原料的可破碎性研究及破碎設備的選擇(下)

廖正光，祁俊堯

2.1.2 混合破碎的優化

由于混合破碎具有很大的經濟效益和社會效益，隨后土耳其Askale（兩套）、也門UCC、伊拉克蘇萊曼尼亞、俄羅斯Tula等工程也采用了這種破碎工藝，且粘土摻入量也從15%逐步提高，其中伊拉克蘇萊曼尼亞（陸續提供了三套）的粘土摻入量達28.2%，均取得了成功應用。

蘇萊曼尼亞的原料情況如下：石灰石：

進料粒度＜1000mm×1000mm×1000mm；水分≤5%；混合比71.8%；出料粒度≤80%，不少于90%。

粘土：

進料粒度＜500mm×500mm×500mm；水份≤20%；混合比28.2%；出料粒度不少于90%。

混合破碎的優化具有如下要點：

（1）選用適應性最佳的雙轉子錘式破碎機作為這種原料的破碎機。

（2）對原料情況采用合理的設備配置。例如越堡水泥公司的粘土粘性大、水分高、分散性差，大塊泥團進機是打不散的，勢必頃刻堵死篦縫。對于這種原料，宜在粘土板式給料機上裝設切碎機，把泥團切碎到200～300mm以下。越堡的摻入量為15%，土耳其Askale的摻土量為20%（粘土的粘濕性不及越堡），更多的摻入量應加設混配機。混配機裝在破碎機的進料口上方（圖2），它的功能是將原來板式給料機的送來料進行一次預混合，提供兩個轉子相同的原料，一改原來只有2號轉子破碎摻土料而為兩個轉子都破碎同樣的摻土料，從而使摻土量提高了一倍。目前伊拉克蘇萊曼尼亞的三條生產線和俄羅斯Tula的混合破碎均裝有這種混配機。

（3）輔料必須能順利地喂進主板式給料機，獲得合理的混合料層高度后才能實現混合破碎。某單位設計的混合破碎系統在調試時發現主板式給料機上的石灰石料層已高達輔料板式給料機下料口的高度，輔料無法喂入。這個事例必須引起我們的重視。主板式給料機石灰石料層厚度主要與卸料斗的幾何形狀、車輛卸料堆積線位置、料塊大小及粒度組成狀態等因素有關，在工程設計時應該有個預判。總的要求是石灰石料層不宜過厚，以便為輔料留出足夠的空間。輔料給料機的頭輪高度也要滿足這一要求，允許通過調整溜子使輔料堆積在石灰石料層居中位置。

（4）根據預判的料層高度確定給料機頭輪與破碎機中軸線的水平距離，使破碎機的兩個轉子負載基本相等。

（5）破碎機出料漏斗宜采用直立的斗壁，以減少碎料附著，出料膠帶輸送機的帶寬要滿足這一要求。

2.2 預篩分破碎

在如下的情況下值得預篩：預篩分拋尾，去除有害組分，使死礦變成活礦；預篩分去除不適破碎物，使得系統通暢；預篩分減少破碎量，提高系統生產能力，降低能耗和材料消耗量；預篩分減少過粉碎，提高成品率。

2.2.1 預篩分拋尾，去除有害組分，使死礦變成活礦

前已敘及，印度海德堡集團Damoh水泥廠的Patharia礦就是一個典型的例子。該礦是一個低鈣礦床，其中含有一些泥灰巖夾層，使得CaO平均品位更低。由于泥灰巖質軟易碎，爆破后細料的CaO含量低于粗料，因此篩除細料后礦石則可以使用。該礦開采的難度不僅在于低鈣夾層，而且還有大量的土難以剝凈，土的水分為15%～20%，預計混入量達20%。印度海德堡技術中心經過研究后決定將拋尾界限劃定在20mm，并提出了如下的生產流程：原礦先進行預篩分（波動預篩分機），將＜75mm料篩下，＞75mm料進破碎機破碎。篩下料進二級篩分機（該篩分機具有抗粘功能），將＜20mm細料篩除并排棄，＞20mm碎料返回主生產線。當地雨季長達3個月，為了保證生產不致中斷，還要求在礦山建一個43萬噸容量的應急堆場。

