立轴式冲击破碎机制砂工艺与研究

沈杰

中国水利水电第九工程有限公司，贵州 贵阳 550081

内容提要：根据立轴式破碎机的工作原理，生产测试资料分析影响立轴式破碎机制砂效果的各种因素。并经常速、高速立轴式破碎机联合制砂的生产工艺试验的可行性，提出新的生产工艺及机型参数选择要点。

采用立轴式冲击破碎机制砂，国内从上世纪九十年代中期以来就在大型水电工程中开始使用，其生产工艺有干法、湿法、半干法等。无论采用何种以往的制砂工艺应用到生产中，都存在有：生产的砂细度模数偏高、中径粒径含量偏少等缺点，严重影响混凝土质量，各种混凝土要求适应性差等。因此，对立轴式冲击破碎生产工艺需进一步研究，提高产品质量。

1.传统立轴式冲击破碎机生产工艺

目 前国内大多数工程均采用立轴式冲击破碎机作为制砂的主要生产设备，破碎腔形式无论是“石打石”还是“石打铁”，其生产工艺均采用“进料-破碎-筛分-返回（或进仓）”，流程简图见图1。

石料由转料仓经给料机、胶带输送机送入立轴式破碎机，经破碎后送入筛分机分级，＞5mm的石料全部返回转料仓进行循环，5～2.5mm的石料分两路输出：一路返回转料仓、破碎机再破碎；另一路进入成品砂仓。＜2.5mm的石料进入成品砂仓或进入螺旋分级机后至成品砂仓。

此生产工艺有如下特点：

（1）工艺流程简单，单位能量消耗低。

（2）5～2.5mm的石料反复循环破碎，破碎效果差，能量损耗略偏大。

（3）成品砂中2.5～1.25mm、1.25～0.63mm粒径的石料含量偏少。

（4）成品砂的粒度模数控制难（人为因素控制）。

（5）成品砂率偏低。

2. 立轴式冲击破碎机与棒磨机联合制砂工艺

采 用棒磨机制砂工艺，早在上个世纪七十年代就开始使用。有如下特点：

（1）成品砂质量稳定、粒形好。

（2）耗水、耗电量高、钢棒耗量大。

（3）建安工程量大。

（4）石粉损失量大、水处理费用高。

为了解决立轴式冲击破碎机制砂中，中径含量偏少以及提高产量等问题，采用立轴式冲击破碎机与棒磨机联合制砂工艺。其工艺流程简图见图2。

石料经立轴式冲击破碎机破碎后，进入筛分机分级。＞5mm的石料全部返回转料仓，5～2.5mm的石料进入棒磨机破碎、经螺旋分级机后与＜2.5mm的石料混合进入成品仓。此工艺有如下特点：

（1）集中了立轴式破碎机、棒磨机制砂的优点，克服了立轴式破碎机及棒磨机制砂的缺点。如：中径含量问题、石粉过多流失问题等。

（2）流程中仍然保留了棒磨机及其不足之处。

（3）工艺流程复杂、设备品种多。

3.新型立轴式冲击破碎机制砂工艺研究

3 .1立轴式破碎机工作原理

3.1.1 立轴式破碎机组成结构

立轴式冲击破碎机由入料斗1、落料环2、转子3、涡动破碎腔4、主轴装置5、电动机6、机架7、排料斗8、等八部份组成。如图3所示。

3.1.2立轴式破碎机工作原理

第一阶段：物料在重力作用下经过入料斗形成垂直向下的物料流，通过落料环进入转子中心锥帽顶部并顺势被均匀分配成多股（3～5股）水平料流，在转子加速通道中由于转子自旋转料波的强力冲击，在通道中首先产生强力挤压和研磨破碎，并在加速通道终端遭受抛料头旋转撞击破碎（见图4）。

第 二阶段：水平料流在高速旋转的转子所施离心力作用下，由加速通道被快速加速激射并同时获得巨大动能，此高速料流在涡动破碎腔与物料垫层（石打石机型）或铁砧（石打铁机型）撞击，产生激烈动能与破碎能间的能量充分转换而产生碰撞破碎。动能转化为破碎能的物料会被高速转子提供的源源不断的水平料流追击产生连续破碎，切向抛射也会产生高速挤压、研磨破碎（见图5）。

