高品质环保型楼站式机制砂生产系统技术应用

  关键词：破碎系统、选粉系统、筛分系统、优化设计  

  引言  

  自改革开放以来，中国作为人口大国基建建设一直处于高速发展，从早期的柏油马路到今天的纵横高铁，从早期的红砖瓦房到今天的高楼林立，每年所使用的砂石骨料量从千万吨/年一直攀升到现在的百亿吨/年，并且随着建筑标准的提高，对施工的原材料的品质标准也在提高，骨料是建筑材料中最重要的一部分，而砂子在建筑骨料中占比很大，通常占比30%-40%，可以说直接关系到混凝土的质量。

  上个世纪90年代以前，国内几乎没有人工制砂，所有砂源均来自天然河砂，大量的河砂采挖导致河提破坏、水土流失严重、安全事故繁多，并且河沙中含有大量的泥和其他有机杂质，洗砂更是污染水资源。河砂表面光滑，流动性好，但和易性差。90年代末有部分厂家从国外引进了人工机制砂技术，制砂设备应运而生，最终经过不断生产试验和淘汰，最终制砂设备采用巴马克技术的立轴式冲击式破碎机（简称立破），此种破碎机生产出来的机制砂成多面立方体，无论是抗压性还是和易性均表现优异。尽管如此，在整个骨料行业中，河砂依然占有主导地位，经过个人多年的考察和学习发现主要原因在于机制砂级配的不合理性导致的。

  近几年来，习近平总书记再次提出绿水青山就是金山银山，各地政府纷纷响应，严抓严打，坚决禁止河砂采挖，甚至有些省份禁止混凝土站使用河砂，从根本上杜绝河砂采挖，而骨料生产作业的环保要求也从以前的50mg/m³排放标准提高到20-25mg/m³排放标准，在此形势下，一种能够生产出精品砂、集成化、环保化、自动化楼站式机制砂生产系统应运而生。  

  一、制砂工艺对比及改进  

  按照早期的工艺，一般是来料（40mm-0mm连续级配）通过喂料设备再经由皮带机输送至立轴冲击破进行破碎，破碎后的物料再经由皮带机输送至筛子（筛网规格为5×5方形孔）筛分，筛上物料再经由皮带机返回至立轴冲击破，从而使筛子与立破形成闭路循环的生产模式，筛网筛下料即作为4.75-0mm的机制砂产出。流程见图1-1  

  经过筛分检验此工艺的做出来的机制砂（表1.1）对比GB/T14684-2011中2区砂（表1.2）分析结果如下：  

  1）4.75-2.36mm占比达到32-37%，而国标2区砂要求是15%左右，所以偏多；  

  2）2.36-1.18mm占比达到15-18%，而国标2区砂要求,10-25%，稍微偏少；  

  3）1.18-0.6mm占比达到18-20%，而国标2区砂要求是20-31%，所以偏少  

  4）0.1-0mm石粉占比达到15-20%，而参考标准得到石粉含量应控制在10%以内，超标的石粉将会导致混凝土用水量增加，从而影响混凝土强度。通过以上数据所得普通机制砂级配偏粗，含粉量超标。  

  首先，从工艺上着手，考虑到破碎机的破碎结果是随机的，每种区间粒度比不能依靠破碎机得到有效控制，因此可以通过后面的筛分来控制粒度区间比例。通过表数据得知粗砂偏多，而中砂和细砂都偏少，所以可以将一部分粗砂重新返回立轴冲击破进行二次破碎，达到减少粗砂，增加中砂和细砂比例，并增加三通阀调整粗砂返回比例，使粗砂、中砂和细砂比例达到最佳。增加风力选粉装置去除多余的石粉。工艺流程如图1-2  

  另外，选粉系统设计在筛分系统之前，有两个好处，一方面是提前将石粉选出，可以提高下一步筛分系统的效率，另一方面是减少筛分物料中的含粉量有利于环保，减少除尘压力。  

  通过以上方案改造后，上海山美股份2019年承建的重庆东方希望精品楼站式机制砂生产工厂采用的此方案（图1-3），并再次对成品做筛分检验并参考国标2区砂对比，数据如图1-4：  

