水电工程人工砂石骨料制砂设备优选方案及制砂技术的研究与应用

陈共和

中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004

【摘要】人工砂石（碾压混凝土）施工工序流程简易、混凝土浇筑施工进度快、胶凝材料耗量少、便于大体积混凝土水化热控制且工程建设成本费用低等优点，在水利水电工程修建过程中，有着广泛运用。本文结合自己参建项目水电工程人工砂石骨料系统的建设施工技术，分析研究如何在建设过程中对制砂工艺、生产设备、生产参数进行正确选择，确保人工砂石骨料的生产符合各项技术指标。

【关键词】人工砂石骨料生产系统对生产设备的技术要求；破碎设备选型；破碎设备安装；制砂技术及工艺流程。

引言：在人工砂石骨料生产系统设计过程中，破碎设备的选型是系统 工艺流程设计成功的关键因素，选择合理、安全、经济、可靠的破碎设备是系统的前提条件。制砂技术是人工砂石骨料系统的核心技术。

一、人工砂石骨料生产系统对生产设备的要求

人工砂石骨料生产系统对生产设备的选择必须遵守以下原则：

(1)选用的设备应考虑设备对原料岩性(岩石的强度、可破性、磨蚀性等)的适应性，并满足给料粒径的要求。设备的类型、规格、数量应满足产品的质量与产能要求， 若有多种满足要求的设备可供选择，需通过技术经济比较分析后确定。

(2)设备选型计算，一般可考虑适当的负载系数。同一作业的设备尽量选用同一规格、型号及同一厂家，以便维修。

(3)大型人工砂 石系统应选择与生产规模相适应的大型设备，同一作业的设备数量不宜少于2台。

(4)尽量选用便于操作，工作可靠、投资少、能耗低以 及能降低运行管理费用的设备。

(5)制砂工艺宜选用产量稳定、产品质量可靠，适应性强的生产工艺。

二、破碎设备选型

1、原料岩性的分类

岩石依据其成因可分成岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

1）岩浆岩(火成岩)是由地壳下面的岩浆沿地壳薄弱地带上升侵入地壳或喷出地表后冷凝而成的。花岗斑岩、正长斑岩、辉绿岩、流纹岩、安山岩、玄武岩属于岩浆岩。

2）沉积岩(水成岩)是由成层堆积于陆地或海洋中的碎屑、胶体 和有机物等疏松沉积物团结而成的岩石。砾岩、砂岩、页岩、石灰岩属于沉积岩。

3）变质岩是由地壳中的原岩(包括岩浆岩、沉积岩和已经生成的变质岩),因地壳运动、岩浆活动等所造成的物理和化学条件的变化，在高温、高压和化学性活泼的物质(水气、各种挥发性气体和热水溶 液)渗入的作用下，在固体状态下改变了原来岩石的结构、构造甚至矿物成分，形成一种新的岩石。大理岩、板岩、片岩、片麻岩、石英岩属于变质岩。

变质岩、沉积岩、岩浆岩关系见下图1:

图1:岩石衍变关系图

一般情况下，岩浆岩属于难破碎、中等可破碎岩石，沉积岩属于可破碎、易破碎岩石，变质岩属于中等可破碎、易破碎岩石。需要指出的是，即便是同一种岩石其指标的差异也可能非常大，要准确的了解岩石的性质，需要进行取样试验。

2、破碎设备的特点分析

破碎设备可分为颚式破碎机、旋回式破碎机、圆锥式破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机、立轴式破碎机、棒磨机。

1）颚式破碎机具有结构简单，工作可靠，外形尺寸小，自重较轻， 配置高度低，进料口尺寸大，排矿口开度易调整，价格便宜的优点， 破碎后的产品针片状含量较高、衬板易磨损、处理能力较低， 一般都需要辅助给料设备是其缺点。

2）旋回式破碎机具有生产处理能力大，工作平稳，破碎单位质量 的物料耗电量少，产品粒径均匀，无需配置给料设备的优点，外形尺 寸大，自重大，结构复杂，维修复杂，土建工程量大，允许进料尺寸小，制造、维修费用高是其缺点。

3）圆锥式破碎机具有工作可靠，磨损轻，扬尘少，效率高，功耗低，产品粒径均匀等优点，但进料粒径小，结构复杂，价格昂贵。

4）反击式破碎机具有破碎比大、产品细，粒型好，产量高，能耗 低，结构简单等优点，但板锤和衬板容易磨损，更换工作量大，扬尘严重。

5）锤式破碎机具有破碎比大，产品细，粒型好，产量高的优点，

6）锤头已破损，更换维修量大，适用范围窄的缺点。

7）立轴式破碎机按照破碎腔形式可分为“石打石”涡流破碎腔和“石打铁”铁砧破碎腔。立轴式破碎机具有产品粒形优异，成品砂粒形更优，对岩石的适应性好的特点，“石打铁”产砂率高于“石打石”。

