隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人工骨料在水電工程中的應(yīng)用日趨廣泛，原料巖性亦呈現(xiàn)多樣化。由于人工砂級(jí)配、石粉含量、含水量及粒形指標(biāo)對(duì)混凝土質(zhì)量均有重要影響，且成品砂獲得率直接決定著人工骨料的加工成本，制砂成為人工骨料加工系統(tǒng)中最為重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的標(biāo)志。傳統(tǒng)的人工制砂設(shè)備是棒磨機(jī)，該設(shè)備存在著鋼耗、能耗、水耗大，土建量大，生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。自上世紀(jì)90年代以后，我國(guó)水電行業(yè)開(kāi)始嘗試采用立軸破制砂，并逐步掌握了該種設(shè)備制砂的一些規(guī)律。目前，立軸破已成為人工骨料系統(tǒng)中制砂的主力設(shè)備，但這并不能掩蓋該種設(shè)備制砂存在的缺陷及問(wèn)題，需要對(duì)其制砂的規(guī)律及提高制砂效果的措施作進(jìn)一步的研究，以提高人工制砂的技術(shù)性及經(jīng)濟(jì)性。
1、立軸破制砂原理與工作模式
1.1立軸破工作模式
立軸破上世紀(jì)70年代源于新西蘭，80年代在國(guó)外逐步推廣．90年代初國(guó)內(nèi)推出類似機(jī)型。目前，進(jìn)口立軸破主要有BfumacB系列、Ⅵ系列以及VSIRP系列，國(guó)產(chǎn)立軸破主要為PL系列。其工作模式已有最初的“閉式轉(zhuǎn)子+石打石”單一模式發(fā)展為多種工作模式，包括“閉式轉(zhuǎn)子+石打鐵”、“開(kāi)式轉(zhuǎn)子+石打鐵”、“開(kāi)式轉(zhuǎn)子+石打石”等，另外，又有雙料流與單料流之分。這些模式最主要的區(qū)別在于破碎腔內(nèi)是否安放砧鐵。此處僅以雙料流、“閉式轉(zhuǎn)子+石打石”型來(lái)說(shuō)明立軸破的制砂原理。
1.2立軸破制砂原理
立軸破的結(jié)構(gòu)及各部分的作用見(jiàn)圖l。石料從立軸破的頂部進(jìn)入，通過(guò)分料控制器控制中心料流與瀑落料流的比例，中心料流進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(線速度50.85 m/s)，并從轉(zhuǎn)子四周的拋料口高速甩出，在破碎腔內(nèi)與瀑落料流匯合、碰撞，即進(jìn)行石打石破碎，拋出的物料顆粒以恒定云狀繞破碎腔旋轉(zhuǎn)，與破碎腔四周的料床持續(xù)石打石破碎過(guò)程，約5～20 s后，逐漸失去動(dòng)能的顆�？恐亓ψ月渑懦銎扑闄C(jī)。
從上述可以看出，立軸破的整個(gè)破碎作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到多種不同的破碎機(jī)理—一沖擊、剪切、研磨、渦動(dòng)摩擦等的綜合作用，但其破碎過(guò)程始終是在物料相互間進(jìn)行的，因此，耗鋼量大大降低，且其排料的破碎比與易損件的磨損幾乎沒(méi)有關(guān)系，實(shí)際生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（線速度）。
2、立軸破制砂規(guī)律及產(chǎn)品特性
早在上世紀(jì)90年代初，小浪底工程在國(guó)內(nèi)就已首次采用國(guó)產(chǎn)PL-1000型立軸破進(jìn)行人工制砂，并進(jìn)行了系統(tǒng)的生產(chǎn)性試驗(yàn)。近年索風(fēng)營(yíng)工程采用進(jìn)口Ⅳ型立軸破進(jìn)行了類似的試驗(yàn)，兩者的試驗(yàn)成果是基本一致的。試驗(yàn)的條件是在其他參數(shù)相對(duì)固定的情況下，考察產(chǎn)砂率、砂子細(xì)度模數(shù)與進(jìn)料量、立軸破轉(zhuǎn)子線速度以及進(jìn)料含水率之間的關(guān)系。
