第一節(jié) 產品生產技術發(fā)展現(xiàn)狀

我國人工砂石技術的發(fā)展大致可分為三個階段：摸索階段、成熟階段和不斷創(chuàng)新的廣泛應用階段。

1、人工砂石料加工技術的摸索階段

我國的人工砂石料應用最早開始于上世紀60年代初建設的貴州貓?zhí)铀娬?，采用性能落后的錘式破碎機生產人工砂，且規(guī)模較小。65年映秀灣工程建成了生產能力為160t/h的人工砂石系統(tǒng)（以下簡稱“人工砂石系統(tǒng)”），自此拉開了我國人工砂石技術 研究 、應用的序幕。當時，人工砂石料在國內的生產及應用還處于一片空白，如何進行人工砂石系統(tǒng)的工藝流程設計、制砂設備選型及如何提高產品質量和降低生產成本等，都是要在實踐中探索的問題，人工砂石技術的 研究 進入了一個漫長的探索階段，這一階段一直延續(xù)至上世紀80年代末。在此期間，大型的人工砂石系統(tǒng)主要有烏江渡、漫灣及五強溪砂石系統(tǒng)等。

烏江渡右岸砂石系統(tǒng)設計生產能力500t/h，加工原料為石灰?guī)r，共生產成品骨料420余萬m3。烏江渡開創(chuàng)了國內全部采用人工砂石料作為砼骨料修建大型水電站的先河，為在缺乏天然砂石料地區(qū)修建水電站提供了經驗。漫灣砂石系統(tǒng)，以灰綠色流紋巖為料源，毛料處理能力500t/h，總計生產成品骨料280余萬m3。五強溪砂石系統(tǒng)是截至當時國內最大的人工砂石系統(tǒng)，設計生產能力1150t/h，后經過增容改造，實際綜合加工能力達1200t/h，共計生產成品料585萬m3。這一時期，經過近20年的探索，人工砂石技術雖然取得了一定的成就，但還很不成熟，尤其是系統(tǒng)設計仍然存在著許多缺陷，如工藝設計上采用了單一不變的模式：旋回式破碎機作粗碎；中、細碎主要采用圓錐破碎機；棒磨機濕式制砂等，成品料級配調節(jié)能力不強。另一方面，經過這一時期的生產實踐，進行了多方面的嘗試，逐步解決了實際中遇到的很多技術難題，如花崗巖、石英巖等高SiO2含量巖石對設備的超常磨損的 研究 等，為我國更大規(guī)模地應用人工砂石料奠定了技術基礎，積累了經驗。

2、人工砂石料加工技術的成熟階段

進入90年代以后，水電開發(fā)的步伐加快，二灘、小浪底、萬家寨、大朝山、三峽等一批特大型水電工程的相繼開工建設，為人工砂石技術的成熟提供了千載難逢的機遇。尤其是二灘、小浪底工程，主體工程均采用國際招標，外商的直接參與，帶來了包括人工砂石技術在內的許多國際先進的設備及技術，這對于我國人工砂石技術的成熟起到了積極的促進作用。

二灘砂石系統(tǒng)加工規(guī)模為1000t/h（實際生產能力達1200t/h），設備先進配套，設計布局合理，其多級破碎＋制砂的多重閉路循環(huán)工藝及依據(jù)地形布置的地下豎井式骨料儲倉，使人耳目一新。特別是系統(tǒng)布置采用了地面、地下、空間立體式的布置，成品骨料全部儲存于山體中開挖的豎井之中，不但解決了場地狹小的難題，而且利用骨料自身重力完成了骨料的垂直運輸，無干擾，最經濟，同時利于骨料的保溫及砼溫控。小浪底工程連地砂石系統(tǒng)，設計處理能力700t/h（后經增容達1000t/h），料源為石英砂巖河卵石，SiO2平均含量為76％，最高抗壓強度達351MPa，是截止目前國內已建工程砂石料加工原料中最堅硬的，對加工設備的磨蝕嚴重。但由于系統(tǒng)采用了國際著名廠商專門針對小浪底這種堅硬河卵石設計的破磨設備，針對不同的粒度采用不同的破碎機械進行多級破碎，并采用任意循環(huán)的靈活生產工藝，不但保證了系統(tǒng)的正常運行，并且創(chuàng)造了高峰期平均月運行時間595h的全國最高記錄。