8）棒磨机具有结构简单，操作方便，设备可靠，产品粒型好、分布均匀、级配规律、质量稳定的优点，常用于施法生产，进料粒度小，产量低，电耗高，用水量大，钢耗高，建筑安装费用高是其缺点。

3、破碎机适用性

1）颚式破碎机能够破碎各种硬度的岩石，广泛用于各类砂石加工系统的粗碎设备，小型颚式破碎机也可作为中碎设备。

2）旋回式破碎机适用于各种硬度的岩石， 一般作为大型砂石加工系统的粗碎设备，小型旋回式破碎机可作为中碎设备。

3）圆锥式破碎机适用于破碎各种硬度的岩石，是各类砂石系统中最常用的中、细碎设备。

4）反击式破碎机适用于破碎中硬岩石，用作中碎和制砂设备。

5）立轴式破碎机、棒磨机适用于各种软硬石料制砂。制砂设备一般都采用棒磨机与立轴式破碎机联合生产，调整成品砂的细度模数、级配和石粉含量。

上述破碎机破碎后产品针片状含量比较如下：对于难碎岩石较中等岩石多；颚式破碎机最多，旋回破碎机次之，冲击破、锤式破、反击破粒型较好；粗碎较中碎多，中碎较细碎多；粒径小，含量多。

4、破碎工艺流程

破碎工艺流程按设置方式可分为开路、分段闭路、闭路三种形式。

1）开路流程顾名思义就是没有循环负荷量，车间布置较为简单，但级配调整灵活性较差，骨料生产级配受制于破碎设备的破碎曲线。 由于没有循环负荷量，因此可引起最大一级骨料的超径问题，同时可能出现因混凝土配合比粗骨料的比例不同，出现有部分弃料。开路流程见下图2:

 

图2:开路流程示意图

上图中破碎车间与筛分车间组成开路生产流程。

2）分段闭路流程具有骨料级配调节灵活、循环负荷量相对较小、检修较为方便等优点。分段闭路流程见下图3:

图3:部分闭路流程示意图

上图中1#筛分车间与2#破碎车间形成闭路生产流程，但针对整个流程属分段闭路流程。

3）闭路流程可根据需要调整骨料级配，车间布置相对集中，但循环量大，负荷量也大，设备须配备一定的富裕度，检修不够方便。特大型、大型人工骨料生产系统宜采用分段闭路生产粗骨料，中小型人工骨料生产系统可采用全闭路或全开路生产粗骨料。

图4:闭路流程示意图

上图中1#筛分车间与2#破碎车间形成闭路生产流程，3#筛分车间与3#破碎车间形成闭路生产流程，对于整个生产流程该流程属于闭路流程。

当采用立轴冲击式破碎机或圆锥式破碎机制砂时，应与检查筛分构成闭路生产。天然砂石级配与需用砂石级配差异较小，直接利用率大于90%时，可采用全开路生产；当原料与需用砂石级配差异较大时，可结合原料储量经过经济比较后选择分段闭路工艺流程或全开路流程。

综上所述：根据岩石的检测数据(岩石的强度、可破性、磨蚀性)和破碎设备的特点，可选择出合适的破碎设备。

三、破碎设备安装

破碎设备的安装是一个复杂的过程。对于分部件到位的设备一般具有部件重，装备工序复杂，设备制造精度高，要求安装精度高的 特点，因此要求安装人员熟悉设备部件，并拥有丰富的安装经验以及 与其他安装人员共同配合使设备就位的协调能力。对于整机到位的设备，安装精度不高，可一次安装就位，对安装人员的技能相对较低。

1、安装前准备

检查、设备安装计划、安装工具配置、转运及吊装设备选型是 破碎设备安装前的准备工作。设备安装的检查包括对设备的检查、对基础的检查、对安装场地的检查。设备安装计划宜在上述检查完成后，按照设备技术要求，进行进度计划安排、安装措施、人员配置。安装 工具的配置应开箱检查后，了解随机(箱)工具到场情况，采购和自制特需的辅助工具。

2、安装程序

1）颚式破碎机的安装程序如下：

安装前准备工作--主机架-- 动颚--张紧杆--摆杆座及摆杆--定颚及动颚颚板--斜板和楔块--飞轮-- 电动机--润滑系统--其它装置--整机调试。

2）旋回式破碎机的安装程序如下：安装前准备工作--破碎机底 座--中架体--偏心套--传动部--液压缸--动锥--横梁--顶帽--润滑、冷却系统--其它附属设施--整机调试。