图1-3  

图1-4  

注：红色曲线为某次成品的测试检验数据，绿色曲线为东方希望企业标准  

  通过试验得知，成品级配符合GB/T14684-2011中2区砂要求，达到一类砂标准。  

  二、楼站式机制砂生产系统技术分析  

  如图2-1所示，楼站式机制砂生产系统主要包括给料、破碎与机制砂整形、级配调整、筛分、砂粉分离、粉尘收集、输送、电气控制、拌湿等工作模块，其工艺根据来料的不同使得工艺顺序发生变化，一般情况下先破碎再选粉、筛分。  

图2-1  

  如果原料中含有大量的石粉或细骨料时，为避免过粉碎和节能起见，也可以选择先选粉，再筛分，再破碎的工艺顺序。  

  楼站式机制砂生产系统则是根据这些主要的工艺加工顺序，将所有系统优化组合，从而达到安全、环保、自动化的生产目。如图2-2：  

图2-2  

  因此主要从破碎系统、选粉系统、筛分系统做一些技术分析。  

  2.1破碎系统  

  破碎系统主要由立轴冲击破组成，在分析破碎工艺之前，首先分析制砂设备的加工原理如图2-3：  

  物料通过设备入料口进入高速旋转的圆叶轮，圆叶轮通过离心力将物料甩向四周，物料与破碎腔内的壁板或其它下落中的物料发生碰撞，形成破碎，破碎后部分物料也会形成反射，重新碰撞到高速旋转的圆叶轮护边上或再次与其它物料发生碰撞形成二次破碎，循环往复，直至被抛掷物料动能不足，以自由落体的方式通过设备出料口。  

  由此可见，设备的转速是恒定的，圆叶轮的线速度也是恒定的，由于来料体积、质量不同，所产生的动能和最终破碎效果也不同。  

  假设某一现场，石质为石灰石，密度为1.6g/cm³，待破碎石子粒径为10-30mm，抗压强度一定。从立轴冲击破的原理得知，物料被破碎的能量即动能：  

  Eκ=1/2.M.V²（Eκ=物料被破碎的临界能量值）式1  

  M=p.v（p=物料密度）  

  忽略摩擦阻力，当物料在循环生产中，体积不断变小，所以M值也在不断变小，最终：  

  （p．v1）.M1=E1＜Eκ式2  

  此时被抛掷的物料已经不能获得足够的动能，物料质量越小所获得的动能越小，得到破碎效果越差，甚至有些物料已经不能通过碰撞而被破碎或达到破碎效果，更多的时候是与其它物料或壁板产生研磨，从而增加循环量，增加出粉率。  

  由式1和式2得知，当物料粒径不变时，M值不变，提高圆叶轮线速度V值，动能变大，或者M值变大时，动能变大，反之变小。基于此我公司通过多次试验得出石料粒径与叶轮线速度的关系：见图2-4  

  但是通过实验得知如果线速度过高，对于规格较大的物料也会产生过粉碎的现象，从而产生不必要的原料损耗和设备磨损。  

  通过立轴冲击破设备工作原理得知，其工作方式是开路式生产，物料的被破碎效果是随机的，而且由于来料级配不同导致的破碎效果并不能达到理性的结果，相反还会造成物料的成粉率增加，设备处理循环量增加，电耗增加，因此得到以下结论：  

  1）对于来料规格较大、级配偏粗、破碎比较高的破碎工艺，应采用多级破碎，采用低线速的立轴冲击破和高线速的立轴冲击破串联的方式进行破碎，比如可采用叶轮线速度70m/S的立轴冲击破作初级破碎，将物料破碎至7-8mm以下，将初级破碎后的物料中超过4.75mm的物料筛出进入到下一个叶轮线速度80m/S的立轴冲击破进行破碎。  

  2）考虑到两台立轴冲击破的处理量是不同的，所以可以考虑低线速的立轴冲击破和高线速度的立轴冲击破采用一大一小的方式，从而降低采购成本。  

  3）对于来料较小，破碎比不超过1:10的工艺，则不需要采用双立轴冲击破串联工艺，比如来料小于10mm的尾矿制砂工艺则直接采用一台高线速立轴冲击破即可。  

  2.2选粉系统  

  通过上述得知一般制砂工艺所生产的产品除了级配偏粗之外，还有含粉量超标问题，即使在采用了合理的破碎方案之后，虽然减少了功耗和出粉率，但是并不能完全得到控制，因为不同的物料的易碎性是不同的，而破碎也是随机的，所以最终产品很难控制含粉率，因此需要对最终产品进行石粉分离，控制石粉含量，是产品符合GB/T14684-2011，即0-0.075mm≤10%。  

