精品机制砂石骨料生产线的工艺及设备探讨

李小波，廖正彪，樊波

当前砂石骨料行业正处于机遇和挑战共存的发展时期，砂石骨料的企业经营者在追求更大的生产规模和短期内最大的市场效益的同时，也应具有长远的企业规划和高明的战略决策，才能从容应对市场环境和政策法规带来的各种挑战，从而能够长期保有竞争力并持续盈利。

工业化的机制砂石骨料生产线应避免大规模低水平的重复建设。规模适度、产品优良、注重过程控制、自动化程度高、节能环保型的精品机制砂石骨料生产线将成为今后骨料项目建设的发展趋势。

本文以伟尔矿业中国区北方某骨料项目为例，系统阐述干法精品机制砂石骨料生产线的整体解决方案，着重探讨干法精品机制砂石骨料生产线的工艺流程设计及设备配置方案。

1 精品机制砂石骨料生产线的设计前提

1.1 项目条件

（1）矿石原料条件：包括矿石类型，抗压强度，磨蚀性、含水量、含泥量及堆比重等物理化学性能，开采方式，以及供料级配和供料运输方式等。生产精品砂石骨料应选用质地均匀、物理化学性能稳定、具有适当强度和比重，同时热化学性能和弹性模量符合要求的非碱活性矿石作为原料。

（2）工作条件：包括供水、供电、气候条件（影响干法或湿法生产的倾向性），场地地形条件（对生产线的布局，甚至对工艺流程的设计产生影响），环保要求，对移动转场的需求等。

1.2 产品要求

包括产品的分级规格，产出比例，产品品质等，需符合技术标准规范和市场需求。技术规范可参考《建设用卵石、碎石》和《建筑用砂》等国标或地方及行业标准。产品要求可能会随技术标准和市场需求变动，工艺设计时需考虑系统调控的灵活性。

1.3 产能设计

包括设计规模和工作制度，需考虑给料波动。设备产能应留有合理的富余量和生产效率。

1.4 设备特性

（1）包括设备的最大允许进料能力，不同排矿口下的处理能力和对应的排料级配曲线，受含水量和含泥量的影响情况，以及对物料性质（包括抗压强度和磨蚀性等）的适应情况。

（2）设备的电气启停和自动控制情况。（3）设备备件供应情况。

2 工艺流程设计及设备配置方案

2.1 工艺流程设计

工艺流程的设计需以破碎与筛分的计算分析为依据。在项目条件确定的情况下，工艺流程可以有多种设计方式，不同的工艺流程所对应的设备选择会有所不同，相应的项目投资和运营费用也会有所不同。因此工艺流程的设计需经过全面分析、充分讨论并权衡利弊后得到相对较佳的结果。

伟尔矿业在中国北方的某机制砂石骨料项目，矿石原料为白云灰质岩，平均抗压强度94MPa，设计产能400t/h，生产线前端采用颚式破碎机+除泥筛分+预先筛分+圆锥破碎机+立轴破碎机整形+成品筛分的破碎筛分工艺，后端采用楼式制砂工艺，具体工艺流程图见图1、图2。

2.2 设备配置方案

（1）粗碎设备

骨料生产中，反击破碎机、锤式破碎机、颚式破碎机和旋回破碎机是几种比较常见的粗碎设备。

反击式和锤式破碎机仅适用于石灰岩等中软硬度矿石的粗碎，因而其应用范围受到限制。单段锤式破碎机生产工艺流程简单，在破碎较软的石灰石时固然具备一定优势，但在具有较大破碎比的同时也会带来更多的细粉料，这会对后续的机制砂系统带来影响，且这类设备的可操作条件较少，由其组成的单段破碎生产工艺缺少过程控制的环节，可能无法得到所需要的骨料产出比例。

颚式破碎机对物料具有更好的适应能力，因其挤压破碎的方式，相较而言易损件具有更长的使用寿命，且在相同的处理量和进出料粒级相仿的条件下，颚式破碎机的装机功率更低，因此颚式破碎机是十分理想的粗碎设备。颚式破碎机的选型主要取决于两点：第一是其最大允许进料粒度是否满足要求；第二是在确定排料粒度下排料口尺寸的处理能力是否满足系统要求。

