专利名称：用于连续配料的混合揉捏机及用其实施连续配料的方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1前序部分所述的用于连续配料的混合揉捏机，其包括在 壳体内旋转并同时作轴向平移运动的螺旋轴。本发明还涉及利用混合揉捏机实施连续配料 的方法，该方法按照如权利要求12到15所述的来设计。最后，权利要求16请求保护该机 器的优选用途。
背景技术：
目前所使用的一类混合揉捏机尤其适用于散装可流动(bulk-flowable)的(粉 末、粒料、碎片等)、塑料物质和/或糊状物质。混合揉捏机的工作构件通常构造成所谓的螺旋轴，该螺旋轴轴向传送用于处理的 材料。在常规混合揉捏机中，工作构件仅仅产生旋转运动。另外，在已知的混合揉捏机 中，工作构件还在旋转的同时作平移运动。工作构件的运动曲线特别地表征为主轴执行重 叠了旋转的正弦运动。该运动曲线使得壳体可固定诸如揉捏器销和揉捏器齿的装配件。为 此，螺旋轴的弯曲叶片被中断，以形成分离的揉捏器或螺旋叶片。布置在主轴上的螺旋叶片 和由壳体固定的装配件相互作用，从而形成各种处理区域内所期望的剪切/混合以及揉捏 功能。本领域技术人员通过商标为BussKo Kneaders 认识了最后提到的这类混合揉捏机。瑞士专利CH 528294中描述了这样一种Buss Ko Kneaders 揉捏器，其包括壳 体，在壳体中固定了空心轴以同时将其旋转和往复运动组合起来。该轴被设计有四个螺旋 叶片或多组这样的四螺旋叶片，每个螺旋叶片都与内设于壳体中的揉捏器齿协作。壳体的 内直径在第一示例性实施例中是200mm，在第二示例性实施例中是400mm，在第三示例性实 施例中是600mm，这样就使得轴的外直径在第一示例性实施例中略小于200mm，在第二示例 性实施例中略小于400mm，在第三示例性实施例中略小于600mm。对于所有的壳体直径，机 器的有效长度被给定为1390mm，对应于处理空间长度PI与螺旋轴外直径Da之比的范围从 约2. 3到约7。对于所有的尺寸，壳体直径与轴芯直径之间的差为70mm。因而，螺旋轴外直 径Da与螺旋轴内直径Di之比的范围从约1. 13到约1.54。螺旋轴的轴向运动数正比于壳 体直径，同时轴的rpm(每分钟转数)被选择为反比于壳体直径。对于400mm的壳体直径， 螺旋轴每转一圈执行两次轴向运动，而对于600mm的壳体直径，螺旋轴每转一圈执行三次 轴向运动。该机器的几何核芯参数(分别为a、b和d、e)被选择成使得不论其尺寸如何，其 螺旋槽深s总是相同的s= (b-a)/2= (e-d)/2。这导致每种尺寸的表面积与体积的比值 是相同的。其意义在于将尺寸放大或缩小总是需要通过可用表面积来实现。这就是为什么 该机器仅适合于由表面作用(例如热交换)专门限定的方法和工艺的原因。除此之外，使 用这种设计的机器，仅可在单位时间内处理相对小量的材料，这是因为按比例放大或缩小 最多可在螺旋外直径的平方比上进行。在这一现有技术的基础上，将来的方法和机器需要确保该方法以及与其关联的按 比例放大/缩小尽可能靠近所涉及的体积作用来操作。这要求对几何比例进行选择，使得
4(在上述情况下)至少比例b/a和e/d (但优选地应是该系列内的所有其他值)或多或少导 致相同的值，从而使得有可能在螺旋外直径的立方比上按比例放大或缩小。对于某些应用领域，例如在对用于铝工业的电极(阳极)生产中的阳极物质进行 配料时，需要可持续地增加机器的输出而不必将机器设计得很大，将机器设计得很大除了 增加成本之外还具有其他缺点，例如，机器应力(静态的和动态的)不成比例地增大，螺旋 轴和壳体之间的热膨胀差异以及表面积与体积之比的不利变化。由于在利用电解来获取铝 的过程中工艺中产生的氧会使每个阳极被消耗，所以每一次都需要更换新的阳极。通常，通 过冰晶石粘土(cryolite clay)工艺利用氧化铝的熔盐电解来生产铝，在冰晶石粘土工艺 中，氧化铝在冰晶石熔体中分解，以降低熔点。目前，铝工业对于电极物质的年需求估计为 全世界每年1300万吨左右。在已知的用于对电极物质进行配料的混合揉捏机中，螺旋直径是700mm，这是一个 特别设计的螺旋直径，其决定了电极物质(其基本上由焦炭和浙青配料而成)生产中的材 料吞吐量在最大轴直径的情况下为55000千克/小时。根据混合揉捏机尺寸的不同，已知 机器的螺旋轴运行在从20rpm到60rpm的速度范围内。
