骨料精加工系統的應用及其核心技術的分析

彭建良，蘇志切，周而勤，史國成

（1. 漳州路橋翔通建材有限公司，福建 漳州 363006；2. 上海金路創展工程機械有限公司，上海 201201）

0 引言

目前作為預拌混凝土生產的重要一環——骨料的供應和質量問題已日漸突出，嚴重阻礙了行業的蓬勃發展：首先，作為不可再生資源——天然砂隨著大規模的開采已日益枯竭，許多地方政府已頒布禁令，嚴禁開采；全國范圍的缺砂，砂價不穩、質量波動大等問題已經成為常見的問題。其次，碎石加工環節，多數礦山是個體小規模經營，生產工藝技術落后，供應的碎石針片狀含量高（20%以上）、粒形差，用于大流態商品混凝土時和易性不佳、易泌水、不易泵送，也容易出現混凝土強度不合格和裂縫等質量問題，給預拌混凝土生產帶來嚴重困擾。

怎樣有效地解決這個問題呢？預拌混凝土企業不妨換一個新的思路：大家都知道具有良好的粒形和級配的碎石（稱之為精品碎石），可以配制高性能的混凝土；而優質的機制砂，具有提高混凝土性能和降低水泥用量的優點。那么商混站能否通過對那些令人頭痛的普通碎石進行再加工，獲得質量穩定的精品碎石和優質的機制砂，這既解決了碎石質量問題，也解決了天然河砂的匱乏問題，一舉兩得，何樂不為？基于這種思路，經過長期的研究和實踐，筆者從骨料精加工系統的工藝選擇及其四個核心技術進行探討分析，認為應該引進骨料精加工系統來改造攪拌站骨料上料系統，一次性解決攪拌站骨料上料工藝和控制骨料質量的問題，從而達到降低生產成本、提高泵送效率、提高混凝土質量的目的。

1 骨料精加工系統的工藝選擇

混凝土碎石的加工除巖石本身的材質因素外，對產品質量影響最大的因素突出表現在粒形和顆粒級配兩個方面。在同等材質原料的情況下，不同的破碎設備產出的碎石，粒形和級配都不同。精品碎石的加工流程設計，需要結合設備的性能，和對碎石的質量要求。混凝土攪拌站場地一般都較小，進行碎石加工，需要實現均衡生產，不能出現尾礦；混凝土的生產同時需要碎石和砂，碎石加工的生產線應該能同時得到這兩種產品；預拌混凝土攪拌站一般在城區，或者距離居民區較近，加工骨料的生產線需要考慮對周圍環境的影響。因此適合混凝土攪拌站使用要求的骨料精加工系統，應該滿足以下幾個具體要求：

1）生產線能夠同時生產出精品碎石和優質的機制砂，做到砂石聯產；

2）砂和石子的比例應該可以調節，能實現均衡生產；

3）石子和砂的級配也可以調節；

4）生產線運行時對周圍的環境影響最小。

事實上，現在許多混凝土攪拌站對機制砂的使用都有了很好的經驗，這種機制砂的生產也大都是在礦山上以濕法生產為主，即通過水洗的方式來處理碎石加工所產生的細石粉難題。一般能做到1）和3）項要求，但就是2）和4）項要求很難做到。顯然，這種工藝不適宜在攪拌站骨料上料系統，因為處理不好均衡生產和環保的問題。這就需要生產線具有均衡生產的能力，而且需要采用干法生產工藝解決環保問題。干法工藝可以將細石粉從砂粉中分離出來，用粉罐收集儲存，只有這樣，才符合攪拌站的環保問題。

筆者提出了以下的具有砂石聯產、均衡生產和解決環保問題的生產破碎工藝流程模型：

該工藝流程模型具有以下的優點：布局緊湊，可直接建在攪拌站內；級配可調，精品石料、機制砂，自產自用，質量穩定，再不用為原材料質量差、不穩定的問題頭痛；自動控制，可以和攪拌設備的聯動控制，實現均衡生產，不產生尾礦；環保，充分考慮了噪聲、大氣、固體廢棄物的影響，系統可以實行零污染、零排放。