图1 400t/h精品机制砂石骨料生产线工艺流程图-破碎筛分系统

图2 400t/h精品机制砂石骨料生产线工艺流程图-楼式制砂系统

旋回破碎机作为粗碎设备，更多地应用于大型金属矿山，该类设备单机处理量大且具备较大的进料能力，对矿石原料的适应性强，可通过自卸卡车直接给料而无需给料设备。但也存在一些不足：其一设备本体造价高昂；其二对安装要求较高，垂直方向和水平方向均需较大空间，基础采用混凝土浇筑，建设成本高；其三对设备的操作维护要求较高。因此对于附加值较低的骨料矿山，除非是要求台时产能超过千吨的偏硬矿石的破碎，否则旋回破碎机并不是经济合理的选择。

（2）粗碎给料设备

粗碎给料设备主要有棒条式给料机和重型板式给料机两种。

重型板式给料机造价高昂，对基础配套要求较高，且无法实现预筛功能，除用于特大规模的单机给料外，在骨料生产中并不常见。

棒条式给料机是粗碎给料的理想设备，该设备带有可调节间隙的筛条，其间隙可根据后续破碎机的最大排料情况相应调整。物料通过棒条式给料机给料时，小于筛条间隙的物料可预先筛离而不必进入后续破碎设备，此时可以选择较小型号的破碎设备或使破碎设备在较小的通过量下工作，同时也可避免较小物料在粗碎阶段的过度粉碎，便于后续流程的过程控制。

（3）除泥筛分

除泥筛分是干法精品骨料生产线必要的组成部分，骨料矿山的前期剥离阶段，开采原料中可能带有较多泥土，有些骨料矿山的矿石岩层中也会夹杂有较多泥土，在进入生产系统时需进行除泥筛分，以保证最终成品骨料的品质。

除泥筛分一般设置在粗碎阶段，即经棒条式给料机筛除的小于筛条间隙的物料给入除泥筛，视含泥量和泥块粒径来确定除泥筛的筛孔尺寸，筛上较干净的物料返回生产系统，筛下物抛废处理，除泥筛分通常会以牺牲一部分细颗粒岩石为代价。原料比较潮湿时，由于物料的粘连，粗碎系统的除泥筛分往往并不能较好地去除泥土，一些骨料生产线在设计时，会将二段破碎后的分级筛的筛下<5mm的物料也进行抛废处理。

案例工艺流程中，棒条给料机筛条下设置翻板切换阀，当原料含泥量非常低时，可将筛条下的物料直接给入后续生产系统，无需进入除泥筛分。

（4）中间料堆

粗碎之后的中间料堆可以分为作业率不同的前后两段，当前段设备因为矿山供料、道路运输、设备检修等不能正常作业时，后段设备可以依靠中间料堆的存料继续生产。由于中间料堆的存在，前段设备可以配置较常规设计更大的规格型号，既可满足更大的粗碎进料粒度，也可以降低粗碎作业率。

中间缓冲料堆通常为地下通廊式设计，地面以上为堆场，地面以下为通廊，采用电振动给料机和胶带运输机将物料从通廊运输出来。中间缓冲料堆的储量根据生产规模计算确定，但受制于场地和投资，通常以储存1～2d的产量较合适。

（5）中碎前的预先筛分

中碎前如不设置预先筛分，则粗碎后的物料全部进入中碎设备。中碎处理后，物料粒度变细的同时粒形得到进一步优化，但也会导致给料中小于中碎排料粒度的物料过度粉碎。

当后段工艺采用立轴破碎机整形全部骨料成品时，中碎前设置预先筛分便具有合理性：一方面通过预先筛分，使小于中碎排料粒度的物料提前筛离出来而不进入中碎设备，避免过度粉碎；另一方面也可以通过预先筛分的筛网尺寸来控制给入中细碎或整形设备的物料量和最大给料粒度，经优化配置后可以减小破碎设备的选型规格或减少设备台数。

“多筛少破”是优秀的骨料工艺设计中的常用理念，尽管预先筛分会导致生产系统相对复杂一些，但筛分设备相对破碎设备价格更低，易损件成本也更低，可使项目的初期投资和后期运营更加经济。

（6）中碎设备

某些矿山为得到更多较大块度的产品并避免矿石的过度破碎，一些具有较小排矿口的颚式破碎机也可用于中碎或二段破碎。齿辊破碎机适用于破碎硬度较低的脆性物料，因其齿辊利于大块破碎且具有一定的预筛功能，可避免细物料的过度破碎。该类设备常用于煤矸石含量较低的原煤破碎，在一些硬度较低的石灰石骨料矿山也逐渐得到应用。