圖2 伊拉克蘇萊曼尼亞項目的混合破碎

中材國際工程公司承建的沙特南方水泥公司（SPCC）項目，所使用的石灰石礦床為SiO2含量較高的低鈣石灰石，其中高品位礦石的CaO含量也僅有46%，平均品位達不到使用要求（＜42%）。為此，采用了拋尾措施，在破碎機前設有波動輥式篩分機，將＜80mm的料分離出來再篩分除土，破碎機出來的料也進行一道篩選。除去了碎石和夾土之后石灰石品位得以提高。據介紹，篩分處理的廢棄碎石的CaO為36.98%，篩分后的成品石灰石CaO達到42.87%，滿足了生產的需要。

2.2.2 預篩分去除不適破碎物，使系統通暢

我國水泥用硅質原料礦床常是砂頁巖互層產出，表面強度風化吸水而成為粘濕料和高磨蝕性料的混合物。例如柳州水泥廠的牯牛嶺砂巖礦和亞東水泥公司的砂巖礦均屬于這類礦床。將粘濕料預先篩除，方可使用抗磨型高破碎比的破碎機進行單段破碎。東亞水泥公司以波動輥式篩分給料機和硬料反擊式破碎機組成破碎系統。目前這種生產方式在國內也得到較為廣泛的使用，其規模覆蓋2000～10000 t/d生產線。但是使用中還需要注意，若主體礦石是硬質砂巖、石英巖，當前的抗磨型反擊式破碎機的抗磨蝕能力還嫌不足，預篩分機輥子的耐磨性也需要進一步提高。有的單位采用常規結構的反擊式破碎機，板錘壽命只有一周，更不恰當。

預篩分去除粘濕料也是防止石灰石破碎機堵塞的有效途徑，可以與單轉子錘式破碎機配合使用，其篩分功能主要在于改善破碎機的工作條件，減少堵塞而達到高的破碎效率。并不在乎它的篩分量的多少。篩分機的輥子可酌情減少,一般約6支即可。

2.2.3 預篩分減少破碎量，提高系統生產能力，降低消耗

由于添加預篩分機增加了一個生產環節，通常是帶來更多的好處方值得實施，其中也包括提高系統生產能力、降低消耗。一般認為原礦中合格料占20%以上即可添加預篩分機。

前已敘及，拉法基摩洛哥CADEM水泥公司的一套能力為1000 t/h的混合破碎系統中，因為使用了預篩分機把粘濕料和碎料篩分出來，破碎機的負荷只有400t/h，因此配用了規格較小的雙轉子錘式破碎機（Titan72D75k）。

臺灣幸福水泥公司和仁礦的石灰石粒度組成見表4。

根據業主提供的資料，原礦中合格料（＜100mm）已占30%，我方在破碎系統中裝設了波動輥式篩分機。篩上料進入雙轉子錘式破碎機破碎。篩分機的出料口配置在最佳位置，以盡量減少大塊料進機的落差，而且使破碎機兩個轉子的負載基本一致。按照如上理念設計的破碎系統投入使用效果良好。在給料機75%～85%轉速運轉下，破碎機的負荷基本在120～200kW范圍內波動。現將2010年1月23日實測負荷及運轉記錄列于表5中。整個破碎系統五天的平均電耗僅0.37kWh/t。由于業主指定選用了大規格的破碎機，因而它的負荷很低，只有20%～22%，但是節能效果仍很明顯。

隨后在青海祁連山水泥公司的石灰石系統中采用預篩分機時，適當地減小了破碎機的規格，使用了一臺LPC1020R20單轉子錘式破碎機加波動輥式篩分機，其系統能力為1200t/h，與傳統破碎系統相比，主要設備重量基本相當，裝機功率由1495kW減小為1015kW，減少了32%，投產后效果良好，能耗和材料消耗都有明顯降低。

事實上，由于礦山采出礦石粒度很難一直保持穩定，對于這種破碎系統配置破碎機時要留有一定的富余量，以免一旦合格料比例減少時生產被動。

2.3 采場內的移動和半移動破碎

移動和半移動破碎是指在礦山采場內進行的一種破碎方式。礦石被破碎成碎塊之后就可以用膠帶輸送機替代重型汽車將礦石運出采場，直達工廠。

在礦山生產中，燃油消耗量是很大的，由于它是戰略物資，自產率還跟不上國家發展的需要。因此節省燃油具有重要意義，它不僅可以降低生產成本，還可以減輕碳排放量，改善空氣質量，而且是企業大型化、高效化的重要手段。這種生產工藝已成為當今金屬、非金屬、煤炭開采都十分重視的研究課題。