发明内容
本发明是基于对权利要求1前序部分所述的混合揉捏机进行完善的目的，其使得 对于给定尺寸，混合揉捏机的吞吐量现在可以持续地增加，该机器特别适用于对阳极物质 进行配料。包括了权利要求1特征部分特征的混合揉捏机实现了该目的。将混合揉捏机的螺旋轴设计成具有圆周向平均分布的四到六组径向螺旋叶片，将 每一组设计成由轴向顺序排列的多个螺旋叶片组成，并且将处理空间长度PI与螺旋轴外 直径Da之比的范围设计成从8到12，这些设计使得现在有可能与具有至多三个螺旋叶片的 常规机器相比可持续地增加分散、混合和均化过程中的量。现在这一点成为可能，而不必将 机器本身制造成更大，从而对于给定机器尺寸实现了可观的吞吐量增长。为此目的进行的 测试显示出与常规机器相比，利用具有螺旋轴外直径Da的范围从约700mm到约800mm并且 处理空间长度PI的范围从约8到约12PI/Da的混合揉捏机时，吞吐量可增大多达50%，从 而使得有可能每小时对高达100吨的阳极物质进行配料。权利要求2到11中阐明了混合揉捏机优选的进一步方面。本发明的另一个目的涉及提出一种通过利用如权利要求1所述的混合揉捏机来 实施连续配料的方法，借助于该方法可提高每单位时间内的材料吞吐量。为了实现该目的，如权利要求12的特征部分所提出的，包括至少四组螺旋叶片 的螺旋轴工作在从30rpm到SOrpm的旋转速度范围内，螺旋轴外直径Da的范围优选地从 400mm到800mm。该方法的优选进一步实施例从权利要求13到15可知。
现在将参见附图详细描述本发明，在附图中图1是示意性示出的混合揉捏机的纵向剖面；图2是透视图，示出了根据本发明的螺旋轴一部分的几何结构；
图3是螺旋轴的端视图；图4是螺旋轴的侧视图；并且图5a是螺旋叶片的侧视图；图5b是螺旋叶片的剖视图；图6是示意视图，示出了揉捏器销关于螺旋叶片的运动；并且图7是参数对比表。
具体实施例方式现在参见图1，示意性示出了混合揉捏机1的纵向剖面。混合揉捏机1包括被壳体 2包围的螺旋轴3形式的工作构件，该螺旋轴3设置有成螺旋形构造的多个螺旋叶片4。螺 旋轴3的螺旋叶片4被圆周向地中断以产生用于布置在壳体2处的揉捏器销5的轴向开孔， 使得螺旋轴3在其实际的旋转运动之外还能够实现例如平移运动的轴向运动。实际处理空 间6形成在壳体2的内侧和螺旋轴3之间，其通常包括顺序的多个处理区域8-11。在当前 示例中，混合揉捏机1具有例如进料区域(infeed zone)8、融合或熔化区域9、混合/分散 区域10以及排料区域11的特征。混合揉捏机1在其进料端设置有加料斗12，同时在其出 料端设置有排出开口 13，被配料的材料可通过该排出开口 13沿箭头14的方向排出。这种 混合揉捏机的基本构造可从例如瑞士专利CH 278575中获知。尽管在所示示例中，揉捏器 销或揉捏器齿5被示作仅在混合/分散区域10内，但揉捏器销或齿5当然也可根据需要设 置在其他区域内。为了在一个或多个端口处将一种或多种流体成分注入处理空间6，揉捏器销或齿 5x设置成具有用于注入流体成分的孔口特征。在关心对电极材料进行配料的场合，流体或 流体化浙青经由这种揉捏器销或齿5x被供应进入其内。现在参见图2，示出了根据本发明的螺旋轴3—部分(模块)的几何结构的透视 图，按顺序的多个模块在混合揉捏机1内被布置成与实际螺旋轴一致。螺旋轴3旨在用于 所谓单螺旋挤压器形式的混合揉捏机1内，其中，螺旋轴3构造成作为能够同时进行旋转和 平移运动的工作构件，如同开始所述的Buss Ko揉捏器 的情况那样。