浅谈人工骨料系统设计应注意的几个问题

2015-04-05李光海周北北

四川水利 2015年3期

关键词：立轴石粉砂石

李光海，周北北

(中国水利水电第五工程局,成都，610066)

浅谈人工骨料系统设计应注意的几个问题

李光海，周北北

(中国水利水电第五工程局,成都，610066)

分析人工骨料加工系统设计目前在料源认识、工艺流程设计、设备选型、工艺布置、砂石料的运输及环保等方面存在的问题，指出相应正确的做法，并以具体工程实例加以说明。

人工骨料加工系统设计问题

上世纪90年代以来，我国的水电资源得到了前所未有的空前大开发，作为水电工程混凝土生产的重要粮仓——砂石骨料也已经从传统的筛分天然骨料转变为主要依靠开山采石生产的人工骨料。水工混凝土对人工骨料生产质量要求较高。而我们在系统设计过程中由于对某些环节认识不到位，造成很多系统在建成投产后达不到设计要求的产量或质量。本文通过对几个典型系统所存在问题的分析，总结了人工骨料加工系统设计时应注意的几个问题。

1 对料源要有充分的认识

我国水电工程遇到的混凝土骨料料源岩性是十分复杂的，从最初的天然骨料，到上世纪70、80年代用得较多的石灰岩、花岗岩，到后来的石英砂岩、流纹岩、凝灰岩、片麻岩、正长岩、玄武岩、辉绿岩等，最近几个工程又用了砂板岩、大理岩、白云岩等。即使是同一种岩性，其物理性质、化学成分、矿物组成及晶体结构也有很大变化。现在对料源的碱骨料活性反应已普遍比较重视,而对不同工程料源加工特性的差别却关注不够，下面从几个工程实例来加以说明。

1.1 龙滩工程大法坪灰岩料场，湿抗压强度平均值仅40MPa左右，原方案粗碎采用颚式破碎机，中碎采用反击式破碎机，系统投产后发现产品中大石的中径含量严重不够，后将部分反击破更换为圆锥破，问题才得到解决。其原因在于，除其他工序使岩石过粉碎外，主要是岩性过软、强度过低所造成。

1.2 小湾工程孔雀沟料场，岩性为黑云花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩，湿抗压强度91.0MPa～153.2mpa，左砂系统采用立轴破碎机与棒磨机联合制砂。投产后发现，立轴破碎机的砂产品中石粉含量高达28%～30%，在系统已建成的条件下，被迫增加螺旋洗砂机去除大量多余石粉，造成较大经济损失。

1.3 百色工程辉绿岩料源，抗压强度180MPa,岩石密度达3.04t/m3,砂石系统采用B9000型立轴破碎机制砂，结果砂的含粉率达到24%～26%,且石粉的颗粒极细,最小达到2mm～3mm。这种细粉有一定活性,致使大坝碾压混凝土夏季施工时产生早凝现象，后采用特种外加剂才解决混凝土初凝时间过短问题。

1.4 浙江西溪水库碾压混凝土坝熔结凝灰岩料源，抗压强度140MPa以上，石英含量34.6%,长石含量59%,折算当量石英含量为83%。由于当量石英含量极高,造成砂石系统各种设备超常磨损。例如PL8500型立式冲击破分料板，使用时间仅为8.57h/车付，而且产砂率低，产品粒形差，影响碾压混凝土质量。

砂石系统加工的对象是岩石，如果对岩石的性状没有从本质上认识清楚，必然导致设计方案的盲目性。因此对岩性的定量分析应在工程的勘测设计前期进行，才能通过岩样的小型试验取得定量指标(如可磨性指数、可碎性指数等)，选择好合适的生产设备和工艺措施。