世界上最早采用移動破碎開采的是德國漢諾威北方水泥公司（1956年），這種破碎裝置裝在履帶行走機構上，破碎能力250t/h。隨后類型不斷增多，使用范圍也從水泥業擴展到煤炭和金屬礦業，地域遍及歐、亞、美、非。目前最大的半移動破碎站的能力達萬噸/h。

在我國大型露天煤礦、金屬礦采用半移動破碎站的項目急驟增加，它們的裝備主要來自德國KRUPP公司和英國MMD公司，價格昂貴。我國水泥業界赴歐考察的同仁對水泥廠采用移動破碎帶來的高效率都有深刻體會，但因受資金限制，都望而卻步。

2.3.1 移動式破碎站的類別及使用條件

移動式破碎站除了破碎機之外，還帶有進出料裝置及配套設施。按移動功能不同可分為全移動、半移動和可搬式三類。三類的使用條件各不相同，需要從多方面考慮之后才能選定。即性能優良的破碎機和合理的破碎站型式。破碎機的性能（包括破碎程序）必須要適應礦石條件，否則一切是空談。

破碎站的型式和使用方法見表6。表6是針對只用一套破碎站而言。若規模較大，擬采用兩套破碎站，在質量搭配上易于實現，則隨行式和圍繞裝料式的應用范圍將有所擴大。

當采用隨行式破碎時，破碎機必須緊跟單斗挖掘機，使挖掘的礦石能卸進破碎站的裝料斗。挖掘機與破碎站是一對一的關系，挖掘機的移動也需要破碎站隨行移動。隨行式破碎主要使用履帶自行式的破碎站，并且裝載和卸出均處在同一平臺上。破碎后的礦石需要經過轉載機、工作面膠帶輸送機、干線膠帶輸送機運出采場，并要配備膠帶機的移鋪設備，生產組織是比較復雜的。

表4 臺灣幸福水泥公司和仁礦的石灰石粒度組成

表5 碎石機運轉記錄表*

表6 破碎站的型式和使用方法

圖3 Deuna水泥公司的液壓步行式破碎站

圖4 齊大山鐵礦的半移動破碎站（由兩個單體組成）

圖5 首鋼水廠鐵礦的半移動破碎站（直立式）

采用圍繞裝料的破碎方式時，所使用的破碎站的移動頻度可以降低，它大體可以供半徑在50m范圍（大致擁有20萬噸礦石）的裝載機服務。一般配用2臺輪式裝載機供料。因為裝載機具有多點挖料的靈活性，也可適量搭配少量的低品質礦石，破碎后的礦石亦需要經過轉載機、工作面膠帶運輸機、干線膠帶機運出采場，但是搬移次數大為減少，鋪移難度也降低。圍繞裝料破碎方式最為常用的是步行式破碎站，也可使用膠輪自行式或履帶式破碎站。

車輛供料破碎方式的破碎站一般可3～5年挪動一次，其位置盡量靠近采挖區。破碎站浮擱在地面，沒有基礎，特點是上一平臺供料，主機站立平臺出料。盡管采場內免不了還用汽車，但是它比數十年不動的永久性破碎站還是大大地減少了車輛數量及燃油消耗。不論采場形狀是山坡或是凹陷、礦石品級分布是否復雜，工作臺階不局限于一個，因此適應性最好，使用最簡單，易于實現。這類破碎站的搬遷間隔數年才一次，通常不自帶行走機構，而是依靠外力完成，稱為半移動式破碎站。按拆遷方式，有馱遷式和組裝式兩種。半移動破碎站的設計制造比較簡單，造價也低，因此具有更廣泛的使用前景，同時也可為我國設計制造自行式破碎站積累經驗。

圖3是德國Deuna水泥公司按圍繞裝料方式使用的步行式破碎站的生產方式圖，生產能力是2000t/h。

鞍鋼齊大山鐵礦按車輛供料方式使用的半移動破碎站由兩個單體組成（圖4），首鋼水廠鐵礦半移動破碎站是直立的一個單體（圖5），沒有給料機。它們的生產能力是3000～4500t/h，都是由德國KRUPP公司制造的。