螺旋轴模块3a设置 有总共四组螺旋叶片4a_4d，这共四组螺旋叶片4a_4d布置成绕圆周径向均勻分布。每一 组包括轴向顺序排列的多个螺旋叶片4a_4d，即使在一种情况下仅示出了单一的螺旋叶片 4c，但只要形成了顺序的多个区域，则每一组因此包括轴向顺序排列的多个螺旋叶片。通孔在螺旋叶片4a_4d的轴向和径向之间保持打开，布置在壳体处的揉捏器销或 齿(未示出)可延伸进入该通孔。螺旋轴3的内直径被标识为Di，而螺旋轴3的外直径被 标识为Da。内直径Di由螺旋轴3的外圆柱壳表面7确定，而外直径Da由直径方向上相对 且轴向交错的螺旋叶片4a、4c的最高或最外部分之间的径向间距确定。节距，即轴向顺序 排列的两个螺旋叶片4a_4a之间的平均距离，被标识为T。行程(stroke，即由螺旋轴3轴 向覆盖的距离)被标识为H。现在参见图3，以端视图示出了四个螺旋叶片4a_4d是怎样布置成绕螺旋轴3的圆 周径向均勻分布的。现在参见图4，以侧视图表示了螺旋轴3，示出了每组螺旋叶片是怎样由轴向顺序 排列的多个螺旋叶片4a-4a、4b-4b、4C-4C组成的，应当理解的是，由多个模块组成的完整
6的螺旋轴并非只能在每例中包括正好两个轴向顺序排列的螺旋叶片，而是可包括多个螺旋 叶片。现在参见图5a，示出了螺旋叶片4c的侧视图，而图5b示出了沿图5a的线L剖切 的螺旋叶片4c的剖视图。螺旋叶片4c的四个侧边被标识为a、b、c和d。尽管剖视图中所 示的螺旋叶片4c基本上是平行四边形，但从其整体或壳表面看，其具有复杂形状，至少从 被构造成作为主表面的自由成形表面(free-formed surface)看，其优点将在下面详细介绍。正如与当前示例有关的，螺旋叶片4c在工作时顺时针旋转，使得侧边b和d之间 的表面区域对应于所谓的前进翼(forward flank)F,而侧边a和b之间的表面区域对应于 返回翼(return flank) RF。这就是为什么前进翼F的节距称为节距bd而返回翼RF的节 距称为节距ab的原因。经验显示螺旋轴外直径Da与前进翼节距bd之比的范围从1.4到 4. 0，导致利用涉及受限定流分布的混合动作受限定地向前传送、剪切并且实现待配料的产 品。螺旋轴外直径Da与返回翼节距ab之比的范围从1. 4到4. 0，这个比确保了产品的相对 运动总是在前进方向。正如已经提及的，螺旋叶片4a_4d的侧主表面被设计成自由成形表面。优选地，揉 捏器销(未示出)的主表面也类似地被设计成自由成形表面。自由成形表面是这样一种表 面，其三维几何形状不具有任何的自然起点(natural starting point)。现在，因为螺旋 叶片4a-4d和/或揉捏器销的主表面被构造成至少部分地是自由成形表面，所以总体上展 现出一种新的可能性来影响静态以及动态的螺旋轴几何结构，例如就螺旋叶片和关联的揉 捏器销或齿之间剩余的间隙而言。特别地，现在可实际将该间隙的尺寸和取向改变到任何 程度而同时考虑到螺旋轴的轴向运动重叠上旋转运动。这最终使得有可能对机械能量输入 和/或剪切和扩展流区域的变化进行优化，该剪切和扩展流区域的变化在处理空间内产生 并作用在待处理产品上。现在参见图6，表示了螺旋轴在平移运动中的简化的运动顺序，示出了壳体的内侧 并分别示出了工作空间全长的壳表面，仅指示了螺旋叶片4a、4b、4c、4d。为了简单起见，揉 捏器销5a、5b、5c、5d被示作为圆形构件。从此图可明显看出，每个螺旋叶片4a、4b、4c、4d 的运动均与每个接界的揉捏器销5a、5b、5c、5d有关。为了得到更好地概观，所表示的运动 顺序在运动学上是相反的，即螺旋叶片4a、4b、4c、4d被假定为是静止的而揉捏器销5a、5b、 5c、5d在正弦路径上运动，该正弦路径得自螺旋轴的旋转运动以及重叠的平移运动。