立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂工藝與研究

謝學(xué)斌

（中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081）

采用立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂，國內(nèi)從上世紀(jì)九十年代中期以來就在大型水電工程中開始使用，其生產(chǎn)工藝有干法、濕法、半干法等。無論采用何種生產(chǎn)工藝應(yīng)用到生產(chǎn)中，都存在有：生產(chǎn)的砂細(xì)度模數(shù)偏大、中徑粒徑偏少等缺點，嚴(yán)重影響混凝土質(zhì)量，各種混凝土要求適應(yīng)性差等。因此，對立軸式?jīng)_擊破碎生產(chǎn)工藝需進(jìn)一步研究，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 傳統(tǒng)立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)生產(chǎn)工藝

目前國內(nèi)大多數(shù)工程均采用立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)作為制砂的主要生產(chǎn)設(shè)備，破碎腔形式無論是“石打石”還是“石打鐵”，其生產(chǎn)工藝均采用“進(jìn)料-破碎-篩分-返回（或進(jìn)倉）”，流程簡圖見圖 1。

此生產(chǎn)工藝有如下特點：

（1）工藝流程簡單，單位能量消耗低。

（2）5～2.5mm的石料反復(fù)循環(huán)破碎，破碎效果差，能量損耗略偏大。

（3）成品砂中2.5～1.25mm、1.25～0.63mm 粒徑的石料偏少。

（4）成品砂的粒度模數(shù)控制難（人為因素控制）。

（5）成品砂率偏低。

2 立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)與棒磨機(jī)聯(lián)合制砂工藝

為了解決立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂中，中徑含量偏少以及提高產(chǎn)量等問題，采用立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)與棒磨機(jī)聯(lián)合制砂工藝。其工藝流程簡圖見圖2。

石料經(jīng)立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)破碎后，進(jìn)入篩分機(jī)分級。＞5mm 的石料全部返回轉(zhuǎn)料倉，5～2.5mm 的石料進(jìn)入棒磨機(jī)破碎、經(jīng)螺旋分級機(jī)后與＜2.5mm 的石料混合進(jìn)入成品倉。此工藝有如下特點：

（1）集中了立軸式破碎機(jī)、棒磨機(jī)制砂的優(yōu)點，克服了立軸式破碎機(jī)及棒磨機(jī)制砂的缺點。如：中徑含量問題、石粉過多流失問題等。

（2）流程中仍然保留了棒磨機(jī)及其不足之處。

（3）工藝流程復(fù)雜、設(shè)備品種多。

3 新型立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂工藝研究

3.1 立軸式破碎機(jī)工作原理

第一階段：物料在重力作用下經(jīng)過入料斗形成垂直向下的物料流，通過落料環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)子中心錐帽頂部并順勢被均勻分配成多股（3～5股）水平料流，在轉(zhuǎn)子加速通道中由于轉(zhuǎn)子自旋轉(zhuǎn)料波的強力沖擊，在通道中首先產(chǎn)生強力擠壓和研磨破碎，并在加速通道終端遭受拋料頭旋轉(zhuǎn)撞擊破碎。

第二階段：水平料流在高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子所施離心力作用下，由加速通道被快速加速激射并同時獲得巨大動能，此高速料流在渦動破碎腔與物料墊層（石打石機(jī)型）或鐵砧（石打鐵機(jī)型）撞擊，產(chǎn)生激烈動能與破碎能間的能量充分轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生碰撞破碎。動能轉(zhuǎn)化為破碎能的物料會被高速轉(zhuǎn)子提供的源源不斷的水平料流追擊產(chǎn)生連續(xù)破碎，切向拋射也會產(chǎn)生高速擠壓、研磨破碎。

第三階段：水平撞擊后的物料，由于巨大的料流動能無法完全釋放，將會反向濺射，如果濺射進(jìn)入轉(zhuǎn)子運動區(qū)域會再次遭遇構(gòu)造精妙的轉(zhuǎn)子反擊形成反擊破碎。

第四階段：高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與渦動破碎腔桶壁之間形成一密集高速渦流粒子云，物料相互追擊，建立起連續(xù)高能量碰撞、擠壓、研磨，形成連續(xù)高能量碰撞的鏈?zhǔn)綇?fù)合反應(yīng)過程。