萬家寨人工砂石系統(tǒng)是我國西北地區(qū)的第一座大型人工砂石系統(tǒng)，設計處理能力800t/h。該系統(tǒng)針對人工砂含粉量高、含水量大，易板結、凍結、廊道卸料口上方起拱等問題，采取用推土機配合送料、合理安排各卸料口的卸料次序及卸料時間等措施，取得了較好的效果，為我國在嚴寒地區(qū)進行人工砂石系統(tǒng)的生產、管理提供了寶貴經驗。三峽古樹嶺及下岸溪人工砂石系統(tǒng)，分別采用基坑開挖及下岸溪料場開采的花崗巖為原料。古樹嶺人工碎石系統(tǒng)處理能力2650t/h，下岸溪人工砂生產系統(tǒng)處理能力2400t/h。三峽人工砂石系統(tǒng)不僅規(guī)模巨大，而且其設計吸取了我國30余年人工砂石技術的經驗，大量引進了國際上先進的加工設備，利用HP圓錐破碎機作細碎，并創(chuàng)新地采用了棒磨機與Barmac聯(lián)合制砂的生產工藝，代表了當時我國人工砂石系統(tǒng)設計的最高水平。系統(tǒng)至今，經過9年的運行，滿足了工程連續(xù)21個月澆筑強度大于40萬m3的高強度用料要求，并多次刷新了砂石料生產供應的世界記錄。上世紀90年代，是我國由計劃經濟向市場經濟轉軌的關鍵時期，水電建設市場的業(yè)主負責制、招標投標制、建設監(jiān)理制、合同管理制的推行和我國改革開放的全面深入，促進了水電施工技術的飛速發(fā)展，我國的人工砂石技術正是依托這些舉世矚目的工程取得了前所未有的成就，并日益發(fā)展成熟。

3、人工砂石料加工技術的不斷創(chuàng)新及廣泛應用階段

進入21世紀，百色、龍灘、小灣、構皮灘、溪落渡等特大型水電站陸續(xù)開工，標志著我國的水電建設進入了有史以來的鼎盛時期。而這些工程無一例外地均采用人工砂石料作為砼骨料，以30多年的生產實踐和取得的技術成果為基礎，我國的人工砂石技術由此進入了快速創(chuàng)新的時代并得以廣泛的應用。國際先進技術與我國豐富實踐經驗的有機結合，使我國的人工砂石技術達到了、甚至在有些方面創(chuàng)造了世界一流水平。

粗、中、細三段破碎＋制砂機是我國沿用了幾十年的砂石生產工藝模式，至今，與時代發(fā)展相適應的新的砂石系統(tǒng)設計理念已經形成，并因其具有良好的技術性、經濟性而得以推廣應用。這種新的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，破碎機制砂和棒磨制砂結合，不但可提高成品料質量，極大的減少單位產品的耗鋼量、降低加工成本，而且可簡化生產工藝，減少制砂耗水量及相應的廢水量的排放，有利于環(huán)保。