常熟中材裝備重型機械有限公司制造的半移動破碎站（兩套）用于臺灣幸福水泥公司的見圖6，用于四川亞東水泥公司的見圖7。

2.3.2 關鍵技術及創新點

2.3.2.1 選擇最適合的破碎系統和破碎機

（1）根據臺灣花蓮和仁礦的礦石特點，成功地將預篩分破碎系統應用在了移動破碎站上。

圖6 臺灣幸福水泥公司的半移動破碎站

圖7 四川亞東水泥公司的半移動破碎站

圖8 帶有與篩分破碎系統的車間布置

國外知名公司帶預篩分的破碎系統的車間布置，需要占用很大的空間（圖8）。因為篩分機是從一端向破碎機中部的進料口供料，它需有一個斜溜道，從而在兩者之間產生一個很大的落差。這種布置方式塊石進機沖擊力大，而且還會造成兩個轉子負擔的破碎量不平衡，所以至今未發現在移動破碎中使用的案例。

我們采取將兩臺設備拼合一起的方式進行結構設計，將篩分機擺在最理想的位置給破碎機喂料。在這種前提下處理篩下料流與破碎機殼之間的關系（殼體部分位置因兩側均有料流，采用了特殊耐磨材料制造），解決1號轉子的排料篦子抽出通道與篩下料流通道的干擾，讓兩機無縫連接，合為一體。與國外某工程車間內的布置相比，礦石的進機落差減少近1m，對破碎機轉子的沖擊力大大減少，兩個轉子的負荷也達到了平衡，其優點是非常明顯的。

（2）四川亞東水泥公司臥牛坪礦山擁有大量覆蓋土和低品位夾石，業主要求盡量搭配使用。由于當地雨量多，覆蓋土和礦石水分高、粘性大，我公司成功地制造出適應粘濕料的雙轉子錘式破碎機，其轉子、機腔和篦子等方面都作了專門設計，既保持了足夠的打擊機率，又不致引起腔內掛料、篦縫堵塞，性能大大優于原有的1號、2號機。原來需要排棄的覆蓋土和廢料得以摻入使用，獲得了很大的經濟效益。

2.3.2.2 半移動破碎站的實施

半移動破碎需要借助外力搬遷，大型半移動破碎站通常都由2～3個單體組成，以減輕搬遷難度。上述半移動破碎站主體均分解為兩個單體，料倉和給料機為一個單體，篩分機、破碎機和出料膠帶輸送機為第二個單體，物料從第一單體通過給料機和刮板機輸送到第二單體的進料口。兩個單體在運轉中如果各自晃動或者蠕動，都將使結合部位相互扯動損壞，影響正常使用。

（1）在各個受沖擊部位都設計了吸震緩沖裝置。這些緩沖裝置對減輕沖擊載荷、保護機器和實現平穩運轉發揮了重要作用，也減輕了鋼構的動荷載。

（2）合理的結構設計，防止自振頻率與機器運轉頻率相疊加。采用了較低的著地比壓和支撐范圍，保證了各單體的穩定和運轉平穩。

（3）采用緊湊型設計，并研究出連體形設備，起到了降低高度、節省空間和減輕重量的作用。常規固定廠房的破碎車間由卸料平臺到出料平臺的高度在15～21m范圍內。而在采場內，其高度應緊縮到一般開采臺階的高度10～12m，本機達到了這個要求。

（4）解決了破碎站浮擱地面（沒有基礎）使用的技術，可以根據開采的需要在采場內挪遷，從而能縮短汽車的運距。

2.3.3 主要技術經濟指標

移動和半移動破碎站沒有標準產品，一般都是根據業主要求而設計。很難找到工作條件完全相似的工程進行對比。現將德國O&K公司、KRUPP公司的兩個接近的半移動破碎站進行對比如下（表7）。

由表7中指標對比可看出，基本性能是相當的。而我方的兩種破碎站更有其獨到的特點。帶預篩分的破碎站具有明顯的節能效果，測定期系統平均單耗只有0.37kWh/t，大大優于一般0.8 kWh/t的水平。

