李光海，周北北

(中國水利水電第五工程局,成都，610066)

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淺談人工骨料系統(tǒng)設計應注意的幾個問題

李光海，周北北

(中國水利水電第五工程局,成都，610066)

分析人工骨料加工系統(tǒng)設計目前在料源認識、工藝流程設計、設備選型、工藝布置、砂石料的運輸及環(huán)保等方面存在的問題，指出相應正確的做法，并以具體工程實例加以說明。

人工骨料加工 系統(tǒng)設計 問題

上世紀90年代以來，我國的水電資源得到了前所未有的空前大開發(fā)，作為水電工程混凝土生產(chǎn)的重要糧倉——砂石骨料也已經(jīng)從傳統(tǒng)的篩分天然骨料轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕揽块_山采石生產(chǎn)的人工骨料。水工混凝土對人工骨料生產(chǎn)質(zhì)量要求較高。而我們在系統(tǒng)設計過程中由于對某些環(huán)節(jié)認識不到位，造成很多系統(tǒng)在建成投產(chǎn)后達不到設計要求的產(chǎn)量或質(zhì)量。本文通過對幾個典型系統(tǒng)所存在問題的分析，總結(jié)了人工骨料加工系統(tǒng)設計時應注意的幾個問題。

1 對料源要有充分的認識

我國水電工程遇到的混凝土骨料料源巖性是十分復雜的，從最初的天然骨料，到上世紀70、80年代用得較多的石灰?guī)r、花崗巖，到后來的石英砂巖、流紋巖、凝灰?guī)r、片麻巖、正長巖、玄武巖、輝綠巖等，最近幾個工程又用了砂板巖、大理巖、白云巖等。即使是同一種巖性，其物理性質(zhì)、化學成分、礦物組成及晶體結(jié)構(gòu)也有很大變化?，F(xiàn)在對料源的堿骨料活性反應已普遍比較重視,而對不同工程料源加工特性的差別卻關注不夠，下面從幾個工程實例來加以說明。

1.1 龍灘工程大法坪灰?guī)r料場，濕抗壓強度平均值僅40MPa左右，原方案粗碎采用顎式破碎機，中碎采用反擊式破碎機，系統(tǒng)投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中大石的中徑含量嚴重不夠，后將部分反擊破更換為圓錐破，問題才得到解決。其原因在于，除其他工序使巖石過粉碎外，主要是巖性過軟、強度過低所造成。

1.2 小灣工程孔雀溝料場，巖性為黑云花崗片麻巖、角閃斜長片麻巖，濕抗壓強度91.0MPa～153.2mpa，左砂系統(tǒng)采用立軸破碎機與棒磨機聯(lián)合制砂。投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，立軸破碎機的砂產(chǎn)品中石粉含量高達28%～30%，在系統(tǒng)已建成的條件下，被迫增加螺旋洗砂機去除大量多余石粉，造成較大經(jīng)濟損失。

1.3 百色工程輝綠巖料源，抗壓強度180MPa,巖石密度達3.04t/m3,砂石系統(tǒng)采用B9000型立軸破碎機制砂，結(jié)果砂的含粉率達到24%～26%,且石粉的顆粒極細,最小達到2mm～3mm。這種細粉有一定活性,致使大壩碾壓混凝土夏季施工時產(chǎn)生早凝現(xiàn)象，后采用特種外加劑才解決混凝土初凝時間過短問題。

1.4 浙江西溪水庫碾壓混凝土壩熔結(jié)凝灰?guī)r料源，抗壓強度140MPa以上，石英含量34.6%,長石含量59%,折算當量石英含量為83%。由于當量石英含量極高,造成砂石系統(tǒng)各種設備超常磨損。例如PL8500型立式?jīng)_擊破分料板，使用時間僅為8.57h/車付，而且產(chǎn)砂率低，產(chǎn)品粒形差，影響碾壓混凝土質(zhì)量。