第二節(jié) 產品生產工藝特點或流程

工藝流程結構是整個加工系統(tǒng)的關鍵，它直接影響著人工砂石加工系統(tǒng)的投資、生產成本、砂石骨料質量及主體工程的順利進行與否。

工藝流程結構不僅和給料粒度，產品細度、級配和粒形有關，而且還和巖性、破碎機性能、生產規(guī)模等因素相關聯(lián)。

目前在水利水電工程人工砂石加工系統(tǒng)中，生產工藝一般有二段破碎加制砂、三段破碎加制砂，其中又有二次篩分、三次篩分、四次篩分、骨料洗泥、骨料整形等。

1、生產工藝流程確定的主要因素和原則

生產工藝流程的確定應充分考慮加工系統(tǒng)的原始條件，工藝的可靠性、先進性、成熟性、簡捷性、經濟性及主要破碎設備的先進性、匹配性等。盡量減少物料的破碎段數(shù)、運輸環(huán)節(jié)，這有利于簡化生產工藝。

根據(jù)加工系統(tǒng)的處理規(guī)模、巖石巖性、混凝土級配、成品骨料質量要求等，生產工藝有多種選擇，但選擇的生產工藝必須適合其工程項目。

（1）破碎比。

破碎比的定義為入破粒度對產品粒度的比值，它是確定破碎段數(shù)的主要因素，一般而言，破碎給料粒度越大，產品粒度要求越細，破碎段數(shù)越多。

雖然破碎比是確定破碎段數(shù)的主要因素，然而生產規(guī)模、設備性能和巖石巖性也有重要影響。

（2）生產規(guī)模。

人工砂石加工系統(tǒng)規(guī)模越大，可供選用的設備型號越多，能夠滿足生產要求的工藝配置方案也越多。若有多種滿足要求的生產工藝可供選擇，必須通過技術、經濟比較后確定。人工砂石加工系統(tǒng)規(guī)模越小，可供選用的設備型號越少，能夠滿足生產要求的工藝配置方案也不多。

人工砂石加工系統(tǒng)規(guī)模大，通過技術、經濟比較后確定最優(yōu)方案，不僅可以節(jié)省投資，而且可以降低生產成本，經濟效益往往十分可觀。

人工砂石加工系統(tǒng)規(guī)模小時，經濟因素比重將降低，如何簡化流程將變成首要考慮的課題。

（3）產品粒形要求。

對于一些對粒形有特殊要求的情況，即使破碎比已達到要求，但粒形仍不合符要求，往往需要進行整形，從而影響流程結構。

不同的破碎機生產的產品粒形是有差別的，例如旋回破碎機、液壓圓錐破碎機和反擊式破碎機破碎產品中方圓粒含量較高，而石打石立軸沖擊式破碎機產品中方圓粒含量最高。

產品粒形不僅和破碎機性能有關，而且和巖石巖性有關。粒狀晶結構的巖石容易生產方狀石料，而層狀晶結構的巖石容易生產片狀石料。

（4）破碎設備性能。

破碎機結構往往直接影響破碎流程結構和產品粒度組成，例如HP型圓錐破碎機和反擊式破碎機有較高的破碎比，可以減少破碎段數(shù)。

旋回破碎機、液壓圓錐破碎機和反擊式破碎機破碎產品中方圓粒含量較高，而石打石沖擊式破碎機產品中方圓粒含量最高。

（5）巖石巖性。

巖石晶形結構和硬度是影響破碎工藝流程結構和設備選型的重要因素之一。粒狀晶結構的巖石容易生產方狀石料，而層狀晶結構的巖石容易生產片狀石料。

硬度較大的巖石不容易破碎，需要選用破碎力大的破碎設備。而硬度較小的巖石容易破碎，可以選用反擊式破碎機來破碎。

2、主要破碎設備選型

（1）一次破碎。

砂石加工系統(tǒng)的處理規(guī)模、巖石巖性和給料粒度決定一次破碎的設備選型。一次破碎一般都為開路生產，處理料場來料。常用的一次破碎設備有：旋回破碎機、顎式破碎機、反擊式破碎機。