表7 主要指標對照表

四川亞東破碎站的破碎機具有破碎粘濕料的功能，使得原本需要排棄的覆土得到了摻入使用，帶來了很大的經濟效益（根據投入使用17個月的統計，節能利廢節省費用即達750萬元）。

常熟中材裝備重型機械有限公司半移動破碎站的成功使用與產品內部的特殊設計是分不開的。其中預篩分機和破碎機的減震裝置，破碎機的防堵結構，無縫拼合型結構均系獨創技術。整個破碎站均為自主開發，填補了國內的空白。

在采場內破碎，再由膠帶輸送機外運是水泥礦山節能降耗的一種手段，而半移動破碎站是實現它的重要裝備。當今只有少數國家能夠生產，我國能夠自行生產可以成倍降低購價，有利于這種生產工藝的推廣應用，也具有在國外工程中應用的前景。

2.4 新型單段篩分破碎機的應用

石灰石不僅水泥廠需要，金屬冶煉、發電廠脫硫、電石生產等所使用的活性石灰，也是由一定粒度的石灰石顆粒在窯爐中煅燒而得，篩選后剩余的碎料只能作其他用途。因此不希望破碎機把礦石破碎得很碎（過粉碎）。目前為了防止過粉碎，都采用多段破碎，相應的生產流程比較復雜，建設投資也大。

應青海鹽湖集團海納化工有限公司的要求，常熟中材裝備重型機械有限公司開發了這種過粉碎較少的單段篩分破碎機。該公司的門旦峽石灰石礦山是生產電石灰巖和水泥灰巖的原料基地。兩種產品的化學成分要求如下（見表8、表9）。

石灰巖礦體賦存于中元古界花石山群克素爾組下部。礦體在地貌上形成幾個基本獨立的陡峭山脊，礦體內夾層較多。

Ⅰ礦體分布于礦區南部，走向延伸960～1010m。傾向出露寬143～228m。 傾 角 50°～75°。 CaO：49.8%～55.79%，平均53.54%，MgO：0.09%～3.71%，平均1.42%。

II礦體分布于礦區中部，走向延伸 810～1100m，傾向出露寬 90～320m。 傾 角 46°～73°。 CaO:48.5%～55.65%，平均53.28%；MgO:0.13%～4.95%，平均1.49%。

礦體下盤圍巖分布于礦區北部，由薄層含白云砂質灰巖組成。CaO：43.22%；MgO：2.14%；SiO2：6.83%；可以綜合利用。

礦體上盤圍巖分布于礦區南部，為含砂灰質白云巖及白云巖化灰巖組成。

礦體內夾石有兩種，一種是含砂灰質白云巖，另一種是白云巖化灰巖，前者CaO在44%～50%之間，MgO在3%～8%之間，可以綜合利用生產水泥。

I礦體的礦石呈灰——深灰色、粉晶——細晶結構，中厚層狀構造。II礦體的礦石為灰——深灰色，以深灰為主，粉晶——細晶結構，薄層——中厚層狀構造。

礦區內的廢石主要是未能搭配凈的高鎂夾層，開采境界內的頂底板巖石和第四紀表土。

設計開采境界內的電石灰巖為3972萬噸，水泥灰巖5738萬噸，廢石2433萬噸，可供生產24年用量。由于電石灰巖只占總量的40%，尤為珍貴，加工中盡量減少過粉碎，提高成品率是本機的首要任務。

本機的進料粒度為＜1000mm×1000mm×1000mm，排料粒度為＜80mm，占90%以上。當加工電石灰巖時，需要將破碎后的碎石進行一次篩分，把＞40mm的粗料篩出供生產電石使用，篩下細料用于生產水泥。破碎機也用于破碎水泥灰巖，此時不用再篩分。此種機型同時簽了兩套合同，其生產能力分別是800t/h和1200t/h。