2 工艺流程设计要科学可靠

2.1 工艺流程设计原则

2.1.1 保证成品砂石骨料的质量符合招标文件和《水工混凝土施工规范》中砂石骨料的质量要求，并满足工程的要求。

2.1.2 工艺流程总体设计应合理、可靠、可调。要求对物料特性有较为深入的了解和认识，以便选择质量保证率高、经济合理、运行可靠、调整余地较大的生产工艺。

2.1.3 粗、中、细三段破碎+制砂机，是我国沿用了几十年的砂石生产工艺模式，至今与时代发展相适应的新的砂石系统设计理念已经形成，并因其具有良好的技术性、经济性而得到推广应用。这种新的设计理念概括起来就是：①砂石加工“多碎少磨，以破代磨，破磨结合”；②注重环保，营造“绿色粮仓”；③分部采用计算机集中控制、摄像监控，少人值班，系统高度自动化。通过多段破碎，减少骨料磨碎，以破碎代替棒磨，破碎制砂和棒磨制砂结合，不但可提高成品料质量，极大地减少单位产品的耗钢量，降低加工成本，而且可简化生产工艺，减少制砂耗水量及相应的废水排放，有利于环保。

2.2 制砂工艺设计

制砂工艺是砂石生产的核心工艺,前几年国内大多数工程制砂主要采用三种形式：棒磨机制砂、立轴破制砂、立轴破和棒磨机联合制砂。

此三种制砂方式都存在不同的缺点，根据立轴破碎机破碎岩石的机理，对于不同的岩性，不同的给料量，不同的给料粒径和级配，不同的转子线速度，甚至进料的含水率变化，都将对产砂量和砂的粒度组成、细度模数、石粉含量等质量指标产生影响。因此，研究试验应用两种不同转子速度的立轴破联合制砂的思路就成了必然的选择。

经大量的试验分析,采用常速与高速立轴破碎机联合制砂,可提高成品砂产量与质量,可以实现”以破代磨”工艺,使完全抛弃棒磨机制砂成为现实。

2.2.1 常速立轴破碎机的破碎腔体可以为“石打铁”型,亦可以为“石打石”型,两者没有质的变化，只有量上的变化。“石打铁”型产砂量比“石打石”型高,但其砂的粒形稍差,石粉含量较多,铁砧磨损多。

2.2.2 高速立轴破碎机的破碎腔体最好为“石打铁”型,给料量要低些,原因是基于5mm～2.5mm石料粒径较小、质量较轻，要使其破碎必须获得较多的碰撞能量。

2.2.3 采用两种速度的立轴破碎机制砂，适当增加高速立轴破碎机的进料粒径，可进一步提高成品砂的石粉含量及降低成品砂的细度模数。

2.2.4 生产检验成果实例

沙沱电站砂石系统规模为1500t/h,采用两种速度的立轴破碎机联合制砂,成品砂质量稳定,经2008年4、5、6月生产检测，砂的细度模数均值为2.67,石粉含量均值为18.62%,指标良好、稳定。

锦屏工程采用大理岩制砂，三滩前期系统生产的成品砂级配严重不合格，含粉率高达40%～50%，用水洗工艺去粉，造成有用颗粒大量流失，经专家咨询，建议改用干法去粉，后施工单位找到选粉机生产厂家，并进行了生产性试验，取得比较理想的成果，初步结论是：(1)经选粉机选粉后，成品砂中石粉含量随选粉机主轴转速和风机的风量变化而变化,说明通过调整选粉机的技术参数来控制成品砂中的石粉含量是可行的；(2)从试验可知,在保证供料稳定和选粉机在同一技术参数的情况下,成品砂中石粉含量在一个稳定的范围内是有可能的；(3)进料含水率在2.2%时，选粉机仍可以正常工作；(4)通过调整选粉机主轴转速和风机风量，可控制成品砂中石粉含量在6%～18%范围内的任一值；(5)经过选粉机剔除粉后，成品砂中的细度模数和中间颗粒级配比例相应有所提高。

黄桷堡人工骨料加工系统原有工艺设备配置完成，设备改进难以进行。工艺改造时首先考虑减少人工砂的流失，即在一级筛分时生产一部分半成品砂;其次是将中石进入立式冲击破碎机整形，同时也可增加人工砂的产量;再就是将合理调配二级筛分系统出砂筛网网眼尺寸，以降低棒磨机的生产压力。工艺改造和试运行，系统运行安全可靠，砂的生产能力有了明显提高。通过工艺改进，使人工轧制玄武岩生产骨料级配和品质都有较大程度提高，有效改进了单纯依靠棒磨机制砂进行细度模数调整的工艺，降低了成本消耗，降低了水电能耗和资源消耗，取得了很好的效果。