砂石系統(tǒng)加工的對象是巖石，如果對巖石的性狀沒有從本質(zhì)上認識清楚，必然導致設計方案的盲目性。因此對巖性的定量分析應在工程的勘測設計前期進行，才能通過巖樣的小型試驗取得定量指標(如可磨性指數(shù)、可碎性指數(shù)等)，選擇好合適的生產(chǎn)設備和工藝措施。

2 工藝流程設計要科學可靠

2.1 工藝流程設計原則

2.1.1 保證成品砂石骨料的質(zhì)量符合招標文件和《水工混凝土施工規(guī)范》中砂石骨料的質(zhì)量要求，并滿足工程的要求。

2.1.2 工藝流程總體設計應合理、可靠、可調(diào)。要求對物料特性有較為深入的了解和認識，以便選擇質(zhì)量保證率高、經(jīng)濟合理、運行可靠、調(diào)整余地較大的生產(chǎn)工藝。

2.1.3 粗、中、細三段破碎+制砂機，是我國沿用了幾十年的砂石生產(chǎn)工藝模式，至今與時代發(fā)展相適應的新的砂石系統(tǒng)設計理念已經(jīng)形成，并因其具有良好的技術性、經(jīng)濟性而得到推廣應用。這種新的設計理念概括起來就是：①砂石加工“多碎少磨，以破代磨，破磨結(jié)合”；②注重環(huán)保，營造“綠色糧倉”；③分部采用計算機集中控制、攝像監(jiān)控，少人值班，系統(tǒng)高度自動化。通過多段破碎，減少骨料磨碎，以破碎代替棒磨，破碎制砂和棒磨制砂結(jié)合，不但可提高成品料質(zhì)量，極大地減少單位產(chǎn)品的耗鋼量，降低加工成本，而且可簡化生產(chǎn)工藝，減少制砂耗水量及相應的廢水排放，有利于環(huán)保。

2.2 制砂工藝設計

制砂工藝是砂石生產(chǎn)的核心工藝,前幾年國內(nèi)大多數(shù)工程制砂主要采用三種形式：棒磨機制砂、立軸破制砂、立軸破和棒磨機聯(lián)合制砂。

此三種制砂方式都存在不同的缺點，根據(jù)立軸破碎機破碎巖石的機理，對于不同的巖性，不同的給料量，不同的給料粒徑和級配，不同的轉(zhuǎn)子線速度，甚至進料的含水率變化，都將對產(chǎn)砂量和砂的粒度組成、細度模數(shù)、石粉含量等質(zhì)量指標產(chǎn)生影響。因此，研究試驗應用兩種不同轉(zhuǎn)子速度的立軸破聯(lián)合制砂的思路就成了必然的選擇。

經(jīng)大量的試驗分析,采用常速與高速立軸破碎機聯(lián)合制砂,可提高成品砂產(chǎn)量與質(zhì)量,可以實現(xiàn)”以破代磨”工藝,使完全拋棄棒磨機制砂成為現(xiàn)實。

2.2.1 常速立軸破碎機的破碎腔體可以為“石打鐵”型,亦可以為“石打石”型,兩者沒有質(zhì)的變化，只有量上的變化?！笆蜩F”型產(chǎn)砂量比“石打石”型高,但其砂的粒形稍差,石粉含量較多,鐵砧磨損多。

2.2.2 高速立軸破碎機的破碎腔體最好為“石打鐵”型,給料量要低些,原因是基于5mm～2.5mm石料粒徑較小、質(zhì)量較輕，要使其破碎必須獲得較多的碰撞能量。

2.2.3 采用兩種速度的立軸破碎機制砂，適當增加高速立軸破碎機的進料粒徑，可進一步提高成品砂的石粉含量及降低成品砂的細度模數(shù)。

2.2.4 生產(chǎn)檢驗成果實例

沙沱電站砂石系統(tǒng)規(guī)模為1500t/h,采用兩種速度的立軸破碎機聯(lián)合制砂,成品砂質(zhì)量穩(wěn)定,經(jīng)2008年4、5、6月生產(chǎn)檢測，砂的細度模數(shù)均值為2.67,石粉含量均值為18.62%,指標良好、穩(wěn)定。