骨料生产中，最常见的中碎设备为圆锥破碎机和反击式破碎机。反击式破碎机价格相对低廉且破碎产品粒形相较圆锥破碎机更佳，但其缺陷也不容忽视。在破碎较硬的物料时，反击式破碎机的破碎效率下降明显，且易损件磨损较快。在破碎较软的石灰石矿石时，破碎产品中粗骨料产出比例低，细粉料产出比例较高，由其直接得到的＜5mm的物料作为机制砂时产品品质不高，机制砂中的细粉料较多而粗颗粒较少，粗细比例呈“哑铃型“分布，且石粉含量往往超标，很难达到国标二区中砂要求。

圆锥破碎机是用于中碎或二段破碎更加合理的选择，对绝大多数物料均具有良好的适应性，且易损件使用寿命较长。圆锥破碎机分为多缸和单缸两种类型，多缸圆锥破碎机具有更高的破碎力，在破碎玄武岩或花岗岩等较硬岩石或在需要保证更高的破碎成品率时采用多缸圆锥破碎机更加合理；相同规格的单缸圆锥破碎机较多缸圆锥破碎机具有更大的进料尺寸和更高的通过能力，但其破碎成品率较低，一些骨料从业者往往会选择将中碎单缸圆锥破碎机的排矿口设置在较小范围以提高破碎成品率，但这可能会导致衬板的不均匀磨损并增加设备故障率。

案例工艺流程中，中碎圆锥破碎机与预先筛构成闭路系统，因此该预先筛也作检查筛分之用，筛下<12mm物料可直接作为机制砂的原料而无需进入破碎系统，既可避免过度粉碎，也有利于释放破碎系统产能。12～50mm的物料进入整形设备。

（7）整形设备

第三段破碎采用立轴式破碎机，兼具破碎和整形的双重功能，其给料来源于预先检查筛分，物料经立轴破碎机破碎整形后，给入成品筛，成品筛与立轴破碎机构成闭路系统，因此该成品筛为检查筛分。

立轴破碎机有适用于不同工况的多种腔型：“铁打铁”腔型为开式转子+铁砧环结构，最大进料粒度可达到100mm以上，可以替代三段甚至二段破碎；“石打铁”腔型为闭式转子+铁砧环结构，进料粒度不宜＞50mm，无论是“铁打铁”还是“石打铁”，铁砧环本身造价高昂且其作为易损件会导致较高的设备投资成本和运行成本；“石打石”腔型为闭式转子+石料槽结构，虽然破碎成品率较另外两种腔型略低，但其设备本体造价更低，料垫式设计的破碎腔也可以减少磨损，尤其是在用于破碎磨蚀性比较高的物料时，更加倾向于采用“石打石”腔型的立轴破碎机。

立轴破碎机用于整形时，转子转速通常在900～1 300r/min之间，过高的转速会导致粗骨料成品比例降低，过低的转速将不能保证整形效果；溢瀑量的大小需要在立轴破碎机的通过能力和整形效果之间来权衡确定。

（8）成品筛分设备

骨料生产线中的成品筛分环节十分重要，但却往往不能引起从业者的足够重视。成品筛分虽是开路筛分作业，但也需要保证足够的筛分效率，来尽可能地减少筛上粗粒级骨料成品中未过筛的细粒级骨料的掺混量。如果不同规格骨料的掺混比较严重，可能会影响混凝土搅拌站的配合比设计，对最终的混凝土质量带来不利影响。

成品筛分除了采用圆振筛和直线筛外，还可以选择三轴椭圆水平振动筛。该设备安装倾角为0°，因而具有更大的有效筛分面积，采用三轴同步联动的激振方式，因而具有更大的振幅，且其振幅和频率可调，可保证更高的筛分效率，尤其适用于骨料的成品筛分和细物料的分级筛分。

案例工艺流程中，成品筛分出料斗处配置翻板阀，可将一部分成品骨料返回至立轴破碎机再次破碎，从而调整最终成品的产出比例，使系统调控具有更好的灵活性。

（9）缓冲料仓

筛分设备前可不设置缓冲仓，但在破碎设备前设置缓冲料仓是必要的，设置缓冲仓便于装载机或自卸卡车卸料。缓冲仓的有效容积应不低于卸料卡车的车斗容积，通常以卸料卡车车斗容积的1～1.5倍为宜，不宜过大，否则会导致粗碎棒条给料机负荷过大而无法正常工作。圆锥破碎机和立轴破碎机前设置缓冲料仓并配置可变频调速的电振动给料机，其主要目的是保证破碎设备的连续稳定给料，以利于设备发挥最佳性能。此缓冲仓的容积也无需过大，保证10min左右的缓冲给料时间既可。