节距 T被类似地示出，其对应于两个轴向并列的揉捏器销5分别与螺旋叶片4c、4f之间的间隔。 还示出了螺旋轴的行程H。除了要求螺旋轴包括圆周上均勻分布的至少四组径向螺旋叶片之外，根据本发明 设计的关于螺旋轴3之比如下螺旋轴外直径Da的范围从400mm到800mm ；螺旋轴旋转速度的范围从30rpm到80rpm ；螺旋轴外直径Da与前进翼F的节距bd之比的范围从1. 5到4. 0 ；螺旋轴外直径Da与返回翼RF的节距ab之比的范围从1. 0到4. 0 ；机器的独立元件适于该工作参数，使得两种成分焦炭和浙青在机器处理空间内的 平均滞留时间的范围优选从60秒到150秒；
处理空间长度PI与螺旋轴外直径Da之比的范围从8到12 ；处理空间内设定的温度的范围从180°C到220°C。装备有这种螺旋轴的机器特别适用于生产基本由碳(优选地以焦炭和浙青的形 式)进行配料的阳极物质。正如已经提及的，所加入的浙青是流体化的，需要特别注意确保 其可进入所维持焦炭内的孔隙。由于这主要通过扩散完成，所以处理空间内的温度范围必 须被限定在从180°C到220°C，另一方面，两种成分需要在机器的处理空间内保持在一起， 滞留时间平均从60秒到150秒。不像常规机器那样，吞吐量现在可得到持续的增加。根据本发明设计的具有约 600mm螺旋轴外直径Da的机器每小时能够生产高达60吨的电极物质。优选地，该机器的特征在于下面的比率或比值螺旋轴外直径Da与螺旋轴内直径Di之比Da/Di的范围从1. 5到2. 0 ；螺旋轴外直径Da与行程H之比Da/H的范围从4到6 ；节距T与行程H之比T/H的范围从1. 2到2. 5。现在参见图7，示出了瑞士专利CH 528294所描述机器的参数以及根据本发明设 计的混合揉捏机的参数的对比表。一些参数例如螺旋轴的外直径Dal被选择为足够大，以 便对两种机器进行对比，即使200mm的Dal超越了根据本发明设计的机器所请求保护的范 围。该表列出了典型值，应当理解，所列出的值可在请求保护的范围和/或所描述的范围内变化。
权利要求
一种用于连续配料的混合揉捏机(1)，包括在壳体(2)内旋转并且同时轴向平移地运动的螺旋轴(3)，所述螺旋轴(3)每转一圈执行一次往复运动，其特征在于，所述螺旋轴(3)包括圆周上均匀分布的四到六组径向螺旋叶片(4a、4b、4c、4d)，每一组由轴向顺序排列的多个螺旋叶片组成，处理空间长度PI与螺旋轴外直径Da之比的范围从8到12。
2.如权利要求1所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述螺旋轴外直径Da的范围从 400mm到800mm，并且所述螺旋轴外直径Da与螺旋轴内直径Di之比Da/Di的范围从1. 5至Ij 2. 0。
3.如权利要求1或2所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述混合揉捏机(1)包括沿 传送方向顺序排列的多个区域(8、9、10、11)，所述多个区域(8、9、10、11)形成了处理空间 (6)，所述螺旋轴(3)的旋转速度以及所述螺旋叶片(4a、4b、4c、4d)的节距适合于所述处理 空间(6)的长度，使得产品在所述处理空间(6)内的滞留时间平均为从60秒到150秒。
4.如前述权利要求中任一项所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述螺旋轴(3)的旋 转速度的范围从30rpm到80rpm。
5.如前述权利要求中任一项所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述螺旋轴外直径 Da与前进翼(F)的节距bd之比的范围从1.5到4.0。
6.如前述权利要求中任一项所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述螺旋轴外直径 Da与返回翼(RF)的节距ab之比的范围从1. 0到4. 0。
