水電工程人工制砂技術的應用及展望

張建博，劉 明，葛小博，趙世隆，段金林

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

貴州境內的水電工程，大多存在河床深切、水流湍急，難以形成河床灘地，且沒有良好的天然砂礫石料場等問題。而人工機制砂石料源與天然砂礫石料源相比，具有料源豐富、加工受季節影響小、成品料的粒形及級配良好等優勢，從而得到了廣泛的應用[1]。制砂技術是機制人工骨料加工系統中最為重要的核心工藝，也是業內公認的系統設計成敗的標志。中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司(以下簡稱“貴陽院”)從20世紀60年代貓跳河梯級水電站建設開始，首創采用了錘式破碎機制砂，是人工制砂的初步嘗試，到1992年建成全國首座碾壓混凝土拱壩，在這之后又先后完成了索風營、大花水、格里橋、光照、龍首、思林、沙坨、石椏子、善泥坡、馬馬巖等十余座混凝土壩的砂石系統設計工作。

本文從人工砂石系統的應用與實踐出發，回顧總結水電工程人工制砂技術的發展歷程，在總結工程經驗的同時，對未來人工砂石系統的發展方向提出建議。

1 人工機制砂技術的發展歷程回顧

水電工程人工機制砂工藝大致經歷了由錘式破碎機制砂、棒磨機制砂、立軸沖擊式破碎機(以下簡稱“立軸破”)制砂等的單破碎段制砂工藝，到立軸破碎機與棒磨機聯合制砂工藝、兩級立軸破(高、低速)聯合制砂的多破碎段聯合制砂工藝的發展過程。相應的干法、濕法、半干法等生產工藝也先后隨之產生。

1.1 錘式破碎機制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由原料倉經給料機、膠帶機送入錘式破碎機，經破碎后送入篩分機分級，大于5 mm的石料全部返回轉料倉進行閉路循環，小于5 mm的石料進入成品砂倉。其典型工藝流程見圖1。

圖1 錘式破碎機制砂典型工藝

(2)工程應用。20世紀50年代末，貴州貓跳河三級修文水電站確定了初步的干式制砂工藝：二級破碎，生產能力為80 t/h，頭破粗碎采用顎破，二破細碎為400 mm×600 mm的錘磨機，錘磨機上設置篩條生產小石，設置鑄鐵圓孔板篩網生產砂。1963年～1970年在貓跳河二級百花水電站、四級窄巷口水電站建設中，設計出了三級破碎，生產能力為80 t/h，加工原料運至顎破粗碎，在通過膠帶機送到600 mm×800 mm帶篩條的錘磨機，經篩分后小于5 mm的顆粒進入砂倉，5～10 mm的顆粒進入螺旋洗石機清洗后送到小石料倉，大于10 mm的顆粒進入中石料倉，部分進入400 mm×600 mm錘磨機(機上帶鑄鐵圓孔板網)直接生產小于5 mm的顆粒進入砂倉。

(3)特點總結。錘式破碎機制砂開啟了我國人工機制加工骨料的先河，是水電人對機械制砂大膽嘗試和探索的成果。該工藝采用干法生產，適用于小型生產系統，設備成本低、見效快，但產量低、磨損件消耗大、粉塵飛揚嚴重，且砂的細度模數及質量控制較難。目前在大、中型水電工程砂石加工系統中已很少使用，在小型砂石加工系統及工業與民用建設中的砂石系統仍偶有使用。

1.2 棒磨機制砂工藝

(1)工藝介紹。物料由棒磨機給料部的進料中空軸進入筒體內，電動機帶動裝有鋼棒的筒體旋轉，物料受到鋼棒的撞擊以及鋼棒與筒體襯板間的粉磨之后從排料中空軸流出進入洗砂機洗砂、選砂。其典型工藝流程示意見圖2。

圖2 棒磨機制砂典型工藝

(2)工程應用。1972年棒磨機制砂工藝正式應用于生產能力為500 t/h的貴州烏江渡水電站左岸人工砂石系統[2]，便形成了全濕法制砂技術，這也開創了國內大型水電工程在沒有天然砂礫石料可利用的前提下，全部采用人工機制砂的先河。該系統采用三級破碎、二次篩分、棒磨機制砂工藝，生產流程按開路破碎方式布置。制砂車間選用了5臺MBZ-2100×3600型棒磨機。1989年建成的450 t/h規模的烏江東風水電站人工砂石系統也采用全濕法制砂技術，但改進為閉路循環加工，系統粗碎為旋回破、中碎為反擊破，制砂采用3臺MBZ2100×3600型棒磨機，其篩分車間、中細碎車間均為閉路循環[3]。