2.1立軸破制砂規(guī)律
2.1.1產(chǎn)砂率
立軸破的產(chǎn)砂率主要和進(jìn)料量、轉(zhuǎn)子線速度有關(guān)。
在物料特性及機(jī)械參數(shù)一定的情況下，立軸破有一個(gè)最佳的進(jìn)料量，大于或小于最佳進(jìn)料量，產(chǎn)砂率均會(huì)有不同程度的降低。根據(jù)小浪底工程石英巖的試驗(yàn)成果，產(chǎn)砂率P與進(jìn)料量Q的關(guān)系可用一個(gè)一元二次多項(xiàng)式表示：P(%)=-0.001 6Q2 +0.4413Q -4.3788，Q為進(jìn)料量(t/h)，二者的關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。
產(chǎn)砂率和轉(zhuǎn)子線速度的關(guān)系為正線性相關(guān)，即產(chǎn)砂率隨轉(zhuǎn)子線速度的增大而增大。
2.1.2砂子細(xì)度模數(shù)FM
與產(chǎn)砂率類似，砂子細(xì)度模數(shù)與進(jìn)料量亦近似呈線性關(guān)系，并在進(jìn)料量達(dá)到某一定值W時(shí)，F(xiàn)M達(dá)到最大值，且此時(shí)的進(jìn)料量W略大于產(chǎn)砂率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)料量p。當(dāng)進(jìn)料量小于W時(shí)，F(xiàn)M隨進(jìn)料量的增大而增大，即二者呈正線性關(guān)系；當(dāng)進(jìn)料量大于W時(shí)．FM與進(jìn)料量呈負(fù)線性關(guān)系。
FM與轉(zhuǎn)子線速度之間始終呈負(fù)線性關(guān)系，即FM隨轉(zhuǎn)子線速度的增大而減小，但砂中石粉含量隨FM減小而增大，F(xiàn)M與石粉含量X的關(guān)系可近似用線性關(guān)系式FM=4.081 - 6.724X表示，不同的工程，上式中的系數(shù)略有差異。
2.1.3生產(chǎn)方式的影響
生產(chǎn)方式對(duì)產(chǎn)砂率有一定的影響，閉路生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)砂率有所降低。無(wú)論開(kāi)路生產(chǎn)還是閉路生產(chǎn)，對(duì)成品砂細(xì)度模數(shù)的影響不明顯。
2.1.4含水率的影響
隨著進(jìn)料含水率的增大，產(chǎn)砂率明顯降低，而砂子細(xì)度模數(shù)有所增大。這是由于物料含水率增大，破碎腔四周的“料床”自襯層及顆粒碰撞過(guò)程中產(chǎn)生了“地毯效應(yīng)”、拋出的物料顆粒的動(dòng)能被吸收而迅速衰減所致。
2.2人工砂產(chǎn)品特性
由于立軸破制砂的破碎過(guò)程是多種
破碎機(jī)理的綜合作用，每一個(gè)顆粒幾乎都經(jīng)過(guò)了多次碰撞、破碎，其產(chǎn)品粒形呈方圓形，顆粒堅(jiān)實(shí)，幾乎沒(méi)有裂隙和軟弱面。但砂子細(xì)度模數(shù)大，沖洗后由于石粉流失．FM值達(dá)3.2。3.9．屬于粗砂范疇。不經(jīng)沖洗時(shí)，F(xiàn)M值一般亦大于2.8，且石粉含量一般大于17%。對(duì)于常態(tài)混凝土而言，這與規(guī)范的要求相差甚遠(yuǎn)。