2 骨料精加工系統核心技術分析

2.1 針片狀含量控制技術

大量的生產實踐表明，低針片狀含量（≤5%）精品碎石的主要生產設備是以沖擊破碎模式為主要工作原理的破碎設備。作為非固定礦山取材的混凝土企業，必須面對不斷變化的原材料。在做碎石精加工的時候，需要選擇適應性廣的破碎設備。立軸沖擊破碎機對原料的適應性最廣，產品粒形以近似方圓形立方多面體等優良粒形為主。系統設計主機采用巴馬克原理制造，具有整形和制砂功能的立軸沖擊破碎機。

立軸沖擊破碎機由渦動破碎腔、進料分料裝置、轉子、驅動裝置、機架等組成。石料通過可調節的給料裝置，分為中心料流和瀑落料流，中心料流進入高速回轉（線速度50～85m/s）的轉子中心，石子在轉子中被加速后受離心力作用高速拋出，與另一部分以瀑落方式分流進料的石子，在轉子周圍相碰擊而產生 “石打石”破碎，石料在相碰撞后，會在破碎腔內再次作回彈的回流運動，而形成多次“石打石”破碎（見圖2）。破碎過程,能量在物料顆粒之間傳遞,使激烈的沖擊運動轉變為相對溫和的摩擦運動。物料在多次、多方位的碰撞中，將容易折斷的石子棱角切削、打磨掉，形成形態相對穩定的方圓粒形。

2.2 生產均衡和顆粒級配調整技術

主機選擇了立軸沖擊式破碎機，需要對設備的產品粒度曲線進行一些分析。通常采用典型粒度特性曲線，該曲線是由大量的生產數據平均統計出來的（見圖3）。對比立軸沖擊式破碎機的典型粒徑曲線，和按照規范繪制的碎石級配曲線（見圖4），可以發現5～16mm粒徑范圍內的碎石超出級配區域。而大量的實際調查也可以發現，碎石廠的尾礦主要成分為“山皮”、“石粉”（5mm以下的石屑）、5～16mm小碎石等，其中5～16mm碎石在尾礦中占有極高的比例。因此在設計精品碎石的生產流程中，篩除多余的5～16mm碎石是一個很重要的環節。

骨料精加工系統設計中，在篩分設備5～16mm出料區間設置可變流量調節裝置。通過對碎石流量的調節，在生產線上即可進行摻配，使系統一次生產出符合混凝土原料要求的連續級配的碎石，建立初步的生產流程模型 （見圖5）。該流程的建立，可以生產5～25mm或者5～31.5mm的連續級配碎石，同時能得到一定比例的機制砂。

初步設計的生產流程生產的機制砂會存在一些問題：立軸沖擊破碎機的一個共性是開路生產出的砂中大于2.5mm粗顆粒和小于0.315mm的細顆粒含量偏高，細度模數過大，砂級配多數在三區，這一點可以通過對立軸沖擊破的典型粒度曲線（見圖3）和合格的機制砂粒度曲線（見圖6）進行對照分析。如只用篩分系統來調節成品砂的細度模數，則可能出現兩種現象：粗顆粒篩出過多，則產砂率下降、細度模數越小、石粉含量就越高；反之，粗顆粒篩出少，則產砂率高、細度模數越大、石粉含量越低。因此，如何找到產砂率、石粉含量和細度模數之間的平衡點，是一次篩分成形干法制砂工藝的主要難點。

分析初步生產流程的兩個問題：（1）生產的精品碎石5～16mm小碎石會超量，產生棄石；（2）生產的機制砂級配不良，0.315～2.5mm區間顆粒含量不足。兩個問題可以簡化為如何把5～16mm碎石加工成2.5mm以下顆粒的問題。將16mm以下顆粒加工成2.5mm以下顆粒，屬于細碎加工。因此選擇采用靜壓破碎理論，生產細粒產品的級配調整機。級配調整機，通過雙輥之間的擠壓將石料直接破碎，通過調整排料口的尺寸（本系統可以調整成2.5mm）控制產品粒度。級配調整機是一種采用雙輥靜壓模式工作的破碎機，它的破碎機構是一對互相平行、水平安裝在機架上的光面圓柱形輥子。雙輥工作相向旋轉，物料通過給料裝置，均勻落在轉輥的上面，物料在輥子表面摩擦力的作用下，被扯進轉輥之間，受到輥子的擠壓而破碎。破碎后的物料被轉輥推出，向下卸落。因此，破碎機是連續操作的，且有強制卸料的作用，不易堵料（見圖7）。雙輥之間的間隙可以調節（即排料口尺寸）。

