高品質環(huán)保型樓站式機制砂生產系統(tǒng)技術應用

高品質環(huán)保型樓站式機制砂生產系統(tǒng)技術應用  

王懷昆楊安民  

上海山美環(huán)保裝備股份有限公司  

摘要：樓站式機制砂生產系統(tǒng)是一種集成化、模塊化、環(huán)保型的成套設備機組主要用來生產高品質機制砂和干拌砂漿原料。樓站式機制砂系統(tǒng)可以視作一條完整的生產線，其中主要由破碎系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、選粉系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)組成，這些分支系統(tǒng)缺一不可。另外，通過模塊化的方式利用整體流程的特點將所有設備及系統(tǒng)立體化的安裝在樓式主鋼架上，外封裝可采用隔音效果好的材料亦可采用價格低廉的彩鋼板。其中如何采用科學的破碎、選粉、篩分系統(tǒng)配置才能做出符合相關標準要求的產品，減少功率損耗及優(yōu)化設計，本文做了一些分析。  

關鍵詞：破碎系統(tǒng)、選粉系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)、優(yōu)化設計  

引言  

自改革開放以來，中國作為人口大國基建建設一直處于高速發(fā)展，從早期的柏油馬路到今天的縱橫高鐵，從早期的紅磚瓦房到今天的高樓林立，每年所使用的砂石骨料量從千萬噸/年一直攀升到現(xiàn)在的百億噸/年，并且隨著建筑標準的提高，對施工的原材料的品質標準也在提高，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%，可以說直接關系到混凝土的質量。

上個世紀90年代以前，國內幾乎沒有人工制砂，所有砂源均來自天然河砂，大量的河砂采挖導致河提破壞、水土流失嚴重、安全事故繁多，并且河沙中含有大量的泥和其他有機雜質，洗砂更是污染水資源。河砂表面光滑，流動性好，但和易性差。90年代末有部分廠家從國外引進了人工機制砂技術，制砂設備應運而生，最終經過不斷生產試驗和淘汰，最終制砂設備采用巴馬克技術的立軸式沖擊式破碎機（簡稱立破），此種破碎機生產出來的機制砂成多面立方體，無論是抗壓性還是和易性均表現(xiàn)優(yōu)異。盡管如此，在整個骨料行業(yè)中，河砂依然占有主導地位，經過個人多年的考察和學習發(fā)現(xiàn)主要原因在于機制砂級配的不合理性導致的。

近幾年來，習近平總書記再次提出綠水青山就是金山銀山，各地政府紛紛響應，嚴抓嚴打，堅決禁止河砂采挖，甚至有些省份禁止混凝土站使用河砂，從根本上杜絕河砂采挖，而骨料生產作業(yè)的環(huán)保要求也從以前的50mg/m3排放標準提高到20-25mg/m3排放標準，在此形勢下，一種能夠生產出精品砂、集成化、環(huán)?；?、自動化樓站式機制砂生產系統(tǒng)應運而生。  

一、制砂工藝對比及改進  

按照早期的工藝，一般是來料（40mm-0mm連續(xù)級配）通過喂料設備再經由皮帶機輸送至立軸沖擊破進行破碎，破碎后的物料再經由皮帶機輸送至篩子（篩網規(guī)格為5×5方形孔）篩分，篩上物料再經由皮帶機返回至立軸沖擊破，從而使篩子與立破形成閉路循環(huán)的生產模式，篩網篩下料即作為4.75-0mm的機制砂產出。流程見圖1-1  

經過篩分檢驗此工藝的做出來的機制砂（表1.1）對比GB/T14684-2011中2區(qū)砂（表1.2）分析結果如下：  

1）4.75-2.36mm占比達到32-37%，而國標2區(qū)砂要求是15%左右，所以偏多；  

2）2.36-1.18mm占比達到15-18%，而國標2區(qū)砂要求,10-25%，稍微偏少；  

3）1.18-0.6mm占比達到18-20%，而國標2區(qū)砂要求是20-31%，所以偏少  

4）0.1-0mm石粉占比達到15-20%，而參考標準得到石粉含量應控制在10%以內，超標的石粉將會導致混凝土用水量增加，從而影響混凝土強度。通過以上數(shù)據(jù)所得普通機制砂級配偏粗，含粉量超標。  