（10）楼式制砂系统

机制砂作为骨料生产线的必然产物，其产量和品质随着市场的需求已经越来越引起重视，国标GB/T 14684-2011《建筑用砂》早已对机制砂提出了全面性的要求。在矿石类型确定的情况下，细度模数、级配、粒形、石粉（泥）含量是机制砂生产时需要考虑的主要技术指标。

一些骨料生产线工艺简单粗放，缺乏有效的过程控制环节，在较高的破碎比下产出过多的＜5mm产品，这部分产品直接作为机制砂并不能达到标准要求，产量大且售价低，往往成为了骨料生产中的负担。

一些企业寻求将这部分产品用于生产满足国标的精品中砂，但又面临其中细物料过多的问题，因此不得不将其中＜3mm的细物料预先筛除（这部分细料粒形较差，若直接给入楼式制砂系统，会导致石粉量过高且不利于机制砂细度模数的调控，影响最终机制砂品质），只将筛上>3mm物料给入楼式制砂系统。如此一来又会面临超细物料干法筛分的技术难题，也会额外增加投资成本。当前许多砂石骨料生产线在相对落后的生产工艺和追求更高的产品品质及合理的产品比例之间存在矛盾，而这只是其中一个缩影。

精品砂石骨料生产线即是通过整体的工艺设计，在遵循“多筛少破”理念的同时，采用具备操作手段（如排矿口调整，转速调整，筛孔调整、回笼料调整等）的破碎筛分设备将总破碎比在流程中进行合理分配，避免合格粒径的物料过度粉碎，能灵活操控产品品质和产出比例，并使前端的骨料破碎筛分系统和楼式制砂系统在给料量和给料品质方面都能够合理匹配。精品骨料生产线的流程设计应将破碎筛分和楼式制砂系统作为一个整体进行分析计算，而不能将二者分割开来进行单独的设计和选型，否则，很可能又陷入上文所述的矛盾之中。

楼式制砂系统在环保、占地和能效方面具有显著的优势。无论何种工艺的楼式制砂系统，在机制砂生产时都需要解决好两个问题：其一是分级选粉，将破碎产品中＜2.36mm的（此2.36mm为近似尺寸，下同）物料筛选出来的同时进行石粉的分选和调控，如果不能很好地解决此部分物料的分级筛选，将会导致产能降低，影响细度模数的调控和石粉含量的控制；其二是回笼破碎，调控＞4.75mm和部分2.36～4.75mm的物料返回立轴破碎机再次破碎，这是级配调整的一个核心环节。

一些楼式制砂系统没有先将流程中＜4.75mm的物料进行分级筛选，只是单纯地将部分＜4.75mm物料进行回笼破碎，则其对机制砂品质参数的调整缺乏可控环节，并不能确保在给料和工况变动时得到合格的机制砂产品。

3 设备组合设计及生产线布局设计

3.1 设备组合设计

设备组合是指主机设备与辅助设备、基础及其他设施的配套方式，可以有以下几种形式：

（1）固定式

即设备基础及缓冲料仓全部采用混凝土建设施工，更适用于规模大、生产运营年限长的矿山。该方式土建作业量多，施工周期较长，主关键设备的投资比例在总投资中的占比较低，无法移动转场且基础无折旧残值。

（2）移动式

若只需数月移动一次，选择轮胎移动式设备即可，若移动转场比较频繁，则需选择履带移动式设备，这两类设备组合产能通常比较小，常用于采石场和城市建筑垃圾处理。因配有行走机构和动力装置，这两类组合尤其是履带移动式设备的总体造价较高。此外，这两类设备组合在除尘方面也存在局限。

（3）模块化机组

传统称为半移动式或雪橇式机组，适用于各种规模的骨料生产线建设。在经优化设计后伟尔矿业将其定义为：自地面以上，通过规范化设计并采用钢结构制造的、拼装组合式的破碎、筛分或给料作业单元。一个模块化机组包含三大部分：其一破碎、筛分或给料机等设备；其二钢结构支架、料斗、缓冲料仓等非标设计制作件；其三钢格板平台、斜体、扶手栏杆等规范化设计制作件。规范化设计的模块化机组见图3。