級配調整機具有一次獲得所需粒度砂的巨大優勢，存在的問題是：產品的顆粒粒形不佳，針片狀含量會超標。要獲得優質的機制砂，就需要對這部分砂再進行一次整形加工，在系統的設計中，可以將這部分砂通過輸送帶返回到立軸沖擊破碎機中，利用沖擊破碎機的整形功能對這部分砂進行整形。最后和其他原料一起混合后從排料口排出，進入篩分設備篩分。這樣就可以將初步生產流程模型，完善為具有砂石聯產均衡生產能力的生產流程模型（見圖8）。

2.3 機制砂含粉量的控制技術

破碎加工過程的完善，已經可以獲得精品碎石和機制砂，但是機制砂要達到現行國家的標準還需要做一些后繼的處理。以加工石灰巖為例，經大量實測砂中<0.075mm的石粉，當細度模數大于3時，石粉含量在17%左右 ；當細度模數小于2.8時，石粉含量在20%左右。這樣的石粉含量和目前的國家規范不符合，需要分離出去。系統采用干法生產，適合采用以空氣為介質的干法分離設備，因此采用具有含粉量調節功能的砂石粉分離機，對機制砂中超標的石粉進行分離。

砂石粉分離機，是一種利用空氣作為介質實現顆粒分級或者不同比重物質分離的設備。它主要由風機、分選室、集塵錐筒、進風管、出風管、回風管、調節閥等部件組成（見圖9）。分選室是一個用鋼板制成的圓柱形外殼。在分選室內部，有小風葉和撒料盤等撒料裝置，小風葉和撒料盤一起固定在垂直軸上。由電動機經過膠帶傳動裝置帶動旋轉，在分級室中形成強大的離心力。進入到分選室中的砂石粉混合物在離心力的作用下，大或重的顆粒受離心作用力大，故被甩至分選室四周邊緣，并不再受離心力的影響，自然下落，便被收集下來，之后作為粗粉經粗粉管排出；小或輕的物料受離心力作用小，在分選室內部懸停，受氣流影響被帶至高處，順管道運動到集塵錐筒內被收集。機制砂經過石粉分離處理，含粉量達到規范指標，即為合格產品。

2.4 機制砂含水控制技術

干法生產系統獲得的機制砂幾乎不含水，如果用于制作干混砂漿可以不經過烘干直接進行生產，這是一個巨大的優勢。用于制作混凝土的時候，采用干砂生產，為了使混凝土達到適當的工作性能，會出現需水量增加、減水劑增加的現象，不利于成本控制和生產技術控制。用于生產混凝土的砂，最佳狀態是飽和面干狀態，最佳含水率4%左右。因此對砂進行加濕，使砂達到最佳含水率。加濕技術的關鍵是均勻加水攪拌，系統選擇在成品砂的末端出料環節設置具有均勻加水功能的拌濕機，使進入到料倉的成品機制砂達到飽和面干狀態。

拌濕機由供料、筒體輸料、混合轉動加濕、減速器等四部分組成，并配以專用減速機和供水系統。設備整體固定在底座上，筒體由底座和支架支撐，通過減速裝置，整機在運轉過程中，筒體作高頻振動，使砂粉均勻摻和，并隨筒體轉動，達到控制供水恒濕運行的目的。

3 環境問題治理措施

在攪拌站改造碎石精加工系統，對周圍環境會產生重大的影響，主要有三個方面：揚塵對大氣環境的污染；噪聲對周圍環境的污染；系統收集的固體廢棄物。因此，需要采取措施進行處理。