7.如权利要求2所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述处理空间(6)由至少一个进 料区域(8)、传送区域以及混合/均化区域(10)形成，并且所述混合揉捏机(1)设置有突出 进入到所述处理空间(6)的揉捏器销(5、5x)或揉捏器齿。
8.如权利要求2所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述处理空间(6)由至少一个进 料区域(8)、融合或熔化区域(9)、混合/分散区域(10)以及排料区域(11)形成。
9.如权利要求7或8所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，至少一个揉捏器销(5x)或 揉捏器齿设置成具有用于注入流体成分的孔口为特征。
10.如权利要求6到9中任一项所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，所述螺旋叶片 (4a、4b、4c、4d)和/或所述揉捏器销/齿的主表面被构造成至少部分地是自由成形表面。
11.如前述权利要求中任一项所述的混合揉捏机(1)，其特征在于，螺旋轴外直径Da与 螺旋轴内直径Di之比的范围从1. 5到2. 0，螺旋轴外直径Da与行程H之比的范围从4到 6，并且节距T与行程H之比的范围从1. 2到2. 5。
12.一种利用权利要求1所述的混合揉捏机(1)实施连续配料的方法，其特征在于，所 述螺旋轴(3)工作在从30rpm到SOrpm的旋转速度范围内，以便对塑料物质和/或糊状物质 进行配料，所述混合揉捏机(1)被操作成使得产品在所述处理空间内滞留60秒到150秒。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述混合揉捏机被设计成用于对电极的阳极物 质进行配料，且所述混合揉捏机包括处理空间(6)，所述处理空间(6)以具有至少一个混合 /均化区域为特征，其特征在于所述处理空间(6)内的温度被设定为范围从180°C到220°C。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述处理空间(6)除了所述混合/均化区域(10) 之外还包括进料区域(8)和/或传送区域，其特征在于，所述进料区域(8)和/或所述传送 区域被供应至少一种流体化成分。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，浙青作为所述流体化成分被供应。
16.如权利要求1-11中任一项所述的混合揉捏机(1)的用途，用于对主要由碳(焦炭) 和浙青构成的阳极物质进行配料，这些阳极物质用于通过电解获取铝的过程中的电极(阳 极)生产。
全文摘要
本发明涉及用于连续配料的混合揉捏机及用其实施连续配料的方法。具体地，公开了一种用于连续配料的混合揉捏机(1)，其包括在壳体(2)内旋转并且同时作轴向平移运动的螺旋轴(3)。就每单位时间的材料吞吐量而言，为了可持续地提高该机器的效率，所述螺旋轴(3)包括圆周上均匀分布的至少四组径向螺旋叶片(4a、4b、4c、4d)，每一组由轴向顺序排列的多个螺旋叶片组成。所述螺旋轴的外直径Da的范围从400mm到800mm。所述螺旋轴(3)的旋转速度的范围从30rpm到80rpm。如此设计的混合揉捏机特别适于对用于铝工业的电极(阳极)生产中的阳极物质进行配料。
文档编号B01F7/06GK101884879SQ20101018036
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月10日 优先权日2009年5月11日
发明者H-U·西根萨勒, J·斯坦普菲利, P·弗兰兹 申请人:巴斯股份公司