3）圆锥式破碎机的安装程序如下：安装前准备工作--主机架总 成--传动轴总成--偏心套总成--球面瓦总成--动锥总成一定锥--定锥衬板及给料斗--给料配置--整机调试。

4）反击式破碎机的安装程序如下：安装前准备工作--主机架—驱动装置--电动机--液压系统--其它装置--整机调试。

5）立轴式破碎机的安装程序如下：安装前准备工作--机架--机体主要部件--轴承箱--传动皮带--振动开关--连锁开关--其它装置--整机调试。

6）棒磨机的安装程序如下：安装前准备工作--基础螺栓--主 轴承--回转部分--大齿轮--传动部分-- 电动机--其它部分--整机调试。

3、安装时间及人员配置

设备安装的时间计划宜按照设备类型、出厂整机与零部件进行合理安排。对于分部件到位的设备，工程技术人员必须根据设备情况，编排详细的设备安装作业指导书，对安装人员进行安全技术交底。

4、吊装设备配置

吊装设备配置与安装设备有关，通常对处理能力大于800t/h 的单台破碎设备一般配置有45t、25t、16t吊车，其数量与安装进度有关。

5、安全安装

1）安装作业碰头会破碎设备的安装离不开吊装作业，因此配备专业的起重工和起重司机是安装作业的前提条件。

开始安装作业前要由安装作业负责人召集相关人员进行碰头将 安装作业概要、程序指示、通报给大家。包括安装的种类、重量、形状、数量、安装运行路线在内的作业范围、该作业范围内临时放置物 的状况、该作业范围内的其他作业状况、绑挂吊件人员、信号员、作业辅助人员的位置等。

2）起吊作业程序

①要向绑挂吊件人员说明吊件用具的种类、数量和作业方法。

由2人以上进行作业时要指定主要负责人。

②要交代清楚所使用吊车的操作注意事项(荷重和作业半径)。

要让移动式吊车司机确认吊车的安装设置位置、方向及防倒翻装置。

③要交代清楚使用信号并让相关作业人员对信号进行确认。

④在起吊运行路线内如有其他作业，要从正在进行其他作业的 作业人员中指定下达进行躲避命令的人员并向其交待清楚躲避的时间和场所。

⑤认为不安全的时候要中止作业并由全体作业人员对其进行确 认。另外要事先和吊车司机交代清楚出现危险状况时向其下达中止作业命令的方法。

3）起吊作业负责人应执行的事项

①确认吊件是不是作业计划中的吊件、起吊用具是否恰当，必要的时候要更换起吊用具。

②确认吊车的安装设置状况，必要性的时候要采取清除障碍物等措施。

③确认起吊方法是否恰当。

④认为不安全的时候要马上中止作业。

4）吊具(钢丝绳)

钢丝绳不能有损伤。不能有断丝较集中的部位(钢丝绳如果在各股拧一圈的长度内断丝达到10%以上时应作切断报废处理)。能有 明显变细的部位(禁止使用直径减少超过公称直径7%的钢丝绳)。不能有扭结部位。不能有明显的变形或腐蚀。锁眼插接部位不能有损伤。两端部位。钢丝绳的两端是否有吊构、 U 形卡环、吊环或锁眼(循链除外)。锁眼是否按规定进行了插接。吊钩、卡扣、环儿与钢丝绳的装接部位是否正常。吊索的伸展长度不能超过了制造长度的5%。

5）作业注意事项

禁止使用的钢丝绳：断丝集中的钢丝绳(在各股拧一圈的长度 内断丝达10%以上的钢丝强)。插接部位有损伤的钢丝绳。有明显变细部位的钢丝绳。直径减少超过公称直径7%的钢丝绳。伸长长度超过制造长度5%的钢丝绳。扭结的钢丝绳。明显变形或腐蚀的钢丝绳。有裂缝、变形的挂钩、卡环等。

6）绑挂吊件作业

绑挂吊件的人必须是被指定的、有资格的人。必须指定信号员；必须按规定的信号进行指挥。吊具要与吊件相配套。必须禁止人员进入吊件下方(设禁止入内的设施、进行警戒或安排引导员)。捆扎钢丝绳的起吊角度要控制在60度以内。不允许使用一根捆扎钢丝绳起吊。起吊散装物品或小物件时要使用铁丝篮。把吊件吊离地面后要稍 作停顿待确认吊件平衡后再起吊。吊钩要保持在吊件的重心线上(禁止横位、斜吊)。吊件与捆扎钢铁丝绳接触时的棱角部位要垫防磨损投施。吊长条物体要使用牵引绳。不能坐在吊件上随其移动、上下的不安全行为。在吊件落地前要稍作停顿待吊件稳定后再放下。

