединен с блоком управления. Выход штуцера подвижной конусообразной емкости содержит датчик температуры, с которым соединен аналоговый компаратор, выход которого соединен с блоком управления электромагнита. Изобретение обеспечивает повышение качества процесса измельчения. 1 ил.

Устройство ультразвукового помола, содержащее электропривод, соединенный с поворотной платформой и выключателем электрической энергии, ультразвуковой генератор, ультразвуковой магнитострикционный преобразователь с согласующим элементом - пассивным концентратором, выполненным с плавными экспоненциальными переходами и механическим измельчителем, выполненным в виде конуса с рифленой рабочей поверхностью, который установлен внутри неподвижной цилиндрической емкости, в верхней части которой установлен узел загрузки необработанного материала, а в нижней части - узел выгрузки обработанного материала, подвижную конусообразную емкость, отличающееся тем, что на пассивном концентраторе ультразвуковых колебаний, выполненном из ферротитана, установлен электромагнит, который состоит из обмотки и сердечника с ферромагнитными свойствами и соединен с блоком управления, при этом выход штуцера подвижной конусообразной емкости содержит датчик температуры, с которым соединено сравнивающее устройство - аналоговый компаратор, выход которого соединен с блоком управления электромагнита.