3 设备选型必须满足强度要求

3.1 选型原则

砂石加工系统主要设备选型是系统成功实现其功能的关键，也是降低砂石料单价的主要途径。设备的选型应充分考虑设备的可靠性、匹配性、经济性，选用设备的类型、规格、数量需满足流程的需要和产品质量、数量的需要。若有多种满足要求的设备可供选择，宜通过技术经济比较后确定；上、下道工序所选用的设备，负荷应均衡；同一作业设备的类型和规格应尽量统一；大型砂石加工厂应选用与生产规模相适应的大型设备；主要设备一般可考虑适当的负荷系数，不应考虑整机备用。选用破碎设备应考虑设备对原料岩性的适应性，并满足给料粒径和数量的要求，制砂设备的类型应与制砂原料的物理性质、所需的处理能力、砂的细度模数、设备的配置要求等相适应。

3.2 关键设备的选型

3.2.1 粗碎设备的选择

粗碎设备主要是处理料场汽车运输来料，需要有较大的处理能力，并能处理较大块度的岩石。适合作粗碎的设备较多，有颚式破碎机、反击式破碎机等。颚式破碎机用于规模较小、骨料质量要求不甚严格、石料坚硬、圆度较好不易破碎的石料(例如河卵石、灰绿岩等)是比较合适的，对加工规模较大、砂石料质量要求较高的生产系统，因破碎比小，后续工艺较复杂，需要采用多段破碎流程，才能获得合格的成品砂石料。旋回破碎机具有运行平稳、进料粒径和处理能力大、适应性强、破碎料粒径较好的优点，但其设备基础工程量庞大，一次性投资高。反击破碎机的优点是结构较简单，基础工程量较少，而破碎机的破碎比大、产品粒形好，特别适合灰岩等比较软的岩石，适合生产三级配混凝土骨料。

3.2.2 中碎设备的选择

中碎的功能主要是处理半成品中的超径石和各级成品料的多余料，不仅要求有处理大径石的能力，同时要求对系统生产不同级配的骨料时进行调整。中碎设备可以选择圆锥破碎机，圆锥破碎机中又可选择HP型、S型及GP型，S型及GP型都为单缸液压破碎机。总体上，S型及GP型其性能、产品粒形等不如HP型优越。

3.2.3 制砂工艺与设备选择

岩石在破碎机中破碎一般有挤压、劈碎、折断和冲击破碎等4种形式，大部分破碎机的破碎原理为几种形式的共同作用。岩石在破碎机内破碎，主要克服作用于岩石晶体内部的、晶体各质点之间的内聚力，以及作用于晶体与晶体之间及晶体表面的内聚力。岩石破碎的难易程度与晶体本身的性质、结构及晶体结构中的错位和微裂纹有很大关系。混凝土骨料与冶金行业破碎概念的最大不同就是要再造“石”，其目的不是破坏岩石晶体本身结构，而是选择物料的缺陷处破碎，尽量减少过粉碎，以获得形状优异的颗粒。人工制砂同样如此，通常人工砂的生产，可分为棒磨机制砂和破碎机制砂两大类。棒磨机制砂具有工艺稳定、成熟的特点；破碎机制砂有立式冲击破碎制砂和旋盘层压破碎等类形式，但目前应用较多的是立式冲击破碎机。

立式冲击破碎机具有比棒磨机体积小、基础简单、效率较高的优点，但立式冲击破碎机制砂是不完全制砂，需要闭路循环，流程中循环量较大。成品砂的细度模数较大、颗粒较粗，且颗粒级配不甚理想，尤其是在生产石灰岩砂时，容易产生粗砂，石粉较多，中间级别颗粒偏少的缺点。为此需要辅以容易调节、质量稳定的棒磨机来作为调节。这样可以互相补充，即采用立式冲击破碎机与棒磨机相结合的联合制砂工艺，这是比较合适的。实际上，成品砂是由立式冲击破碎砂、棒磨机和部分筛下料(3mm部分)以及石粉四大部分掺和而成的，使砂产品的颗粒组成更合理。