錦屏工程采用大理巖制砂，三灘前期系統(tǒng)生產(chǎn)的成品砂級配嚴重不合格，含粉率高達40%～50%，用水洗工藝去粉，造成有用顆粒大量流失，經(jīng)專家咨詢，建議改用干法去粉，后施工單位找到選粉機生產(chǎn)廠家，并進行了生產(chǎn)性試驗，取得比較理想的成果，初步結(jié)論是：(1)經(jīng)選粉機選粉后，成品砂中石粉含量隨選粉機主軸轉(zhuǎn)速和風機的風量變化而變化,說明通過調(diào)整選粉機的技術參數(shù)來控制成品砂中的石粉含量是可行的；(2)從試驗可知,在保證供料穩(wěn)定和選粉機在同一技術參數(shù)的情況下,成品砂中石粉含量在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)是有可能的；(3)進料含水率在2.2%時，選粉機仍可以正常工作；(4)通過調(diào)整選粉機主軸轉(zhuǎn)速和風機風量，可控制成品砂中石粉含量在6%～18%范圍內(nèi)的任一值；(5)經(jīng)過選粉機剔除粉后，成品砂中的細度模數(shù)和中間顆粒級配比例相應有所提高。

黃桷堡人工骨料加工系統(tǒng)原有工藝設備配置完成，設備改進難以進行。工藝改造時首先考慮減少人工砂的流失，即在一級篩分時生產(chǎn)一部分半成品砂;其次是將中石進入立式?jīng)_擊破碎機整形，同時也可增加人工砂的產(chǎn)量;再就是將合理調(diào)配二級篩分系統(tǒng)出砂篩網(wǎng)網(wǎng)眼尺寸，以降低棒磨機的生產(chǎn)壓力。工藝改造和試運行，系統(tǒng)運行安全可靠，砂的生產(chǎn)能力有了明顯提高。通過工藝改進，使人工軋制玄武巖生產(chǎn)骨料級配和品質(zhì)都有較大程度提高，有效改進了單純依靠棒磨機制砂進行細度模數(shù)調(diào)整的工藝，降低了成本消耗，降低了水電能耗和資源消耗，取得了很好的效果。

3 設備選型必須滿足強度要求

3.1 選型原則

砂石加工系統(tǒng)主要設備選型是系統(tǒng)成功實現(xiàn)其功能的關鍵，也是降低砂石料單價的主要途徑。設備的選型應充分考慮設備的可靠性、匹配性、經(jīng)濟性，選用設備的類型、規(guī)格、數(shù)量需滿足流程的需要和產(chǎn)品質(zhì)量、數(shù)量的需要。若有多種滿足要求的設備可供選擇，宜通過技術經(jīng)濟比較后確定；上、下道工序所選用的設備，負荷應均衡；同一作業(yè)設備的類型和規(guī)格應盡量統(tǒng)一；大型砂石加工廠應選用與生產(chǎn)規(guī)模相適應的大型設備；主要設備一般可考慮適當?shù)呢摵上禂?shù)，不應考慮整機備用。選用破碎設備應考慮設備對原料巖性的適應性，并滿足給料粒徑和數(shù)量的要求，制砂設備的類型應與制砂原料的物理性質(zhì)、所需的處理能力、砂的細度模數(shù)、設備的配置要求等相適應。

3.2 關鍵設備的選型

3.2.1 粗碎設備的選擇

粗碎設備主要是處理料場汽車運輸來料，需要有較大的處理能力，并能處理較大塊度的巖石。適合作粗碎的設備較多，有顎式破碎機、反擊式破碎機等。顎式破碎機用于規(guī)模較小、骨料質(zhì)量要求不甚嚴格、石料堅硬、圓度較好不易破碎的石料(例如河卵石、灰綠巖等)是比較合適的，對加工規(guī)模較大、砂石料質(zhì)量要求較高的生產(chǎn)系統(tǒng)，因破碎比小，后續(xù)工藝較復雜，需要采用多段破碎流程，才能獲得合格的成品砂石料。旋回破碎機具有運行平穩(wěn)、進料粒徑和處理能力大、適應性強、破碎料粒徑較好的優(yōu)點，但其設備基礎工程量龐大，一次性投資高。反擊破碎機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)較簡單，基礎工程量較少，而破碎機的破碎比大、產(chǎn)品粒形好，特別適合灰?guī)r等比較軟的巖石，適合生產(chǎn)三級配混凝土骨料。