實際破碎過程大致可視為以上四個階段的鏈?zhǔn)綇?fù)合作用過程。

在破碎過程中耗盡動能的物料，會在自身重力作用下彈入機(jī)架精心構(gòu)筑的設(shè)計空間里，順勢滑落進(jìn)入卸料流排出機(jī)架外。在整個破碎過程中，石打石機(jī)型的物料流之間自行沖擊、研磨、擠壓破碎，不與渦動破碎腔的金屬構(gòu)件發(fā)生直接碰撞，而是與物料墊層發(fā)生沖擊、研磨、破碎，這就減少了鐵污染和“卡鋼”現(xiàn)象；而且物料相互撞擊、互相整形，因此無片狀、針狀，粒形呈良好的立方體形，能獲得最優(yōu)質(zhì)的機(jī)制砂。而石打鐵機(jī)型由于沖擊破碎更為徹底，高速動能轉(zhuǎn)換為破碎能更為充分，制砂的效果更加顯著。

3.2 立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)特點

立式?jīng)_擊破碎機(jī)是低成本生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)砂的設(shè)備，其特點有：

（1）破碎能力強、能耗少，產(chǎn)品顆粒好、產(chǎn)量大；

（2）轉(zhuǎn)子及破碎腔內(nèi)的物料墊層使得磨損件磨損少，運作成本低廉。

（3）可破中硬、特硬物料（例如花崗巖、燒結(jié)鋁釩土、剛玉等）。

（4）構(gòu)造簡單、造價低廉。

3.3 破碎物料的粒度與破碎機(jī)轉(zhuǎn)子速度的影響

物料有其固有的晶粒凝聚力，要使物料破碎必需獲取一定的能量并轉(zhuǎn)化為破碎能，且這轉(zhuǎn)化破碎能必須大于或等于其破壞物料晶粒凝聚力的能量。

從立軸式破碎機(jī)工作原理可知，物料所獲得的能量為動能，即：Ev=1/2mv2。

（1）當(dāng)物料粒徑大小已確定時（質(zhì)量 m一定），隨著速度v的增高，動能 Ev 增加很大。

（2）當(dāng)速度 v 衡定時，物料質(zhì)量 m 增大，動能 Ev 增加；反之亦然。

經(jīng)試驗分析，立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)破碎石料的粒徑與速度關(guān)系。

（1）在達(dá)到相同破碎效果的前提下，破碎物料的粒徑大，破碎機(jī)轉(zhuǎn)子線速度低；

（2）當(dāng)破碎物料的粒徑為 20～2.5mm 時，破碎機(jī)轉(zhuǎn)子線速度為 70～90m/s。

3.4 破碎物料的物理特性與破碎機(jī)轉(zhuǎn)子速度的關(guān)系

破碎物料（石料）的物理特性：物料的破碎強度δ，楊氏模量 E，物料密度ρ，物料的質(zhì)量 M，物料的臨界破碎能E臨等與破碎速度 V 產(chǎn)生的碰撞能量 E碰經(jīng)理論推導(dǎo)存在有如下關(guān)系

即：物料的的臨臨界界破破碎速度 V 與物料的破碎強度δ成正比，與楊氏模量 E，物料密度ρ的平方根成反比。

當(dāng)破碎物料（石料）確定后，設(shè)物料臨界破碎碎能 為常常數(shù)K，物料的破碎速度為 V破，則有

由此可見：物料的破碎強度δδ ，楊楊氏氏模模量量 E，物料密度ρ等增大時，需要的破碎速度均增加；物料的質(zhì)量 M 較小時，需要的破碎速度增加。

3.5 新型立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂工藝

根據(jù)立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)工作原理及破碎物料的粒徑與速度關(guān)系，制定兩種速度組合的立軸式破碎機(jī)制砂工藝流程、通過試驗確定其參數(shù)，用以指導(dǎo)生產(chǎn)。

兩種速度組合的立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂工藝流程見圖3。

石料由轉(zhuǎn)料倉經(jīng)給料機(jī)、 膠帶機(jī)送入常速度（v=50～70m/s）的立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)破碎，破碎后進(jìn)入篩分機(jī)分級。＞5mm 的石料返回轉(zhuǎn)料倉；5～2.5mm 的石料送入高速度（v＞75m/s）的立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)再破碎，經(jīng)再破碎的石料與 ＜2.5mm 的石料混合后進(jìn)入成品倉。