立軸破制砂其產(chǎn)品最大的缺陷是成品砂呈現(xiàn)“兩頭多，中間少”的間斷級(jí)配，2.5—5mm含量一般在32%以上，大大超出了中砂IO~25%的范圍標(biāo)準(zhǔn)，而中間級(jí)0.63·2.5mm粒級(jí)含量在20%左右，與大約40%的標(biāo)準(zhǔn)值相比，又嚴(yán)重不足。
從表l可以看出，雖然各工程所使用的立軸破型號(hào)、規(guī)格、制砂原料各異，但制砂效果總體仍然趨于上述規(guī)律，從而也說(shuō)明，立軸破制砂其產(chǎn)品特性不是個(gè)例，而是由設(shè)備的特性決定的，需要采取措施改善其產(chǎn)品質(zhì)量。
3、立軸破制砂存在的問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施
3.1設(shè)備選型問(wèn)題
立軸破有多種型號(hào)及工作模式，選型是首先要解決的問(wèn)題，必須從制砂產(chǎn)品質(zhì)量和制砂成本兩方面來(lái)權(quán)衡確定。
立軸破雖然型號(hào)眾多，但總體可分為兩大類型：雙料流型和單料流型，前者以BacB系列為代表，利用“石打石”原理破碎制砂；后者以Ⅳ系列為代表，利用“石打鐵”原理破碎制砂。B系列采用封閉式轉(zhuǎn)子，進(jìn)料粒度20一76 mm，產(chǎn)砂率30qo．40qo；Ⅳ系列一般采用開(kāi)式轉(zhuǎn)子，允許更大粒度的進(jìn)料(80～150 mm)，產(chǎn)砂率45%一55%。
顯而易見(jiàn)，由于B系列利用石打石制砂，耗鋼量低，適用于中、高磨蝕性物料；Ⅳ系列利用石打鐵制砂，耗鋼量大，適用于低磨蝕性巖石。雖然Ⅳ系列產(chǎn)砂率B系列大15%左右，但由于B系列采用雙料流進(jìn)料，進(jìn)料量比Ⅳ系列大得多，產(chǎn)砂量反而比Ⅳ系列高，且單位產(chǎn)品的鋼耗、能耗低。雖然Ⅳ系列有進(jìn)料粒度大的優(yōu)勢(shì)，但實(shí)踐表明，立軸破給料粒度大于55 mm時(shí)，易損件磨損加劇，且易堵塞，設(shè)備損壞的情況增多，使制砂成本明顯上升，抵消了因允許進(jìn)入更大物料所帶來(lái)的益處�？紤]與整個(gè)系統(tǒng)流程匹配，立軸破的進(jìn)料粒度不宜大于40mm。
另外．B系列采用石打石破碎，物料經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的相互碰撞、摩擦，產(chǎn)品粒形較Ⅳ系列好。而且通過(guò)調(diào)整料流控制器的位置，改變中心入料與瀑落人料的比例，能方便地對(duì)產(chǎn)砂率及砂子細(xì)度模數(shù)進(jìn)行一定幅度的調(diào)整。因此，在保證進(jìn)料量要求的前提下，宜優(yōu)先選用B系列立軸破。
3.2制砂工藝問(wèn)題
制砂工藝是人工骨料系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的問(wèn)題，目前主要存在兩大爭(zhēng)論，一是主張單一采用立軸破制砂，二是主張采用立軸破與棒磨機(jī)聯(lián)合制砂。從保證產(chǎn)品質(zhì)量的角度出發(fā)，筆者贊同后者。
從前述可知，由于設(shè)備特性所致，立軸破制砂產(chǎn)品級(jí)配不連續(xù)，為“兩頭多，中間少”的間斷級(jí)配，對(duì)于常態(tài)混凝土而言，石粉含量亦超標(biāo)。根據(jù)人工砂與混凝土性能關(guān)系的研究表明，人工砂的細(xì)度模數(shù)、級(jí)配及石粉含量對(duì)混凝土水泥用量、混凝土的和易性、強(qiáng)度、抗裂性、耐久性均有密切關(guān)系。FM值越大及大于2.5mm粒級(jí)含量過(guò)大，在同樣情況下，拌和物的塑性降低、和易性差、泌水增大。而0.63～2.5 mm粒級(jí)含量過(guò)少，混凝土強(qiáng)度明顯降低，特別是對(duì)于有抗凍要求的混凝土，引氣能力嚴(yán)重降低，使混凝土耐久性惡化。要想達(dá)到同樣的效果，就必須增大水泥用量，繼而又帶來(lái)后續(xù)的溫控問(wèn)題。