  初步考虑设计一种风选装置，如图2-5：  

  其原理是使物料通过一个振动给料装置将其均匀散开，在下落过程中形成“瀑布”状料带进入沉降室，此时在沉降室的左下方设置一个正压鼓风装置，这个装置是由风机和吹风嘴组成，风机的风经过吹风嘴变成一个与料带宽度相当的正压气流穿过料带，将料带中的细粉吹离料带，此时，在料带和细粉之间设置一个可以移动粒度调节板，将被吹出细粉与下落料带隔开，在箱体的右上方设计一个负压为500Pa的收风口并与除尘器管道相连，使被吹离的细粉颗粒被来自除尘器的负压风带走。由于细粉中颗粒大小不同，所以被吹离的距离也不同，所以在调试阶段可以通过调整隔板及风机转速控制细粉的含量。  

  2.3沉降室的初步设计  

  根据使用经验得知每立方风量对石粉处理能力是200g/m³,假设每小时100t的制砂生产线中的含粉率为15%，根据制砂标准要求需要将含粉率控制到10%，那么每小时需要选出的石粉为5t。  

  以此计算风量：Q=5×10³/0.2Kg/m³=25000m³/h式1  

  假设环境温度为20℃，此时空气密度为ρ=1.205Kg/m³，空气粘度指数μ=0.0185×10﹣³Pa.s，所有粉颗粒为近似圆球。由料带宽度得知沉降室的宽度B，已知沉降的临界颗粒直径dp为0.075mm，密度为2.6g/m³，通过Allen公式计算临界沉降速度u：  

  u=[4.g²(ρp-ρ)²/225.μ.ρ]⅓.dp=Q/3600/B.L式2  

  沉降时间：t1=H/u式3  

  水平运动时间：t2=L/V式4  

  满足分离条件为：L/V≧H/u式5  

  注：L为隔板到入料口的水平距离  

  H为沉降室高度  

  V为颗粒水平运动速度  

  通过以上简单计算初步确定沉降室的基本尺寸，由于考虑到实际生产中颗粒沉降过程中受到壁效应、颗粒之间的干扰沉降的客观因素的影响，因此需要通过实验不断调整粒度调节板确定最佳分离效果，并通过图解法优化设计。最终产品如图2-6 

图2-6  

  2.4筛分系统  

  通过多年的发展，目前砂石骨料系统中应用筛分设备有圆振动筛、三轴椭圆振动筛、概率筛、高频筛等。概率筛筛分效率较一般筛分机高，但由于其规格一般偏小，因此在骨料系统中应用率并不高。高频筛主要用来筛分细级物料，比较适合筛分机制砂，在部分水电骨料系统有应用，但由于目前国内技术不成熟，主要还是依靠国外进口品牌，价格较高，因此应用率比较低。圆振动筛主要分为轴偏心和块偏心两种，目前主要以块偏心为主，这种筛子价格便宜，型号种类丰富，筛分率较高，因此应用最为普遍。三轴椭圆筛是近几年从国外引进一种水平安装的筛分设备，其特点是安装高度低，筛分效果比圆振动筛好，目前国内最大型号是2.4m×6m，适用于150t/h的制砂生产线，价格较圆振动筛稍高，处于中端水平。  

  由于楼站式机制砂生产系统是根据制砂工艺特点，利用高度空间集成化设计的一种成套的精品制砂生产系统，所以在设计时除了考虑单机设备的采购成本，也需要考虑空间的利用率，避免结构件成本的增加。如图2-7和2-8所示，两图中楼站式机制砂生产系统均为同等产量的制砂系统，分别采用了圆振动筛和椭圆筛做筛分系统，尽管椭圆筛的采购成本高于圆振动筛，但是由于圆振动筛为倾斜安装（倾斜角度为17º~20º），而椭圆筛为水平安装，因此采用椭圆筛的制砂楼高度相对于采用圆振动筛的制砂楼高度节省了3.5m，不但节省了主体钢架的成本还降低了提升机高度、外封装成本、其它收尘管件等成本，综合考虑2-8中的椭圆筛所组成的制砂楼性价比更高。  