7）作业注意事项

不要起吊超出空车额定总荷重的吊件。禁止横位、斜吊吊件。 在吊着吊件的情况下禁止操作人员离开操作位置。解除安全装置时禁止起吊。机体要水平设置。支脚要打开到最大跨度。驾驶员要在可以完全躲开翻车的位置进行操作。

四、制砂技术及工艺流程

我国的机械制砂技术起步于20世纪60年代，随着机械工业的发展，制砂设备有了长足的进步。

1、制砂设备目前常用的制砂设备为锤式破碎机、旋盘式破碎机、棒磨机、立轴式破碎机等。立轴式破碎机按照料流形式可分为单料流、双料流，单料流可配“石打铁”形式铁砧破碎腔也可配“石打石”形式涡流破碎腔，双料流一般情况下可配“石打石”形式破碎腔。

2、制砂设备生产的特点

1）锤式破碎机适用于小型干法生产系统，设备成本低，见效快，但产量低、磨损件消耗大，粉尘污染严重，所砂的细度模数、石粉含量难以控制。

2）旋盘式破碎机适用于干法生产，具有进料粒径小(≤20mm)、原料含水率控制要求严格的特点。当原料含水率≥3%时，产砂率急剧下降，砂的细度模数偏大。

3）棒磨机的特点上文已叙述，此处不再重复。对于特别易碎的原料，棒磨机制砂会导致石粉含量非常高，造成脱粉困难。

4）立轴式破碎机制砂具有工艺流程简单，单位能耗低，成品砂的  细度模数控制难。如果5~2.5mm 的石料反复循环破碎，破碎效果差， 能耗偏大。采用单一立轴式破碎机制砂易导致成品砂中2.5~1.25mm、 1.25~0.63mm 粒径的石料偏少，这就是我们常说的立轴制砂易导致成品砂级配两端多，中间少现象。

3、制砂技术及工艺

为解决成品砂的产量和质量问题，结合上述制砂设备的特点，制砂工艺可选用以下两种工艺，分别是立轴式破碎机与棒磨机联合制砂、两种(高低)速度立轴式破碎机联合制砂。

立轴式破碎机与棒磨机联合制砂工艺具有以下特点：

(1)该工艺集中了立轴冲击式破碎机、棒磨机制砂的优点，克服了中径含量问题、石粉过多流失问题。

(2)工艺流程复杂、设备品种多。采用该工艺制砂能够根据原料变化灵活调节成品的细度模数和石粉含量，保证成品砂质量，有效控制成本。

两种(高低)速度立轴式破碎机联合制砂工艺具有处理能力大，噪音小、单位能耗低的优点。该工艺可提高成品砂产量与质量，可实现“以破带磨”工艺。虽低速立轴可采用“石打铁”或“石打石”的腔型，但是没有本质的变化，只是产砂量的变化。“石打铁”腔型产砂比“石打石”腔型高，但是粒形差，石粉含量多，铁砧磨耗快。

立轴式破碎机制砂，成品砂的粒型较好，但细度模数一般偏大， 粒度组成不够理想，粗颗粒(2.5mm~5mm) 偏多，需要与检查筛分构成闭路循环。为了确保成品砂的细度模数合格，粒度曲线合理， 一般在检查筛分设置3mm(2.5mm) 筛网(运行时通过试验检测调整 筛网尺寸),剔除部分粗颗粒(3mm~5mm), 该部分粗颗粒不能在返回立轴破循环破碎，一般采用棒磨机或高速立轴式破碎机处理。

当岩石为易破碎岩石时：采用立轴式破碎机或棒磨机都可能产生成品砂石粉含量偏高，细度模数偏低的现象，如何解决该难题，同通过采用螺旋分级机对全部或部分成品砂进行水洗或对立轴破破碎机生产的成品砂石进行风选，选出部分石粉、细颗粒，达到调节细度模数的目的。当岩石为中等可碎岩石时，可用超细腔型圆锥破碎机与立轴冲击式破碎机配合制砂或采用棒磨机与立轴冲击式破碎机联合制砂。

当岩石为难破碎岩石时：采用棒磨机与立轴冲击式破碎机联合制砂，同时需计算棒磨机与立轴冲击式破碎机配比数量，避免出现棒磨机过载现象。

综上所述，选择制砂技术前，须判别岩石的硬度，并借鉴类似工程的使用经验。

作者简介：

陈共和   1974年2月男汉族河南省平顶市大学本科工程师

研究方向：水电工程人工砂石骨料制砂系统