旋回破碎機：運行平穩(wěn)、給料順暢、進料粒徑和處理能力都大、適應任何巖石、產品粒形好，基礎工程量大，一次性投資較高，但當砂石加工系統(tǒng)的處理規(guī)模達到或超過1200t/h時，選用旋回破碎機作一次破碎，可以減少設備安裝數(shù)量，簡化流程，同時一次破碎車間的一次性投資也不高。

對于處理規(guī)模較大的加工系統(tǒng)，為了保證生產的連續(xù)性、可靠性、成品骨料質量，一次破碎應該選用旋回破碎機，并能降低后續(xù)破碎的負荷，減少后續(xù)破碎的投資。加工系統(tǒng)處理規(guī)模越大，越能充分體現(xiàn)旋回破碎機的優(yōu)越性。

一次破碎選用旋回破碎機的生產實例

顎式破碎機：適應任何巖石、但處理能力較小。給料環(huán)節(jié)多、易卡料、排料粒徑大、產品粒形差、針片狀含量高。但當砂石加工系統(tǒng)的處理規(guī)模小于800t/h時，選用鄂式破碎機作一次破碎，可以節(jié)省投資。

對于處理規(guī)模較小的加工系統(tǒng)，如果骨料質量要求不甚嚴格，可選用顎式破碎機。顎式破碎機破碎比小，會增加下段破碎的負荷，因產品粒形差，在后續(xù)工藝上需采用整形來獲得合格的成品砂石骨料。

一次破碎選用鄂式破碎機的生產實例

反擊式破碎機：基礎工程量較小、破碎比大、產品粒形好、一次性投資低，但只適合破碎石灰?guī)r、大理巖等中硬物料以下、磨蝕性低的巖石。

對于處理中硬以下、低磨蝕性巖石的加工系統(tǒng)，如破碎物料為石灰?guī)r、大理巖等低抗壓強度、低磨蝕性的巖石，應選用反擊式破碎機。

反擊式破碎機的破碎比大，加工系統(tǒng)可采用二段破碎，大大簡化加工系統(tǒng)工藝，減少加工系統(tǒng)的投資。

（2）二次破碎和三次破碎。

二次破碎和三次破碎一般采用閉路工藝。常用的二次和三次破碎設備有反擊式破碎機和圓錐破碎機。圓錐破碎機又有單缸和多缸二種系列。

反擊式破碎機的破碎比大、產品粒形好，在破碎石灰?guī)r、大理巖等低抗壓強度、低磨蝕性的巖石時，有其獨特的優(yōu)勢。特別是進料粒度較大，破碎比高的特點，可以采用二段破碎，簡化工藝。

選用反擊式破碎機二段破碎的生產實例

多缸圓錐破碎機的破碎力、破碎比都大，排料調節(jié)范圍寬，在調整產品級配上有較大的靈活性。在性能、破碎產品質量上都優(yōu)于單缸圓錐破碎機。HP型多缸圓錐破碎機在三峽工程體現(xiàn)出無以倫比的高性能。小灣水電站為世界第一高拱壩，為了保證混凝土質量，孔雀溝砂石系統(tǒng)三次破碎采用高性能HP500圓錐破碎機，生產高品質的中小石。

利用多缸圓錐破碎機破碎比高的特點，采用二段破碎工藝，從而簡化加工工藝。例如：瀑布溝水電站左岸砂石加工系統(tǒng)，采用HP300多缸圓錐破碎機作二次破碎來破碎花崗巖，使加工系統(tǒng)只有二段破碎，并減少了系統(tǒng)的投資。

（3）制砂。

人工砂生產工藝一般有濕法和干法兩大類，但目前國內水利水電工程人工砂的生產常用的還是濕法生產工藝。常用立軸沖擊式破碎機和棒磨機兩種設備來生產成品砂。

立軸沖擊式破碎機：生產效率高、砂顆粒粒形好、運行成本低、土建及安裝工程量小，且能對中小石進行整形。但砂的細度模數(shù)一般在3.2左右（排料皮帶，成品砂需用篩網(wǎng)來控制），砂級配不甚理想，中間級別偏低，需閉路生產。