由于立軸破與棒磨機(jī)制砂效果具有互補(bǔ)性，聯(lián)合制砂則可以從根本上解決上述問(wèn)題。況且1臺(tái)B9000立軸破的產(chǎn)砂量相當(dāng)于3臺(tái)MB22136棒磨機(jī)的產(chǎn)砂量，只需配置少量的棒磨機(jī)，混合砂的級(jí)配便可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)范圍。聯(lián)合制砂的成本雖然有所增加，但從水電工程的重要性、長(zhǎng)久性以及質(zhì)量第一的原則綜合考慮，還是值得的。這也正是三峽、龍灘、小灣、向家壩等巨型工程相繼采用聯(lián)合制砂工藝的原因。
3.3生產(chǎn)方式問(wèn)題
生產(chǎn)方式大體可分為閉路生產(chǎn)和開(kāi)路生產(chǎn)兩種，每種又有干法、濕法、半干法生產(chǎn)之分，目前多采用閉路生產(chǎn)。立軸破的閉路循環(huán)物料包括兩部分：主要為5~40 mm碎石料及少部分2.5~5mm粗砂。
3.3.1循環(huán)方式的選擇
根據(jù)立軸破制砂試驗(yàn)結(jié)果顯示，閉路循環(huán)時(shí)產(chǎn)砂率有所降低，能耗增大。分析其原因有二，一是經(jīng)初次破碎后，棱角較多的碎石經(jīng)過(guò)多次碰撞、摩擦后逐漸變得圓滑、堅(jiān)實(shí)；二是返回的2.5.5mm物料顆粒較小，進(jìn)一步的破碎需要更大的動(dòng)能。因此，立軸破制砂宜采用開(kāi)路方式。把系統(tǒng)中所有5～40mm碎石均進(jìn)入立軸破制砂，不但可提高產(chǎn)砂率，降低能耗，而且5~20 mm、20～40衄成品碎石經(jīng)立軸破后得到了整型，粒形優(yōu)于不經(jīng)立軸破的碎石，同時(shí)減少了立軸破前段的重復(fù)分級(jí)，篩分設(shè)備可減少，可謂一舉數(shù)得。當(dāng)然，產(chǎn)砂量不足時(shí)，可少部分二次循環(huán)制砂，但宜采用更高線速度的立軸破。
3.3.2干、濕法生產(chǎn)的選擇
干法生產(chǎn)，產(chǎn)砂量高，但粉塵污染嚴(yán)重：濕法及半干法生產(chǎn)，產(chǎn)砂率低，粉塵容易控制。需要說(shuō)明的是，立軸破由于特殊的結(jié)構(gòu)，其破碎腔能形成內(nèi)部循環(huán)氣流，即使采用干法生產(chǎn)，其本身?yè)P(yáng)塵量較小，污染主要由其他破碎車間、篩分車間及轉(zhuǎn)料點(diǎn)產(chǎn)生。而無(wú)論濕法生產(chǎn)還是半干法生產(chǎn)，均由于進(jìn)料中物料表面含有水分，在破碎過(guò)程中易產(chǎn)生“地毯效應(yīng)”使產(chǎn)砂率明顯降低。特別是當(dāng)進(jìn)料的含水率大于5%（<小于5mm物料含水率大于3%）時(shí)，產(chǎn)砂率大幅度降低（大約降低lO%～20%），且易引起堵塞，引發(fā)事故，導(dǎo)致運(yùn)行效率降低及制砂成本增大。
因此，干、濕法生產(chǎn)方式的選擇，需要從多方面綜合考慮。系統(tǒng)規(guī)模較小時(shí)，可采用于法生產(chǎn)，對(duì)主要揚(yáng)塵點(diǎn)采用灑水、噴霧降塵或封閉通風(fēng)機(jī)械除塵。但對(duì)于大規(guī)模的人工骨料系統(tǒng)，宜采用濕法生產(chǎn)，因?yàn)橐?guī)模較大時(shí)，灑水、噴霧降塵效果較差，對(duì)主要車間全部封閉除塵難度很大。再者，對(duì)于常態(tài)混凝土而言，砂中的石粉含量一般會(huì)超標(biāo)，需沖洗去掉一部分石粉及粗骨料表面的裹粉，以保證質(zhì)量。但濕法生產(chǎn)時(shí)，必須采取措施控制制砂原料中的含水量，以提高產(chǎn)砂率，并且對(duì)生產(chǎn)廢水進(jìn)行處理和回收利用。