單段篩分破碎機是一種特殊形式的錘式破碎機（見圖9），其中心思路是采取多種途徑盡量減少過粉碎，采用自始至終都離不開篩分的結構。破碎機的前一部分是一組篩分輥，在這里先把礦石中那些已達到需要的料粒篩出來，保證了這一部分料不產生過粉碎。篩上料被送進主破碎區，主破碎區由轉子和居于它正前方的格柵破碎室組成。破碎室的底面為較緩傾斜的格柵，送進破碎室的料塊在格柵斜坡道上逐步前移，當行進到打擊帶時受到錘頭的打擊，擊碎料瞬間即可從底部的格柵通道排出而不致滯留。大塊料在格柵斜坡道上借助自身的下滑力和后面料塊的推力逐步推進到打擊帶而被擊裂、脫落、打碎和排出，因此它具有隨破隨排的特征。格柵體的上端鉸接在主破碎室的側壁上，下端與轉子工作圓的距離是可調的，這樣可以控制排出粒度及在格柵破碎室的停留時間。排料篦子居于轉子的下方，由格柵破碎室送來的未透篩料在進入篦子與轉子形成的工作區后，繼續受到錘頭的打擊，在這個過程中也是隨破隨排，不致堆積。因為與擔負的較少破碎量相比，篦子具有較大的通過面積。篦篩包角根據要求的排料粒度和原料的易碎性而定，排料粗、礦石易碎時篦篩包角可以減小，甚至取消。

表8 電石灰巖，%

表9 水泥用灰巖，%

圖9 新型單段篩分破碎機

轉子采用較低的速度和較稀的錘頭排列，其目的也是為了盡量減少粉料的產生。

1200t/h的破碎系統設在峒室內，因工程量很大，尚未完工。

800t/h的破碎系統于2012年6月初完成基建工作，經調試后投入了使用，同時根據試生產中發現的一些問題，對某些部件作了改進設計，并于11月初檢修期中予以更換，達到了設計要求。本機破碎電石灰巖料時，當給料機處于40Hz左右運轉，破碎系統的產量為750～800t/h，破碎機主電機的負荷為～20A。破碎水泥灰巖料時，當給料機在43～45Hz左右運轉，破碎系統的產量為800～1050t/h，破碎機主電機的負荷為18.5～20.5A。

2.5 可逆式中碎、細碎機的使用

LPC11××.××N系列是一種專為水泥工廠石灰石中碎和細碎使用的錘式破碎機。前已敘及，當石灰石的磨蝕性較高時，不宜采用單段破碎，而需要兩級破碎，本機即可以作為與顎式破碎機配套使用的中碎機。

整機是針對磨蝕性較高的原料而設計的。采用可逆式結構，殼體內具有兩套破碎板，一套在轉子順時針旋轉方向時工作，另一套在轉子逆時針旋轉方向時工作，這樣無疑使破碎板的使用周期延長了一倍，而且錘頭工作邊磨損后不存在翻邊問題，只需要改變驅動電機的旋轉方向即可，因此也大大減少了維修時間。破碎板的下部是可調的，調節它與轉子工作圓的距離，即可控制排料粒度，使用方便。由于沒有排料篦子，錘頭的磨損大大減輕，以葛洲壩水泥公司的第二級破碎為例，原有中碎機的錘頭壽命不足15萬噸，而且出料粒度粗，影響磨機的生產，經更換為本中碎機后，出料粒度減小，錘頭壽命提高了一倍以上。破碎機的錘頭材質根據原料磨蝕性選擇，可用高錳鋼或更耐磨的合金鋼制造。遼寧金剛白山水泥公司使用的LPC1120.18N中碎機的錘頭壽命達到了120萬噸。

圖10 LPC1116.16N破碎機的排料粒度

這種破碎機由于具有優良的破碎性能，也常被用來作為細碎機使用，將現有單段破碎機的來料進一步破碎到＜15mm的細料，以提高球磨機的生產能力。例如遼寧本溪工源水泥公司，即采用了一套能力為800t/h的細碎機。

湖南雙峰海螺水泥公司是用它作為水泥添加料的破碎機使用，將已經過單段破碎機破碎的石灰石再破碎一次。破碎系統設有預篩分機，型號為WRS1534的波動輥式篩分機將＜25mm的碎料篩分出來，100～25mm的粗料進入破碎機破碎，篩分機的能力是300t/h，型號為LPC1114.14N的中碎機的生產能力是150～200t/h。利用較小規格的破碎機達到了較高的產能。

使用在湖北荊門葛洲壩水泥公司的LPC1116.16N中碎機和使用在重慶拉法基水泥公司的同型號細碎機的出料粒度見圖10。■