首先，從工藝上著手，考慮到破碎機的破碎結果是隨機的，每種區(qū)間粒度比不能依靠破碎機得到有效控制，因此可以通過后面的篩分來控制粒度區(qū)間比例。通過表數(shù)據(jù)得知粗砂偏多，而中砂和細砂都偏少，所以可以將一部分粗砂重新返回立軸沖擊破進行二次破碎，達到減少粗砂，增加中砂和細砂比例，并增加三通閥調整粗砂返回比例，使粗砂、中砂和細砂比例達到最佳。增加風力選粉裝置去除多余的石粉。工藝流程如圖1-2  

另外，選粉系統(tǒng)設計在篩分系統(tǒng)之前，有兩個好處，一方面是提前將石粉選出，可以提高下一步篩分系統(tǒng)的效率，另一方面是減少篩分物料中的含粉量有利于環(huán)保，減少除塵壓力。  

通過以上方案改造后，上海山美股份2019年承建的重慶東方希望精品樓站式機制砂生產工廠采用的此方案（圖1-3），并再次對成品做篩分檢驗并參考國標2區(qū)砂對比，數(shù)據(jù)如圖1-4：  

圖1-3  

圖1-4  

注：紅色曲線為某次成品的測試檢驗數(shù)據(jù)，綠色曲線為東方希望企業(yè)標準  

通過試驗得知，成品級配符合GB/T14684-2011中2區(qū)砂要求，達到一類砂標準。  

二、樓站式機制砂生產系統(tǒng)技術分析  

如圖2-1所示，樓站式機制砂生產系統(tǒng)主要包括給料、破碎與機制砂整形、級配調整、篩分、砂粉分離、粉塵收集、輸送、電氣控制、拌濕等工作模塊，其工藝根據(jù)來料的不同使得工藝順序發(fā)生變化，一般情況下先破碎再選粉、篩分。  

圖2-1  

如果原料中含有大量的石粉或細骨料時，為避免過粉碎和節(jié)能起見，也可以選擇先選粉，再篩分，再破碎的工藝順序。  

樓站式機制砂生產系統(tǒng)則是根據(jù)這些主要的工藝加工順序，將所有系統(tǒng)優(yōu)化組合，從而達到安全、環(huán)保、自動化的生產目。如圖2-2：  

圖2-2  

因此主要從破碎系統(tǒng)、選粉系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)做一些技術分析。  

2.1破碎系統(tǒng)  

破碎系統(tǒng)主要由立軸沖擊破組成，在分析破碎工藝之前，首先分析制砂設備的加工原理如圖2-3：  

物料通過設備入料口進入高速旋轉的圓葉輪，圓葉輪通過離心力將物料甩向四周，物料與破碎腔內的壁板或其它下落中的物料發(fā)生碰撞，形成破碎，破碎后部分物料也會形成反射，重新碰撞到高速旋轉的圓葉輪護邊上或再次與其它物料發(fā)生碰撞形成二次破碎，循環(huán)往復，直至被拋擲物料動能不足，以自由落體的方式通過設備出料口。  

由此可見，設備的轉速是恒定的，圓葉輪的線速度也是恒定的，由于來料體積、質量不同，所產生的動能和最終破碎效果也不同。  

假設某一現(xiàn)場，石質為石灰石，密度為1.6g/cm3，待破碎石子粒徑為10-30mm，抗壓強度一定。從立軸沖擊破的原理得知，物料被破碎的能量即動能：  

Eκ=1/2.M.V2（Eκ=物料被破碎的臨界能量值）式1  

M=p.v（p=物料密度）  

忽略摩擦阻力，當物料在循環(huán)生產中，體積不斷變小，所以M值也在不斷變小，最終：  

（p．v1）.M1=E1＜Eκ式2  

此時被拋擲的物料已經不能獲得足夠的動能，物料質量越小所獲得的動能越小，得到破碎效果越差，甚至有些物料已經不能通過碰撞而被破碎或達到破碎效果，更多的時候是與其它物料或壁板產生研磨，從而增加循環(huán)量，增加出粉率。  