3.4制砂原料含水率控制
立軸破制砂效果對(duì)原料的含水率非常敏感，濕法生產(chǎn)系統(tǒng)中對(duì)制砂原料含水率的控制就顯得尤為重要。原料含水量主要來(lái)自于篩分沖洗時(shí)骨料表面滯留水，因此，在立軸破之前設(shè)置調(diào)節(jié)料堆（倉(cāng)），增加倉(cāng)儲(chǔ)量（約一個(gè)班的產(chǎn)量）以延長(zhǎng)物料的脫水時(shí)間，可以有效地減少原料中的含水率，這就是所謂的先濕后半干法（半干法）制砂。
但最好的解決辦法是采取工藝措施，立軸破之前的物料不進(jìn)行沖洗，在立軸破之后對(duì)進(jìn)入成品料倉(cāng)的骨料進(jìn)行沖洗，對(duì)返回的物料則不沖洗。為便于細(xì)砂的篩分，避免堵孔，可在2.5 mm(或3nun)篩面上設(shè)沖洗水管，這樣，返回的2.5~5mm粗砂顆粒亦為干料，從根本上解決了進(jìn)料的含水率問(wèn)題。對(duì)于雨水，采用封閉進(jìn)料皮帶機(jī)及調(diào)節(jié)料堆設(shè)防雨棚解決。
3.5易損件問(wèn)題
易損件費(fèi)用在立軸破制砂成本中占有很大的比重。易損件主要為安裝于轉(zhuǎn)子拋料口的拋料頭，采用高磨蝕性的花崗巖等原料制砂時(shí)，其壽命僅150 h左右。拋料頭每副3—4塊重20 kg左右，進(jìn)口價(jià)格為0.5。0.8萬(wàn)元，價(jià)格十分昂貴，且供貨周期長(zhǎng)；由于進(jìn)口立軸破現(xiàn)已成為大型人工骨料系統(tǒng)制砂的主力設(shè)備，為保證正常運(yùn)行和降低制砂成本，進(jìn)行易損件的國(guó)產(chǎn)化研究顯得十分必要。
根據(jù)實(shí)踐表明，延長(zhǎng)拋料頭的使用壽命主要有兩條途徑，一是根據(jù)實(shí)際磨損情況調(diào)整拋料頭中鑲嵌的耐磨合金塊的角度及位置，避免其受沖擊破壞；二是根據(jù)磨料的硬度選擇適宜的合金材料，保證易損件的表面硬度大于磨料的硬度，防止易損件表面產(chǎn)生較大的犁溝磨損，同時(shí)保證足夠的韌性防止其發(fā)生疲勞破壞。目前，易損件的國(guó)產(chǎn)化研究已取得了很大的進(jìn)展，使用壽命已接近進(jìn)口件，但價(jià)格只有進(jìn)口件的30%左右，應(yīng)優(yōu)先考慮采用。
4、結(jié)語(yǔ)及建議
采用立軸破制砂，產(chǎn)砂率高，產(chǎn)品粒形好，生產(chǎn)成本低，土建及安裝工程量小。但同時(shí)也存在著成品砂細(xì)度模數(shù)大，級(jí)配不夠理想等缺點(diǎn)。本文試圖從立軸破制砂規(guī)律及其影響因素人手，對(duì)如何改進(jìn)立軸破制砂效果進(jìn)行一些有益的探討，期望通過(guò)更多的討論，使立軸破制砂達(dá)到技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保要求的統(tǒng)一，為其更為廣泛的應(yīng)用提供支持。
立軸破制砂規(guī)律雖然有著一定的相對(duì)穩(wěn)定性，但具體到某一工程又具有一定的特殊性。建議針對(duì)工程的實(shí)際條件進(jìn)行制砂試驗(yàn)，優(yōu)化組合制砂參數(shù)，找出制砂的最佳運(yùn)行參數(shù)，充分發(fā)揮立軸破的制砂效能，