棒磨機：砂的細度模數(shù)容易調整（在實際生產中可做到FM=2.4～3.0的范圍內來調節(jié)生產）、砂級配好、生產穩(wěn)定，但生產效率低、運行成本高、土建及安裝工程量大。

因此，在對成品砂質量要求高的工程項目，常采用立軸沖擊式破碎機與棒磨機聯(lián)合制砂的工藝，在工藝中棒磨機主要起調節(jié)作用，生產中砂和細砂。兩種設備生產的砂摻和在一起，從而使成品砂的級配組成趨于更合理，提高了成品砂的質量。此制砂工藝從三峽工程開始至今已近10年，在水利水電工程上得到了廣泛的應用，目前已是很成熟的制砂工藝。

立軸沖擊式破碎機和棒磨機聯(lián)合制砂工藝的應用實例

立軸沖擊式破碎機的破碎機理使其產品顆粒粒形優(yōu)良，多呈立方體，對破碎物料能進行整形。利用這一特點，可實現(xiàn)制砂的同時，從立軸沖擊式破碎機產品中分出成品中小石，中小石的針片狀含量遠遠低于15%，從而提高了成品中小石的質量。此工藝在小灣水電站、溪洛渡水電站、三板溪水電站等工程得到很好的應用。

一些對成品砂要求不高、混凝土總量低、臨建用混凝土的項目，只采用立軸沖擊式破碎機來生產砂。例如：瀑布溝水電站左岸加工系統(tǒng)、構皮灘水電站馬鞍山加工系統(tǒng)等。

濕法生產，存在細砂和石粉流失的問題，在很多項目中實測表明，流失的砂和成品砂的比例為0.3：1左右，甚至還更高，成品砂中石粉含量偏低。為了保證成品砂的質量，在工藝中設置了細砂、石粉回收裝置，這在中大型加工系統(tǒng)中得到廣泛應用。據(jù)考證，實際運行效果并不理想，設備使用條件苛刻、投入費用和運行成本高。

國家對環(huán)保的要求越來越嚴格，系統(tǒng)廢水不達標不能排放。為了成品砂的質量和環(huán)保要求，細砂和石粉必需回收，但采用怎樣的工藝和設備來得到一個較為理想的回收效果，還需進一步 研究 、探索。

隨著RCC工程項目的不斷增多，采用何種工藝來生產成品砂是我們面臨的一個課題，因RCC砂的石粉含量要求17±2%左右。如采用濕法生產，雖然成品砂的質量較好，但石粉含量偏低，且石粉回收效果不理想。如采用干法生產：成品砂中的石粉含量得到了保障，細度模數(shù)能用篩網(wǎng)孔徑來控制，但因立軸沖擊式破碎機的破碎機理，造成其產品砂級配不甚理想，中間級別偏低。

干法工藝生產的成品砂能否滿足RCC和常態(tài)砼的規(guī)范要求，還需作進一步 研究 、探索。白色水利樞紐工程、索風營水電站在這方面作出了嘗試，其主體工程大壩以RCC為主，砂石加工系統(tǒng)分別采用4臺、2臺立軸沖擊式破碎機干法生產成品砂。結果如何，還有待于專家們的進一步考證。

干法制砂工藝的總體投入、運行成本低，并且與濕法相比，用水量大大降低（濕法生產：每生產1m3成品砂需耗4m3左右的水），同時廢水的處理也大大降低，不需要石粉回收系統(tǒng)。但怎樣才能很好地解決干法制砂存在的問題。這是有侍進一步 研究 的問題。

美卓礦機有限公司在國外已應用多年的V7干法制砂系統(tǒng)，解決了干法生產存在的問題。成品砂的細度模數(shù)、級配、石粉含量可人為控制，沒有粉塵的排放，且可加入一定的含水，使成品砂在運輸?shù)倪^程中不易發(fā)生分離、揚塵。