3.2.2 中碎設備的選擇

中碎的功能主要是處理半成品中的超徑石和各級成品料的多余料，不僅要求有處理大徑石的能力，同時要求對系統(tǒng)生產(chǎn)不同級配的骨料時進行調(diào)整。中碎設備可以選擇圓錐破碎機，圓錐破碎機中又可選擇HP型、S型及GP型，S型及GP型都為單缸液壓破碎機。總體上，S型及GP型其性能、產(chǎn)品粒形等不如HP型優(yōu)越。

3.2.3 制砂工藝與設備選擇

巖石在破碎機中破碎一般有擠壓、劈碎、折斷和沖擊破碎等4種形式，大部分破碎機的破碎原理為幾種形式的共同作用。巖石在破碎機內(nèi)破碎，主要克服作用于巖石晶體內(nèi)部的、晶體各質(zhì)點之間的內(nèi)聚力，以及作用于晶體與晶體之間及晶體表面的內(nèi)聚力。巖石破碎的難易程度與晶體本身的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)中的錯位和微裂紋有很大關系?；炷凉橇吓c冶金行業(yè)破碎概念的最大不同就是要再造“石”，其目的不是破壞巖石晶體本身結(jié)構(gòu)，而是選擇物料的缺陷處破碎，盡量減少過粉碎，以獲得形狀優(yōu)異的顆粒。人工制砂同樣如此，通常人工砂的生產(chǎn)，可分為棒磨機制砂和破碎機制砂兩大類。棒磨機制砂具有工藝穩(wěn)定、成熟的特點；破碎機制砂有立式?jīng)_擊破碎制砂和旋盤層壓破碎等類形式，但目前應用較多的是立式?jīng)_擊破碎機。

立式?jīng)_擊破碎機具有比棒磨機體積小、基礎簡單、效率較高的優(yōu)點，但立式?jīng)_擊破碎機制砂是不完全制砂，需要閉路循環(huán)，流程中循環(huán)量較大。成品砂的細度模數(shù)較大、顆粒較粗，且顆粒級配不甚理想，尤其是在生產(chǎn)石灰?guī)r砂時，容易產(chǎn)生粗砂，石粉較多，中間級別顆粒偏少的缺點。為此需要輔以容易調(diào)節(jié)、質(zhì)量穩(wěn)定的棒磨機來作為調(diào)節(jié)。這樣可以互相補充，即采用立式?jīng)_擊破碎機與棒磨機相結(jié)合的聯(lián)合制砂工藝，這是比較合適的。實際上，成品砂是由立式?jīng)_擊破碎砂、棒磨機和部分篩下料(3mm部分)以及石粉四大部分摻和而成的，使砂產(chǎn)品的顆粒組成更合理。

4 工藝布置要合理

4.1 廠址選擇的基本原則

廠址選擇需考慮的因素很多，要在砂石混凝土系統(tǒng)總體規(guī)劃時與料場、運輸方案綜合比較選定。

4.1.1 多料場供料的天然砂石加工廠廠址，一般在主料場附近設廠，也可在距混凝土工廠較近的地段設廠，要對方案進行技術經(jīng)濟比較后選擇。

4.1.2 采石場離壩址較近，砂石加工廠宜設在距采石場1km～2km的范圍內(nèi)，以利提高汽車運輸效率。也可設在混凝土工廠附近，以便與混凝土拌和系統(tǒng)共用凈料堆場，以減少土建工程量，方便管理。如采石場距壩址較遠，可將粗碎車間布置在采石場附近，加工廠的位置則根據(jù)當?shù)貤l件通過方案比較確定。