模块化机组有如下特点：

a整体设计及供货：主机设备、钢结构非标件以及走道扶梯等规范件为整套设计及供货，业主方省时省力，建设和安装快速高效。

b施工周期短：可在工厂制造并预组装，排除安装故障后分拆发运至项目现场进行快速拼装，各个构件通过螺栓连接，几乎无需现场焊接，有利于快速建设投产。

c投资更合理：土建作业少，地面以上无需混凝土施工，劳动强度低，设备及钢结构投资占总投资的比例更高，且钢结构在一定年限后仍具有较高残值。

d具备移动转场能力，可分拆后转移至另一地点再次安装使用，但转场频率不宜过高。

若干个模块化机组通过皮带运输机衔接，配套必要的除尘设施、电控系统、物料堆场及成品仓等，可组成具有完整功能的骨料生产线，即模块化骨料生产线。图4为厂房式模块化骨料生产线。

图3 规范化设计的模块化机组

图4 厂房式模块化骨料生产线

以上几个类型的设备组合方式在特定的应用场景和需求下各具优势，在项目设计时应综合讨论，权衡利弊后确定。

3.2 生产线布局设计

骨料生产线的布局设计应基于工艺流程（又可能会影响工艺流程的设计），契合地形条件，遵循合理、紧凑、简洁、节能、环保原则，尽量避免散乱布置，最终以形成规整的厂房式布置为宜。

无论是混凝土固定式设计组合还是钢结构模块化机组，均可按照厂房式布置并进行封装。一旦布局设计完成，骨料生产线的全部设备包括皮带机及给料机等均可确定数量和型号。移动式组合特别是履带移动式设备，布置方式相对简单，串联式衔接，因需移动转场而处于露天作业，但这也会面临环保问题。

4 其他配套设施

4.1 电控装备

（1）驱动方式

履带移动式设备基本采用柴油机驱动主机，而行走机构以及给料机、振动筛、皮带机等辅助设备则由液压系统驱动并配备这种驱动方式的电控系统。轮胎移动式设备通常采用柴油发电机组供电，移动区域较小时也可接电网供电。固定式或模块化机组式的骨料生产线通常采用电网供电。

（2）电气控制

电控系统包含以下两方面内容：

a单机设备的专机专控：破碎设备一般具有很大的静止惯量，因而其电动机装机功率大，启动电流也较大，宜配置软启动器来减少对电网的冲击并保护电动机；立轴破碎机作为整形设备，当需要进行转速调整时，可配置变频器（变频器也具备软启动功能）；给料设备宜配置变频器，对给料量进行调速控制；一些具有复杂液压润滑系统和需要较多调控参数的设备如圆锥破碎机和立轴破碎机等，通常会配置专属的自动控制系统来对设备的运行状况和参数进行监测和调控。

b成套集散控制系统：即DCS控制系统，采用可编程逻辑控制（PLC）电路对整个生产线设备的开停机、液压润滑等实行电气联锁控制，并设置前后设备的启停程序，通过工控机操作模式在线监测调控，使系统安全可靠，自动化程度更高。

4.2 除尘设施

骨料生产线宜采用“源头治理”的除尘方案，布袋式除尘器是常见的除尘设备。除尘方案应进行整体设计，设备的进出料口应进行密封处理，振动筛、皮带机、给料机应配置密封罩，在此基础上将生产线的各扬尘点位通过风管连接至除尘器，成品储料仓设置仓顶除尘器。未进行密封设计的骨料生产线车间及料堆场可通过水雾及纳膜技术进行降尘处理。一些骨料生产线会在设备出料口处的皮带机上增加喷淋水，虽有助于抑尘但也可能会影响后段楼式制砂系统的风选作业。

4.3 储运系统

骨料成品主要有储料仓和料堆场两种储存方式。储料仓占地面积相对较小，利于环保控制，便于装车计量，是目前骨料储存的首选方式，常见有钢板仓和混凝土仓两种形式，储料仓底部通过散装机卸料至运输卡车。料堆场由厂棚覆盖，下设通廊，并通过皮带运输机给至地面小型缓冲仓，仓底部通过散装机卸料至运输卡车，料堆场可采用堆垛式皮带机来增加堆料容积。骨料生产线可采用汽车衡一卡通骨料装车系统，实现更加智能化的储运管理。

5 结语

精品机制砂石骨料生产线的设计及建设应以项目条件为基础，充分了解相关设备特性并进行项目前期整体规划；工艺流程设计应遵循“多筛少破”的原则并采用具备操作和调控手段的破碎筛分设备，合理分配破碎比，实现全流程的可控性和灵活性；布局设计应基于工艺流程，契合场地条件，尽可能实现规整的厂房式布置；采用规范设计的模块化机组建设生产线，具有十分明显的技术经济优势。此外，成套的电控装备、除尘设施以及规范智能化的储运系统也应纳入整体的设计和建设当中。■