由式1和式2得知，當物料粒徑不變時，M值不變，提高圓葉輪線速度V值，動能變大，或者M值變大時，動能變大，反之變小。基于此我公司通過多次試驗得出石料粒徑與葉輪線速度的關系：見圖2-4  

但是通過實驗得知如果線速度過高，對于規(guī)格較大的物料也會產生過粉碎的現(xiàn)象，從而產生不必要的原料損耗和設備磨損。  

通過立軸沖擊破設備工作原理得知，其工作方式是開路式生產，物料的被破碎效果是隨機的，而且由于來料級配不同導致的破碎效果并不能達到理性的結果，相反還會造成物料的成粉率增加，設備處理循環(huán)量增加，電耗增加，因此得到以下結論：  

1）對于來料規(guī)格較大、級配偏粗、破碎比較高的破碎工藝，應采用多級破碎，采用低線速的立軸沖擊破和高線速的立軸沖擊破串聯(lián)的方式進行破碎，比如可采用葉輪線速度70m/S的立軸沖擊破作初級破碎，將物料破碎至7-8mm以下，將初級破碎后的物料中超過4.75mm的物料篩出進入到下一個葉輪線速度80m/S的立軸沖擊破進行破碎。  

2）考慮到兩臺立軸沖擊破的處理量是不同的，所以可以考慮低線速的立軸沖擊破和高線速度的立軸沖擊破采用一大一小的方式，從而降低采購成本。  

3）對于來料較小，破碎比不超過1:10的工藝，則不需要采用雙立軸沖擊破串聯(lián)工藝，比如來料小于10mm的尾礦制砂工藝則直接采用一臺高線速立軸沖擊破即可。  

2.2選粉系統(tǒng)  

通過上述得知一般制砂工藝所生產的產品除了級配偏粗之外，還有含粉量超標問題，即使在采用了合理的破碎方案之后，雖然減少了功耗和出粉率，但是并不能完全得到控制，因為不同的物料的易碎性是不同的，而破碎也是隨機的，所以最終產品很難控制含粉率，因此需要對最終產品進行石粉分離，控制石粉含量，是產品符合GB/T14684-2011，即0-0.075mm≤10%。  

初步考慮設計一種風選裝置，如圖2-5：  

其原理是使物料通過一個振動給料裝置將其均勻散開，在下落過程中形成“瀑布”狀料帶進入沉降室，此時在沉降室的左下方設置一個正壓鼓風裝置，這個裝置是由風機和吹風嘴組成，風機的風經過吹風嘴變成一個與料帶寬度相當?shù)恼龎簹饬鞔┻^料帶，將料帶中的細粉吹離料帶，此時，在料帶和細粉之間設置一個可以移動粒度調節(jié)板，將被吹出細粉與下落料帶隔開，在箱體的右上方設計一個負壓為500Pa的收風口并與除塵器管道相連，使被吹離的細粉顆粒被來自除塵器的負壓風帶走。由于細粉中顆粒大小不同，所以被吹離的距離也不同，所以在調試階段可以通過調整隔板及風機轉速控制細粉的含量。  

2.3沉降室的初步設計  

根據(jù)使用經驗得知每立方風量對石粉處理能力是200g/m3,假設每小時100t的制砂生產線中的含粉率為15%，根據(jù)制砂標準要求需要將含粉率控制到10%，那么每小時需要選出的石粉為5t。  

以此計算風量：Q=5×103/0.2Kg/m3=25000m3/h式1  

假設環(huán)境溫度為20℃，此時空氣密度為ρ=1.205Kg/m3，空氣粘度指數(shù)μ=0.0185×10﹣3Pa.s，所有粉顆粒為近似圓球。由料帶寬度得知沉降室的寬度B，已知沉降的臨界顆粒直徑dp為0.075mm，密度為2.6g/m3，通過Allen公式計算臨界沉降速度u：  