此生產(chǎn)工藝適用于干法、半干法生產(chǎn)，對于濕法生產(chǎn)需進(jìn)一步研究。

3.6 兩種速度立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂試驗

試驗條件：

（1）巖石類型：中等抗壓強度的灰?guī)r。

（2）轉(zhuǎn)料倉石料粒徑 40～5mm。

（3）常速立軸式破碎機(jī)的理論速度 v=65m/s。

（4）高速立軸式破碎機(jī)的理論速度 v=85m/s。試驗結(jié)果見如下。

（1）砂的粒度模數(shù)，由 FM=3.54 降為 FM=2.77，達(dá)到要求。

（2）砂中的石粉﹝＜0.16mm﹞含量，由12.88%上升到17.56%。

（3）中粒徑石料含量：2.5～1.25mm 由 12.83%上升到27.0%；1.25～0.63mm 由 14.59% 上升到 26.12%。

（4）作為民用建筑用砂，機(jī)制棄除多余石粉，使其石粉(＜0.08mm)含量控制在 ≤5% 以內(nèi)時，則成品砂的粒度模數(shù)為FM=3.0。

4 影響立式破碎機(jī)制砂效果的因素

4.1 破碎物料含水量的影響

破碎物料含水量在一定范圍內(nèi)時，對除塵效果起到重要作用。但含水量較高時會降低產(chǎn)砂量。經(jīng)測試分析：

（1）當(dāng)物料含水量控制在 ≤2% 時，揚塵污染嚴(yán)重，必須采取除塵設(shè)施。

（2）當(dāng)物料含水量控制在 ＞5% 時，產(chǎn)砂率明顯降低。且隨著含水量的增加，產(chǎn)量急劇降低。當(dāng)含水率達(dá)到 9～11%時，幾乎產(chǎn)砂率為 0。

含水率的增加，產(chǎn)砂率的降低，究其原因主要是：在破碎腔內(nèi)鐵砧（或料墊層）表面產(chǎn)生一層石粉墊，物料與鐵砧（或料墊）發(fā)生碰撞時產(chǎn)生“地毯”效應(yīng)，從而降低破碎效果。

（3）當(dāng)物料含水量控制在 2～5% 時，物料的破碎效果最佳。

（4）當(dāng)物料含水量 ＞11% 時，宜采用濕法生產(chǎn)，但產(chǎn)砂量比半干法低。

4.2 給料量對砂產(chǎn)量的影響

當(dāng)給料量較小時，產(chǎn)砂量隨給料量的增加而增加；產(chǎn)砂率有所降低。

當(dāng)給料量達(dá)到一定量時，產(chǎn)砂量達(dá)到最大值。如 PL8500型機(jī)最佳給料值為 70～90t/h（物料：灰?guī)r，“石打鐵”破碎腔）。

當(dāng)給料量超過一定值后，產(chǎn)砂量增加不多，相反產(chǎn)砂率降低較多。如 PL8500 型機(jī)的給料量超過 110t/h 時，產(chǎn)砂量增加很小（物料：灰?guī)r，“石打鐵”破碎腔）。其原因是：破碎腔內(nèi)的石料流較大，轉(zhuǎn)子拋出的石料大部分打在石料流上而不是打在鐵砧上。

4.3 砂的石粉含量及粒度模數(shù)的影響

（1）在相同的物料粒徑、含水率及破碎機(jī)轉(zhuǎn)子速度（即線速度）相同的情況下，給料量（通過量）增加，成品砂中的石粉含量降低、砂的粒度模數(shù)增大。當(dāng)給料量達(dá)到一定值后基本穩(wěn)定。

（2）當(dāng)物料的含水率、給料量穩(wěn)定，破碎機(jī)轉(zhuǎn)子速度（即線速度）相同的情況下，物料粒徑（≤60mm）增大，其石粉含量增加、粒度模數(shù)降低。

（3）在相同的物料粒徑、含水率、給料量下，隨著破碎機(jī)轉(zhuǎn)子速度（即線速度）上升，砂中石粉含量增加、粒度模數(shù)降低。

5 兩種速度立軸式破碎機(jī)制砂要點

經(jīng)試驗分析，采用常速與高速立軸式破碎機(jī)聯(lián)合制砂，可提高成品砂產(chǎn)量與質(zhì)量。可以實現(xiàn)“以破代磨”工藝，使完全拋棄棒磨機(jī)制砂成為現(xiàn)實。

（1）常速立軸式破碎機(jī)的破碎腔體可以為“石打鐵”型，亦可以為“石打石”型。兩者沒有質(zhì)的變化，只有量上的變化。“石打鐵”型產(chǎn)砂量比“石打石”型高，而前者砂的粒形稍差，石粉含量較多，鐵砧的磨損多。

（2）高速立軸式破碎機(jī)的破碎腔體最好為“石打鐵”型，給料量要低些。原因是基于 5～2.5mm 石料粒徑較小、質(zhì)量較輕，要使其破碎必須獲得較多的有效碰撞能量。

（3）采用兩種速度的立軸式破碎機(jī)制砂，適當(dāng)增大高速破碎機(jī)進(jìn)石料的粒徑，可進(jìn)一步提高成品砂中的石粉含量及降低成品砂的粒度模數(shù)。