(3)特點總結。①棒磨機一般采用濕法生產，具有結構簡單、操作方便、設備可靠、產品粒形好、粒度分布均勻、細度模數可調、質量穩定等優點，適用于難碎巖石、中等可碎巖石，雖然棒磨機加工會產生較多石粉，但洗砂環節石粉流失嚴重，成品砂裹粉后造成脫粉困難，而且存在制砂單位能耗高、鋼棒耗量大、齒輪潤滑油耗量大、噪聲大、成品砂脫水困難、進料粒徑小(≤25 mm)、運行成本高等缺陷，現已不作為主要制砂設備，僅用于配合立軸破制砂調節砂中石粉含量和細度模數。②濕法制砂工藝，砂的脫水周期長，會影響成品砂的產量，需要較大的砂倉，且砂的石粉流失量大、回收難，造成成品砂的石粉含量低，生產廢水對環境造成的污染較大，水處理費用高，較難實現資源循環使用；成品砂含水率不易控制在6%以下。

1.3 立軸破制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由轉料倉經給料機送入立軸破，經破碎后送入篩分機，大于5 mm的石料全部返回轉料倉進行循環，5～2.5 mm的石料分兩路輸出：一路返回轉料倉、破碎機再破碎；另一路進入成品砂倉。小于2.5 mm的石料進人成品砂倉。其典型工藝流程示意見圖3。

圖3 立軸破制砂典型工藝

(2)工程應用。2001年～2002年建成的索風營水電站砂石系統設計生產能力為850 t/h，系統設計之初其細碎車間只配置了2臺Nordberg公司生產的VI400立軸破制砂機，并列運行，其單機破碎能力為250～300 t/h，產砂率30%～35%。運行期由于該機的產砂率偏低，砂的細度模數偏大(FM=3.3～3.8)，為滿足設計對砂的細度模數(FM=2.2～2.9)的要求，又增設了2臺國產的PL-8500立軸破碎機(“石打鐵”型)，來處理VI400制砂機經篩分處理后的回頭料，其單機破碎能力為80～160 t/h，產砂率為50%～65%。PL-8500生產的砂料含粉率可達20%以上，改善了碾壓混凝土對石粉含量的要求[4]。但由于進料中物料表面含有水分，在破碎過程中容易產生“地毯效應”使產砂率明顯下降。特別是物料含水率大于3%時，產砂率大幅降低。因此，索風營水電站人工砂石料生產系統采用半干式(即前濕后干)制砂工藝，既降低了粉塵對空氣的污染，又提高了制砂產量及粉砂、廢水的回收利用率。

(3)特點總結。①立軸破制砂工藝流程簡單，特別適用于灰巖破碎，具有單位能量消耗低、產品粒形好、定子磨損低等優點。②5～2.5 mm的石料反復循環破碎，破碎效果差，能量損耗略偏大。③成品砂存在粗顆粒徑及細顆粒徑偏多，中間粒徑(2.5～1.25 mm、1.25～0.63 mm粒徑)含量少，即“兩頭大中間小”的缺陷。④成品砂的粒度模數控制難(主要靠人為因素控制)。⑤成品砂率偏低。半干法生產工藝一般是指前濕后干生產工藝，即預篩分采用濕法生產并控制出料含水率，部分5～40 mm的顆粒脫水后作為制砂原料，制砂破碎機排出料的含水率控制在2%～5%之間，檢查篩分不再噴淋水。主要適用于原料含泥量不太高，砂要求含粉量較高的系統。但缺點是制砂原料經過水洗，在進入立軸破前必須采取可靠措施脫水，確保進入立軸破的原料含水率不大于3%，否則嚴重影響立軸破的制砂效果和檢查篩分的篩分效率。

1.4 立軸破與棒磨機聯合制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由轉料倉經給料機、膠帶機分別送入立軸破和棒磨機，經破碎后送入篩分機分級，大于5 mm的石料全部返回轉料倉進行循環，棒磨機粉磨后的物料進入洗砂機洗砂、選砂，再經過脫水篩脫水，小于2.5 mm的物料與立軸破的小于5 mm的粗砂混合進入成品砂倉。其典型工藝流程示意見圖4。