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

沉降時間：t1=H/u式3  

水平運動時間：t2=L/V式4  

滿足分離條件為：L/V≧H/u式5  

注：L為隔板到入料口的水平距離  

H為沉降室高度  

V為顆粒水平運動速度  

通過以上簡單計算初步確定沉降室的基本尺寸，由于考慮到實際生產中顆粒沉降過程中受到壁效應、顆粒之間的干擾沉降的客觀因素的影響，因此需要通過實驗不斷調整粒度調節(jié)板確定最佳分離效果，并通過圖解法優(yōu)化設計。最終產品如圖2-6 

圖2-6  

2.4篩分系統(tǒng)  

通過多年的發(fā)展，目前砂石骨料系統(tǒng)中應用篩分設備有圓振動篩、三軸橢圓振動篩、概率篩、高頻篩等。概率篩篩分效率較一般篩分機高，但由于其規(guī)格一般偏小，因此在骨料系統(tǒng)中應用率并不高。高頻篩主要用來篩分細級物料，比較適合篩分機制砂，在部分水電骨料系統(tǒng)有應用，但由于目前國內技術不成熟，主要還是依靠國外進口品牌，價格較高，因此應用率比較低。圓振動篩主要分為軸偏心和塊偏心兩種，目前主要以塊偏心為主，這種篩子價格便宜，型號種類豐富，篩分率較高，因此應用最為普遍。三軸橢圓篩是近幾年從國外引進一種水平安裝的篩分設備，其特點是安裝高度低，篩分效果比圓振動篩好，目前國內最大型號是2.4m×6m，適用于150t/h的制砂生產線，價格較圓振動篩稍高，處于中端水平。  

由于樓站式機制砂生產系統(tǒng)是根據(jù)制砂工藝特點，利用高度空間集成化設計的一種成套的精品制砂生產系統(tǒng)，所以在設計時除了考慮單機設備的采購成本，也需要考慮空間的利用率，避免結構件成本的增加。如圖2-7和2-8所示，兩圖中樓站式機制砂生產系統(tǒng)均為同等產量的制砂系統(tǒng)，分別采用了圓振動篩和橢圓篩做篩分系統(tǒng)，盡管橢圓篩的采購成本高于圓振動篩，但是由于圓振動篩為傾斜安裝（傾斜角度為17o~20o），而橢圓篩為水平安裝，因此采用橢圓篩的制砂樓高度相對于采用圓振動篩的制砂樓高度節(jié)省了3.5m，不但節(jié)省了主體鋼架的成本還降低了提升機高度、外封裝成本、其它收塵管件等成本，綜合考慮2-8中的橢圓篩所組成的制砂樓性價比更高。  

圖2-7 

圖2-8  

另外其他廠家樓站式機制砂生產系統(tǒng)也有采用高頻篩，高頻篩也屬于水平安裝，細料篩分效率很高，篩子體積小，但是由于國內技術不成熟，如果采用進口產品，采購成本比較高，因此為了節(jié)省成本起見，可以利用篩子和篩子上方的密封罩設計一個沉降室，進料口設計散料裝置，在沉降室一端安裝鼓風機，另一端設計負壓抽風口，既可以為篩子除塵，亦可以分離多余的石粉，如此相當于將篩分系統(tǒng)和選粉合二為一，鼓風機工作時，風向與篩面方向一致，可以提前將細砂、中砂和粗砂在篩面上由遠至近的吹開，減少顆粒間互相干擾的因素，提高篩分效率。  

三、樓站式機制砂生產系統(tǒng)結構的優(yōu)化設計  

樓站式機制砂生產系統(tǒng)主體結構主要是由鋼構組成，因此結構的優(yōu)化設計可以節(jié)省大量的鋼構重量，從而節(jié)約制造成本。通常情況下，結構設計后期可以通過計算機三維軟件設計完成，并通過有限元分析進一步檢驗計算和結構優(yōu)化，除此之外也可以通過另外兩個方面來進行初始的方案優(yōu)化：工作流程的優(yōu)化和型材的選用。  