3.1 大氣環境的影響處理

干法生產線，揚塵是一個無法回避的問題。一般情況下揚塵粒徑分布中0.02～0.25μm占80%，幾乎100%的揚塵均為可吸入顆粒物，可經呼吸道進入人體肺部危害人體身心健康，影響周圍環境的空氣質量。按照本系統零排放的環境設計標準，除塵方法適合采用過濾收集的方式，設備選用脈沖袋式除塵器。該類除塵器技術先進，除塵效率高，排放濃度完全可以滿足＜50mg/nm3的要求。設備占地面積小，對于老線改造特別有利，是砂石料加工過程揚塵收集的首選除塵設備。

脈沖袋式除塵器的氣體凈化方式為外濾式，含塵氣體由分風管進入各單元過濾室并通過設備于灰斗中的煙氣導流裝置；氣流通過適當導流和自然流向分布，達到整個過濾室內氣流分布均勻；含塵氣體中的顆粒粉塵通過自然沉降分離后直接落入灰斗、其余粉塵在導流系統的引導下，隨氣流進入中箱體過濾區，吸附在濾袋外表面。過濾后的潔凈氣體透過濾袋經上箱體由排風管排出。濾袋外表面的粉塵清除后，落入灰斗中的粉塵經由卸灰閥排出后，由輸灰系統輸出，集中進入到儲存系統中。

3.2 噪聲的影響處理

骨料精加工系統噪聲主要包括氣體流動過程中產生的空氣動力學噪聲，物料輸送過程中撞擊的噪音、電機機殼受激振動輻射的噪聲和機座因振動激勵的噪聲等組成。據以往經驗，單機噪聲級達72 dB以上，骨料精加工系統內多臺設備（立軸沖擊破、級配調整機和振動篩）總噪聲可達90dB以上。

控制噪聲傳播途徑的核心，是利用聲波在傳播中自然衰減的作用去縮小噪聲的污染面。具體措施有以下幾種：吸聲、隔聲及改變噪聲傳播方向。基于這些降噪原理的分析，生產線的設計中，立軸沖擊破、級配調整機和振動篩可以選擇具有減震裝置，低噪音的驅動設備。在投資預算比較充足的情況下，可以給系統中噪聲比較大的設備安裝隔聲罩，或者將設備安置在室內。根據具體的環境，結合降噪的幾種措施，進行噪聲的治理。

3.3 回收粉塵的再利用

揚塵治理回收的粉塵和從機制砂中分離出來的石粉，是整個生產線中唯一的副產品。和礦山生產碎石的副產品石粉（其實是石屑）不同，本設計中系統的副產品是平均粒度<0.075mm的粉體。根據加工原材料材質的不同，粉體的用途極為廣泛。幾乎所有種類的巖石加工產生的粉體，在加氣混凝土、免燒磚、人造石等建材生產領域，都是重要的原料；如果是含鈣量較高的石灰巖類原料產生的粉體，可以用來作為火電行業的脫硫劑使用，也可作為瀝青混凝土的鈣質礦粉使用；而在混凝土領域，石粉作為填料替代部分粉煤灰，超細石灰石粉在混凝土中的應用等新技術的研究如火如荼，有大量的技術文獻可以參考。

4 結語

預拌混凝土攪拌站應該從以前購買碎石和河砂兩個環節改變為單一購買碎石環節。該碎石質量并不嚴格要求，通過骨料精加工系統進行加工，經過多道規格的篩分獲得質量優良和穩定的砂石，直接通過膠帶輸送機送到攪拌樓空中料倉，與水泥等膠凝材料、水、外加劑等一起經過嚴格計量和攪拌，形成質量穩定的混凝土拌合物。如果實現了這一設想，無疑將為這一行業節省管理控制環節、節省成本、提高質量、提高效率帶來福音。

本文探討的骨料精加工系統，可以毫無疑問地說適用在混凝土攪拌站骨料上料系統的改造，或者取而代之。該系統設備占地面積小，原材料儲存不需要像傳統攪拌站一樣設置多個不同規格的砂石料倉，料倉單一，減少傳統攪拌站利用高低差或者挖地三尺來設置骨料上料系統，采用自動化與攪拌樓實現聯合控制，布局緊湊，自產自用，級配可調，實現均衡生產，實現零污染、零排放。

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