图2-7 

图2-8  

  另外其他厂家楼站式机制砂生产系统也有采用高频筛，高频筛也属于水平安装，细料筛分效率很高，筛子体积小，但是由于国内技术不成熟，如果采用进口产品，采购成本比较高，因此为了节省成本起见，可以利用筛子和筛子上方的密封罩设计一个沉降室，进料口设计散料装置，在沉降室一端安装鼓风机，另一端设计负压抽风口，既可以为筛子除尘，亦可以分离多余的石粉，如此相当于将筛分系统和选粉合二为一，鼓风机工作时，风向与筛面方向一致，可以提前将细砂、中砂和粗砂在筛面上由远至近的吹开，减少颗粒间互相干扰的因素，提高筛分效率。  

  三、楼站式机制砂生产系统结构的优化设计  

  楼站式机制砂生产系统主体结构主要是由钢构组成，因此结构的优化设计可以节省大量的钢构重量，从而节约制造成本。通常情况下，结构设计后期可以通过计算机三维软件设计完成，并通过有限元分析进一步检验计算和结构优化，除此之外也可以通过另外两个方面来进行初始的方案优化：工作流程的优化和型材的选用。  

  3.1工作流程的优化设计  

  如图3-1所示，通常情况下，整个系统第一步是破碎，然后是选粉和筛分，由于楼站式机制砂生产系统是自上而下的立体空间的摆放，考虑到物料受自身重力的影响，最初设计时考虑在符合工艺顺序的前提下将破碎、选粉、筛分由上到下的摆放，即立轴冲击式破碎机在最高一层，从上往下依次是选粉和筛分，事实上国内最初的楼站式机制砂生产系统设计就是如此，通过某现场照片（图3-1），可以看到其工作过程是：首先原料通过皮带机输送至楼旁的斗式提升机，通过提升机将物料送立轴冲击式破碎机，破碎后的物料进入选粉设备，再进入下一层的振动筛，返回物料通过振动筛的出料端的溜槽重新进入斗提和立轴冲击式破碎机循环破碎。  

图3-1  

  在所有设备中立轴冲击式破碎机的重量最重，而立轴冲击式破碎机却处于楼体的最高处，在最终设计结论中发现，其中主楼架钢构的重量非常大，钢结构成本占到项目总成本的1/3以上。基于此，设想将立轴冲击式破碎机放置在楼站式机制砂生产系统的最底层（图片参考3-2），其工作过程改为：首先，原料通过皮带机直接输送至楼底层的立轴冲击式破碎机，破碎后的物料则通过立轴冲击式破碎机底部的出料皮带输送至楼旁的斗式提升机，通过提升机将破碎后的物料送至选粉设备和振动筛，返回物料仍通过振动筛的出料端的溜槽重新进入立轴冲击式破碎机循环破碎。通过对比，改后方案仍符合工艺流程，相对于破碎机安装在顶层的方案，此方案仅仅增加了一条7-8m的水平皮带输送机（破碎机底部出料皮带），但是由于主楼架钢构重量的减轻，使得总成本下降许多。  

  3.2型材选用  

  一般处于设计的方便，更多设计者倾向采用“H”型钢和矩形管作为楼体钢构主材，然而从节省成本的角度考虑，通过计算机相关设计软件分析，在同等受力条件下，采用无缝钢管设计的结构可以使楼体重量相对于其它型材的楼体减少将近25%的重量。因为发现，在重量和规格接近的情况下，圆管型材的受力条件比其它型材更好。事实上，这种设计思路并非先例，为了降低成本，使用无缝钢管的结构在皮带机廊道设计中早有应用。图3-2和图3-3分别为采用无缝钢管设计的楼站式机制砂生产系统和皮带机廊道。  

  四、结论  

  楼站式机制砂生产系统本身就是一条集成式机制砂生产线，应当根据不同供料和现场情况，设计出合理的破碎系统、选粉系统、筛分系统，而在整个生产工艺设计中，这些系统的组合也应该视原料条件，灵活结合和排序。比如原料本身就有部分砂子和石粉，那么就可以使原料先进入选粉和筛分系统，再进入破碎。有针对性工艺才是最合理的工艺。同时设计者应当拓宽思路，多参考和关注其它相关行业类似产品设计，探讨出更节省的生产成本方案。  

  参考文献：  

  [1]建筑用砂国家标准GB/T14684-2011  

  [2]李永杰、毛铁牛.立轴式冲击破碎机制砂工艺与研究.贵州水利发电2008  

  [3]张兆顺、崔桂香.流体力学第三版