第三阶段：水平撞击后的物料，由于巨大的料流动能无法完全释放，将会反向溅射，如果溅射进入转子运动区域会再次遭遇构造精妙的转子反击形成反击破碎。

第四阶段：高速旋转的转子与涡动破碎腔桶壁之间形成一密集高速涡流粒子云，物料相互追击，建立起连续高能量碰撞、挤压、研磨，形成连续高能量碰撞的链式复合反应过程（见图6）。

实 际破碎过程大致可视为以上四个阶段的链式复合作用过程。

在破碎过程中耗尽动能的物料，会在自身重力作用下弹入机架精心构筑的设计空间里，顺势滑落进入卸料流排出机架外。在整个破碎过程中，石打石机型的物料流之间自行冲击、研磨、挤压破碎，不与涡动破碎腔的金属构件发生直接碰撞，而是与物料垫层发生冲击、研磨、破碎，这就减少了铁污染和“卡钢”现象；而且物料相互撞击、互相整形，因此无片状、针状，粒形呈良好的立方体形，能获得最优质的机制砂。而石打铁机型由于冲击破碎更为彻底，高速动能转换为破碎能更为充分，制砂的效果更加显著。

3.2立轴式冲击破碎机特点

立式冲击破碎机是低成本生产优质砂的设备，其特点有：

（1）破碎能力强、能耗少，产品颗粒好、产量大；

（2）转子及破碎腔内的物料垫层使得磨损件磨损少，运作成本低廉。

（3）可破中硬、特硬物料（例如花岗岩、烧结铝钒土、刚玉等）；

（4）构造简单、造价低廉。

3.3破碎物料的粒度与破碎机转子速度的影响

物料有其固有的晶粒凝聚力，要使物料破碎必需获取一定的能量并转化为破碎能，且这转化破碎能必须大于或等于其破坏物料晶粒凝聚力的能量。

从立轴式破碎机工作原理可知，物料所获得的能量为动能，即：E_v=1/2mv²。

（ 1）当物料粒径大小已确定时（质量m一定），随着速度v的增高，动能E_v增加很大。

（2）当速度v衡定时，物料质量m增大，动能E_v增加；反之亦然。

经试验分析，立轴式冲击破碎机破碎石料的粒径与速度关系见图7。

（1）在达到相同破碎效果的前提下，破碎物料的粒径大，破碎机转子线速度低；

（2）当破碎物料的粒径为20～2.5mm时，破碎机转子线速度为70～90m/s。

3.4破碎物料的物理特性与破碎机转子线速度的关系

破碎物料（石料）的物理特性：物料的破碎强度δ，杨氏模量E，物料密度ρ，物料的质量M，物料的临界破碎能E_临等与破碎速度V产生的碰撞能量E_碰经理论推导存在有如下关系：

即：

于是有：

即：物料的临界破碎速度V与物料的破碎强度δ成正比，与杨氏模量E，物料密度ρ的平方根成反比。

当破碎物料（石料）确定后，设物料临界破碎能为常数K，物料的破碎速度为V_破，则有： 即：

由此可见：物料的破碎强度δ，杨氏模量E，物料密度ρ等增大时，需要的破碎速度均增加；物料的质量M较小时，需要的破碎速度增加。

3.5新型立轴式冲击破碎机制砂工艺

根 据立轴式冲击破碎机工作原理及破碎物料的粒径与速度关系，制定两种速度组合的立轴式破碎机制砂工艺流程、通过试验确定其参数，用以指导生产。

两种速度组合的立轴式冲击破碎机制砂工艺流程见图8。

石料由转料仓经给料机、胶带机送入常速度（v=50～70m/s）的立轴式冲击破碎机破碎，破碎后进入筛分机分级。＞5mm的石料返回转料仓；5～2.5mm的石料送入高速度（v＞75m/s）的立轴式冲击破碎机再破碎，经再破碎的石料与＜2.5mm的石料混合后进入成品仓。