圖4 立軸破與棒磨機聯合制砂典型工藝

(2)工程應用。 2005年投標設計階段的北盤江光照水電站左岸基地砂石加工系統的制砂技術采用閉路循環、“立軸破+棒磨機”的工藝。系統處理能力為1 200 t/h，加工砂能力為293 t/h。立軸破車間處理量為518 t/h，選用3臺國產的PL-9500立軸破，設備單機處理能力為350 t/h左右。棒磨車間處理量為74 t/h，選用2臺MBZ2136型棒磨機。立軸破為主要制砂設備，棒磨機調節細度模數和石粉含量[5]。用“立軸破+棒磨機”聯合制砂是破磨結合的半干式制砂工藝，棒磨機生產的濕砂與立軸破生產的干砂混合，既控制粉塵污染，又減少生產耗水量及廢水排放量，并滿足碾壓混凝土對石粉含量的要求。

(3)特點總結。①集中了立軸破、棒磨機制砂的優點，克服了各自的缺點，如，中徑含量問題、石粉過多流失問題等，提高了出砂率。②流程中仍然保留了棒磨機及其不足之處。③工藝流程較復雜、設備品種多。采用“立軸破+棒磨機”聯合制砂，既能根據原料變化靈活調節成品的細度模數和石粉含量，保證成品砂質量，又能有效控制制砂成本。

1.5 兩種(高、低)速度立軸破聯合制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由轉料倉經給料機、膠帶機送入常(低)速度(v=50～70 m/s)的立軸破碎機，破碎后進入篩分機，大于5 mm的石料返回轉料倉，5～2.5 mm的一部分直接進入成品砂倉，另外一部分石料送入高速度(v>75 m/s)的立軸破再破碎，經再破碎的石料與小于2.5 mm的石料混合后進入成品倉。其典型流程示意見圖5。

圖5 兩種(高、低)速度立軸破聯合制砂典型工藝

(2)工程應用。2006年光照水電站根據工程初期的實施情況，專家咨詢組提出了選用高頻高速沖擊破碎機對粗、中細碎所生產的粗砂進行高頻高速整形的工藝優化方案[6]。最終確定高速立軸破工作速度為85 m/s。將粗、中砂細碎后，小于5 mm的砂經第二篩分車間螺旋洗砂機，約2/3經脫水篩脫水后和未脫水的1/3物料全部進入高速高頻立軸破PL-8500，對其細度模數和石粉含量進行調整，以滿足工程設計要求。高速高頻沖擊破投產后，經多次抽樣試驗檢測，結果表明，高速高頻立軸破改善并穩定了砂的質量。2007年～2011年，貴州沙沱水電站1 500 t/h的石灰巖人工砂石系統工程中，完善了半干式制砂工藝，采用了“兩端開路、中間閉路”的破碎流程。粗碎3臺反擊破開路生產、中碎4臺反擊破閉路生產，細碎車間為4臺立軸破、超細碎車間選用了2臺高速立軸破形成聯合開路制砂。細碎車間的立軸破將粒徑5～50 mm的骨料破碎后，出料中2.5～5 mm的骨料進入超細碎車間采用開路生產方式進行高速破碎，出料與細碎車間出料中小于5 mm 的砂混合后被膠帶機送入成品砂倉[6]。

(3)特點總結。①適用于干法、半干法生產，對于完全濕法生產需進一步研究。②高速立軸破的破碎腔體最好為“石打鐵”型，給料量要低些。原因是5～2.5 mm石料粒徑較小、質量較輕，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破制砂，適當增大高速破碎機進料的粒徑，可進一步提高成品砂中的石粉含量及降低成品砂的細度模數。

2 人工制砂關鍵技術研究和展望

2.1 高品質砂生產技術及設備研究

人工砂的質量水平對混凝土尤其是高性能混凝土的工作性、強度、耐久性等都有不同程度的影響[7-9]，主要體現在人工砂自身的細度模數、石粉含量、顆粒形狀、含泥量、亞甲藍MB值、堅固性等相關特性。航空機場跑道、鐵路及高速鐵路工程、公路重要橋梁等高性能混凝土的技術規范標準還沒有放開對人工機制砂石的使用，究其原因就是市場上缺乏高品質的人工砂石料，特別是對高品質人工砂的需求更是建筑業普遍關注的問題。