3.1工作流程的優(yōu)化設計  

如圖3-1所示，通常情況下，整個系統(tǒng)第一步是破碎，然后是選粉和篩分，由于樓站式機制砂生產系統(tǒng)是自上而下的立體空間的擺放，考慮到物料受自身重力的影響，最初設計時考慮在符合工藝順序的前提下將破碎、選粉、篩分由上到下的擺放，即立軸沖擊式破碎機在最高一層，從上往下依次是選粉和篩分，事實上國內最初的樓站式機制砂生產系統(tǒng)設計就是如此，通過某現(xiàn)場照片（圖3-1），可以看到其工作過程是：首先原料通過皮帶機輸送至樓旁的斗式提升機，通過提升機將物料送立軸沖擊式破碎機，破碎后的物料進入選粉設備，再進入下一層的振動篩，返回物料通過振動篩的出料端的溜槽重新進入斗提和立軸沖擊式破碎機循環(huán)破碎。  

圖3-1  

在所有設備中立軸沖擊式破碎機的重量最重，而立軸沖擊式破碎機卻處于樓體的最高處，在最終設計結論中發(fā)現(xiàn)，其中主樓架鋼構的重量非常大，鋼結構成本占到項目總成本的1/3以上?；诖耍O想將立軸沖擊式破碎機放置在樓站式機制砂生產系統(tǒng)的最底層（圖片參考3-2），其工作過程改為：首先，原料通過皮帶機直接輸送至樓底層的立軸沖擊式破碎機，破碎后的物料則通過立軸沖擊式破碎機底部的出料皮帶輸送至樓旁的斗式提升機，通過提升機將破碎后的物料送至選粉設備和振動篩，返回物料仍通過振動篩的出料端的溜槽重新進入立軸沖擊式破碎機循環(huán)破碎。通過對比，改后方案仍符合工藝流程，相對于破碎機安裝在頂層的方案，此方案僅僅增加了一條7-8m的水平皮帶輸送機（破碎機底部出料皮帶），但是由于主樓架鋼構重量的減輕，使得總成本下降許多。  

3.2型材選用  

一般處于設計的方便，更多設計者傾向采用“H”型鋼和矩形管作為樓體鋼構主材，然而從節(jié)省成本的角度考慮，通過計算機相關設計軟件分析，在同等受力條件下，采用無縫鋼管設計的結構可以使樓體重量相對于其它型材的樓體減少將近25%的重量。因為發(fā)現(xiàn)，在重量和規(guī)格接近的情況下，圓管型材的受力條件比其它型材更好。事實上，這種設計思路并非先例，為了降低成本，使用無縫鋼管的結構在皮帶機廊道設計中早有應用。圖3-2和圖3-3分別為采用無縫鋼管設計的樓站式機制砂生產系統(tǒng)和皮帶機廊道。  

四、結論  

樓站式機制砂生產系統(tǒng)本身就是一條集成式機制砂生產線，應當根據(jù)不同供料和現(xiàn)場情況，設計出合理的破碎系統(tǒng)、選粉系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)，而在整個生產工藝設計中，這些系統(tǒng)的組合也應該視原料條件，靈活結合和排序。比如原料本身就有部分砂子和石粉，那么就可以使原料先進入選粉和篩分系統(tǒng)，再進入破碎。有針對性工藝才是最合理的工藝。同時設計者應當拓寬思路，多參考和關注其它相關行業(yè)類似產品設計，探討出更節(jié)省的生產成本方案。  

參考文獻：  

[1]建筑用砂國家標準GB/T14684-2011  

[2]李永杰、毛鐵牛.立軸式沖擊破碎機制砂工藝與研究.貴州水利發(fā)電2008  

[3]張兆順、崔桂香.流體力學第三版