4 工艺布置要合理

4.1 厂址选择的基本原则

厂址选择需考虑的因素很多，要在砂石混凝土系统总体规划时与料场、运输方案综合比较选定。

4.1.1 多料场供料的天然砂石加工厂厂址，一般在主料场附近设厂，也可在距混凝土工厂较近的地段设厂，要对方案进行技术经济比较后选择。

4.1.2 采石场离坝址较近，砂石加工厂宜设在距采石场1km～2km的范围内，以利提高汽车运输效率。也可设在混凝土工厂附近，以便与混凝土拌和系统共用净料堆场，以减少土建工程量，方便管理。如采石场距坝址较远，可将粗碎车间布置在采石场附近，加工厂的位置则根据当地条件通过方案比较确定。

4.1.3 应充分利用自然地形，尽量利用高差组织料流，降低设施的土建和运转费用。

4.1.4 厂址应尽量选择靠近交通干线，水、电供应方便，有便利的排水条件的地段。

4.1.5 厂址应有良好的工程地质和水文地质条件，主要车间和设施的基础应坚实，一般要求地基承载力为(1.5～2.0)×105Pa。

4.1.6 厂址应避免被洪水淹没，主要设施应高出20年一遇洪水位。山区建厂，应考虑对山洪和滑坡等危害的防护。

4.1.7 砂石厂的噪声和粉尘较严重，厂址与生活区应有足够的距离，并尽可能利用自然条件(风向，天然声障、尘障)。

4.2 总平面布置的基本原则

总平面布置，主要是确定各生产车间、辅助车间设施、交通运输线路及管线工程等的平面与竖向位置。

4.2.1 应充分利用地形地势，缩短流程线路，简化运输过程，并尽可能做到利用重力自流下料。

4.2.2 铁路线和建筑物的延伸方向应尽可能与地形等高线平行，铁路和公路的布置应保证物料装卸运输通畅方便。

4.2.3 要把安装有重型设备的建筑物(如破碎机、棒磨机、筛分机)，布置在地质条件较好的地段。

4.2.4 成品堆场应尽可能在地势平坦的地段布置，可利用山谷地势，以减少场地的工作量。

4.2.5 为方便管理，提高设备效率与运行可靠性，可由几个车间组成一个独立的运转系统，各系统之间设置调节料堆(仓)。

4.2.6 辅助车间应尽量布置在靠近服务对象的地方，供电装置应靠近负荷中心。

4.2.7 强噪声源应尽量集中布置，以便简化防护措施。

5 砂石料运输方案要经济合理

混凝土砂石骨料和开挖渣料的运输量占水利水电工程施工总运量的90%以上，选择一个经济合理的运输方案，对工程造价和环保有着举足轻重的意义。过去大宗物料运输一般都采用公路汽车方案，但西部水电工程恶劣的地形、地质条件，往往使得公路汽车运输方案不但造价高昂，还会造成大量环保问题。龙滩、向家坝两大水电工程相继采用长胶带机运输砂石骨料，为考虑大运量方案打开了新的思路。

6 环境保护

砂石加工系统在生产过程中都会产生较多的废水、废渣、粉尘，需进行有效的处理才能满足环保要求。废水处理工艺目前有多种形式，在湿法生产中以刮砂机作预处理，压滤机作最终处理，采用污水处理与石粉回收相结合的工艺现已取得较好效果。在半干法生产中，采用预沉池、螺旋分级机、链板刮砂机、竖流沉淀池、斜管沉淀池等相结合的方法也取得可喜的成果，其回收利用率达到85%以上，排放水的悬浮物浓度低于200mg/L；配合圆盘式真空过滤机进行固液分离处理后，可实现零排放。