高品質砂應達到：細度模數2.4～3.0可隨意調整，波動值小于0.1，砂中石粉含量亦可隨意調整，砂的含水率在2%～3%，并保持恒定。目前，國內建筑業相關企業在引進國外技術的基礎上，實現了高品質砂的生產并已成功推向市場，初步形成了“高品質、集成化、全環保”的樓式結構的機制砂“整體解決方案(樓式機制砂系統)”[10]。水電工程混凝土要求長壽命、少裂縫甚至無裂縫，更要積極推動研究高效、集成、節約、環保的高品質砂的生產技術。

2.2 模塊式組裝與移動式設備研究

不論是水電工程還是公路、鐵路工程，砂石生產系統都屬于臨時工程，為工程建設服務的時間較短，而固定砂石加工廠的建設、安裝及調試工期較長，建設投資相對較大，完工后存在拆除等問題，而模塊式組裝的加工車間和移動式破碎、制砂站就能彌補這些不足。

可移動的模塊式組裝設備把消除場地、環境等因素制約作為首要的解決方案，為相關工程提供了高效、低成本的運營硬件設施。模塊式組裝的加工車間是將各破碎段和制砂工段按工藝流程組成模塊式的鋼結構車間，然后以膠帶機連接，迅速實現投產；移動式破碎站將受料、破碎、篩分等工藝環節由相關設備組合成為一體，隨料源開采面的推進而移動并進行現場破碎，縮短了各流程間的運輸距離。綜上，模塊式組裝的加工車間組合靈活方便、機動性強，可節省大量基礎建設費用，縮短砂石生產系統的建設、安裝工期。因此，在今后的砂石生產系統，特別是中小型系統中，移動式破碎站將被越來越廣泛的應用。

2.3 新環保技術

在砂石骨料生產過程中，堅持環境保護、綠色發展是貫徹國家新時代環保政策的具體體現，在大型水電工程砂石系統生產中應高度重視環保問題。廢水處理工藝一直以來都是砂石加工系統研究探索的課題。砂石加工系統具有廢水產量大、強度高、濃度高、建筑安裝投資大、運行成本高(加藥量大)等特性，近年來通過大量有效的嘗試和試驗工作，以及借鑒其他行業和領域一些先進的污水處理設備和工藝使得砂石加工系統廢水處理技術和效果均得到空前發展。在多個砂石加工系統使用過板框式壓濾機、高效澄清器、水力旋流器、陶瓷過濾機、臥式螺旋離心機、帶式真空機過濾機等設備，為砂石加工系統廢水處理工藝積累了大量成功經驗，目前砂石系統污水處理效果大大改良，廢水回收利用率大幅度提高[11]。

2.4 成品砂石質量自動檢測控制系統

成品砂質量檢測手段目前多以人工為主，費時費力，且反應滯后。例如，成品骨料質量常規檢測項目應每8 h檢測一次，不能及時對砂石生產工藝參數進行動態調整。而砂石加工系統的生產能力檢測更是個系統項目，檢測一次需要至少3 d的時間，工藝流程節點數據不合格，將檢測結果反饋，進行工藝參數調整，不斷修正，最后達到系統設計生產能力，需歷時15～30 d。

目前建筑行業砂石系統的成品砂石料含泥量智能控制系統，達到了為系統工藝沖洗等參數的及時、準確調整提供依據，實時智能控制；砂石加工系統生產能力實時自動檢測系統，也實現了通過自動檢測砂石加工系統各節點的流程量與級配組成，及時判斷各節點的生產能力，及時調整系統工藝參數(如破碎機開口、進料量、進料級配、出料量、出料級配、各節點的分料量及分料級配)等，以達到設備生產能力合格，系統生產能力合格的要求。然而，成品砂石質量自動檢測控制系統的組成內容豐富，研究意義重大，目前很多質量自動檢測系統還處于探索階段，今后還需要進一步研究以及實踐和總結。

3 結 語

人工機制砂石在國內的發展最先源于水電工程應用，并且已經有了幾十年的工程實踐經驗和理論積累過程。但水電工程所處位置大多較為偏僻，且對砂石的質量要求較高，系統的設計主要是基于工程自用而非市場化需求，在設計上還沒有完全意義上體現“成本優化”、“靈活可變”等原則。近幾年我國水電項目開發也進入有序開發的可持續發展新時期。因此，面對新形勢、新挑戰，水電工程的砂石產業也有必要建立先進的技術研發和應用體系，發揚傳統的同時，也要大膽開拓，保障水電工程的可持續發展。