3、篩分設備選型

一個好的并且有效的砂石料生產系統(tǒng)，不僅應該有好的合適的破碎設備，而且還應該有好的合適的篩分設備。為了使成品砂的細度模數(shù)、石粉含量合符要求，并且流程結構合理，篩分設備的正確選型也是十分重要的。

正如前面在破碎設備所論述的，任何只用破碎設備的砂石加工系統(tǒng)都不可能按所需要的比例進行砂石料生產。只有破碎機和篩分設備配合使用，才能有效地按所需要的比例進行砂石料生產。

篩分設備有許多型號和規(guī)格，正確選用篩分設備型號和規(guī)格，并和破碎機匹配，可以提高破碎設備的生產能力，并節(jié)省投資和生產成本。例如，在大規(guī)模砂石料生產系統(tǒng)，配用大型香蕉篩，可以減少篩子使用臺數(shù)，簡化流程。

篩網(wǎng)材質的選擇，不僅關系到篩網(wǎng)的使用壽命，而且還關系到篩網(wǎng)開孔率和篩分效率。鋼絲篩網(wǎng)開孔率和篩分效率都較高，但使用壽命非常短，而樹脂篩網(wǎng)開孔率和篩分效率都較低，但使用壽命非常長。

4、輔助設施和自動控制

破碎設備生產效率的發(fā)揮不僅和篩分設備的匹配有關，而且還和料倉大小和給料設備選型密切相關。例如，實倉設計不夠，很難保證破碎機連續(xù)、穩(wěn)定和滿負荷生產。

自動化控制不僅可以使破碎設備處于最佳運行和自我保護狀態(tài)，而且還可以和給料設備連鎖，使破碎機總是處于滿負荷運行。實踐經驗表明，加和不加自動化控制系統(tǒng)，可以使破碎機的效率相差20%～30%。

總之，選擇一個運行可靠、技術先進、經濟合理的砂石料生產工藝是一項復雜的系統(tǒng)工程設計，不僅要考慮給料粒度，成品骨料的要求、巖石巖性等，而且還要對破碎設備，篩分設備，輔助設施進行合理匹配，同時還要選用自動化控制系統(tǒng)。

每個工程項目都有其自身特點，從而也就決定了具有不同的生產工藝。計算機技術的推廣應用，使得我們能夠非常容易地對每一項目進行多方案技術經濟比較，從中選出最合理的工藝生產流程和設備設施配置。

水利水電工程經過幾十年的生產實踐，在砂石料加工系統(tǒng)工藝方面積累了很多保貴的經驗，也有不少的教訓。可以說目前常用的生產工藝和設備配置已較成熟，但制砂工藝還需進一步完善和發(fā)展。

第三節(jié) 國內外生產技術發(fā)展趨勢 分析

人工制砂設備（機制砂設備）和工藝技術是控制人工砂質量和生產成本的關鍵因素。各個制砂機采用不同工作原理，以棒磨式制砂機為制砂設備的工藝方法，在我國已經有相當長的歷史，一直在我國水利工程建筑人工制砂領域占主導地位。棒磨式制砂機制砂，相對其他制砂機投資大，設備運行成本高，比新型制砂設備要高出30%，且制砂過程產生大量污水需要處理，容易對環(huán)境產生污染。隨著新型制砂設備和工藝技術的發(fā)展，以"石打石"制砂機為代表的新一代制砂設備，使人工砂生產技術產生了質的飛躍。其產品粒形好，質量容易控制，成品砂單價低。近年來在水利工程逐漸得到了推廣和應用，并取得了顯著的工程效益。通過對國內外建筑、水利工程人工制砂技術實踐的總結與探索，人工制砂生產實踐中存在的問題和改進措施，總結出今后人工制砂技術的發(fā)展方向。沖擊式制砂機將成為人工制砂設備的發(fā)展趨勢。

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