4.1.3 應充分利用自然地形，盡量利用高差組織料流，降低設施的土建和運轉(zhuǎn)費用。

4.1.4 廠址應盡量選擇靠近交通干線，水、電供應方便，有便利的排水條件的地段。

4.1.5 廠址應有良好的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，主要車間和設施的基礎應堅實，一般要求地基承載力為(1.5～2.0)×105Pa。

4.1.6 廠址應避免被洪水淹沒，主要設施應高出20年一遇洪水位。山區(qū)建廠，應考慮對山洪和滑坡等危害的防護。

4.1.7 砂石廠的噪聲和粉塵較嚴重，廠址與生活區(qū)應有足夠的距離，并盡可能利用自然條件(風向，天然聲障、塵障)。

4.2 總平面布置的基本原則

總平面布置，主要是確定各生產(chǎn)車間、輔助車間設施、交通運輸線路及管線工程等的平面與豎向位置。

4.2.1 應充分利用地形地勢，縮短流程線路，簡化運輸過程，并盡可能做到利用重力自流下料。

4.2.2 鐵路線和建筑物的延伸方向應盡可能與地形等高線平行，鐵路和公路的布置應保證物料裝卸運輸通暢方便。

4.2.3 要把安裝有重型設備的建筑物(如破碎機、棒磨機、篩分機)，布置在地質(zhì)條件較好的地段。

4.2.4 成品堆場應盡可能在地勢平坦的地段布置，可利用山谷地勢，以減少場地的工作量。

4.2.5 為方便管理，提高設備效率與運行可靠性，可由幾個車間組成一個獨立的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間設置調(diào)節(jié)料堆(倉)。

4.2.6 輔助車間應盡量布置在靠近服務對象的地方，供電裝置應靠近負荷中心。

4.2.7 強噪聲源應盡量集中布置，以便簡化防護措施。

5 砂石料運輸方案要經(jīng)濟合理

混凝土砂石骨料和開挖渣料的運輸量占水利水電工程施工總運量的90%以上，選擇一個經(jīng)濟合理的運輸方案，對工程造價和環(huán)保有著舉足輕重的意義。過去大宗物料運輸一般都采用公路汽車方案，但西部水電工程惡劣的地形、地質(zhì)條件，往往使得公路汽車運輸方案不但造價高昂，還會造成大量環(huán)保問題。龍灘、向家壩兩大水電工程相繼采用長膠帶機運輸砂石骨料，為考慮大運量方案打開了新的思路。

6 環(huán)境保護

砂石加工系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中都會產(chǎn)生較多的廢水、廢渣、粉塵，需進行有效的處理才能滿足環(huán)保要求。廢水處理工藝目前有多種形式，在濕法生產(chǎn)中以刮砂機作預處理，壓濾機作最終處理，采用污水處理與石粉回收相結(jié)合的工藝現(xiàn)已取得較好效果。在半干法生產(chǎn)中，采用預沉池、螺旋分級機、鏈板刮砂機、豎流沉淀池、斜管沉淀池等相結(jié)合的方法也取得可喜的成果，其回收利用率達到85%以上，排放水的懸浮物濃度低于200mg/L；配合圓盤式真空過濾機進行固液分離處理后，可實現(xiàn)零排放。

7 結(jié)語

通過對一些工程實例的分析可見，在人工骨料系統(tǒng)設計時，只要前期對預選料場的巖性進行了詳細試驗分析，選擇科學合理的加工流程和平面規(guī)劃，合理選擇匹配的加工設備，選用經(jīng)濟合理的運輸方式和滿足環(huán)保要求的廢水、粉塵處理措施，就能設計出滿足強度、質(zhì)量、環(huán)保要求運行可靠的骨料加工系統(tǒng)。

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TU528.041.1：TU528.06

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2095-1809(2015)03-0053-04

李光海(1964-)，男，四川西充人，學士，主任工程師，高級工程師，長期從事水電施工技術管理工作。