此生产工艺适用于干法、半干法生产，对于湿法生产需进一步研究。

3.6两种速度立轴式冲击破碎机制砂试验

试验条件：

（ 1）岩石类型：中等抗压强度的灰岩。

（2）转料仓石料粒径40～5mm。

（3）常速立轴式破碎机的理论速度v=65m/s。

（4）高速立轴式破碎机的理论速度v=85m/s。

试验结果见图9。

（1）砂的粒度模数，由F_M=3.54降为F_M=2.77，达到要求。

（2）砂中的石粉﹝＜0.16mm﹞含量，由12.88%上升到17.56%。

（3）中粒径石料含量：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）作为民用建筑用砂，机制弃除多余石粉，使其石粉(＜0.08mm)含量控制在≤5%以内时，则成品砂的粒度模数为F_M=3.0。见图10。立轴式破碎机制砂试验设备布置及流程见照片。

4.影响立式破碎机制砂效果的因素

4.1破碎物料含水量的影响

破 碎物料含水量在一定范围内时，对除尘效果起到重要作用。但含水量较高时会降低产砂量。经测试分析：

（1）当物料含水量控制在≤2%时，扬尘污染严重，必须采取除尘设施。

（2）当物料含水量控制在＞5%时，产砂率明显降低。且随着含水量的增加，产量急剧降低。当含水率达到9～11%时，几乎产砂率为0。

含水率的增加，产砂率的降低，究其原因主要是：在破碎腔内铁砧（或料垫层）表面产生一层石粉垫，物料与铁砧（或料垫）发生碰撞时产生“地毯”效应，从而降低破碎效果。

（3）当物料含水量控制在2～5%时，物料的破碎效果最佳。

（4）当物料含水量＞11%时，宜采用湿法生产，但产砂量比半干法低。

4.2给料量对砂产量的影响

如图11所示。当给料量较小时，产砂量随给料量的增加而增加；产砂率有所降低。

当 给料量达到一定量时，产砂量达到最大值。如PL8500型机最佳给料值为70～90t/h（物料：灰岩，“石打铁”破碎腔）。

当给料量超过一定值后，产砂量增加不多，相反产砂率降低较多。如PL8500型机的给料量超过110t/h时，产砂量增加很小（物料：灰岩，“石打铁”破碎腔）。其原因是：破碎腔内的石料流较大，转子抛出的石料大部分打在石料流上而不是打在铁砧上。

4.3影响制砂的要素

（1）在相同的物料粒径、含水率及破碎机转子速度（即线速度）相同的情况下，给料量（通过量）增加，成品砂中的石粉含量降低、砂的粒度模数增大。

（2）当物料的含水率、给料量稳定，破碎机转子速度（即线速度）相同的情况下，物料粒径（≤60mm）增大，其石粉含量增加、粒度模数降低。

（3）在相同的物料粒径、含水率、给料量下，随着破碎机转子速度（即线速度）上升，砂中石粉含量增加、粒度模数降低。

5.两种速度立轴式破碎机制砂要点

经试验分析，采用常速与高速立轴式破碎机联合制砂，可提高成品砂产量与质量。可以实现“以破代磨”工艺，使完全抛弃棒磨机制砂成为现实。

（1）常速立轴式破碎机的破碎腔体可以为“石打铁”型，亦可以为“石打石”型。两者没有质的变化，只有量上的变化。“石打铁”型产砂量比“石打石”型高，而前者砂的粒形稍差，石粉含量较多，铁砧的磨损多。

（2）高速立轴式破碎机的破碎腔体最好为“石打铁”型，其物料通过量要适当低些为宜。原因是：5～2.5mm石料粒径较小、质量较轻，要使其物料破碎必须获得较多的有效碰撞能量。

（3）采用两种速度的立轴式破碎机制砂，适当增大高速破碎机进石料的粒径，可进一步提高成品砂中的石粉含量及降低成品砂的粒度模数。

［作者简介］

沈 杰，男，1971年出生，贵州贵阳人，高级工程师。长期从事从事砂石系统工艺设计、安装、运行等管理工作。

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