立軸式沖擊破碎機制砂工藝與研究

謝學斌

（中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081）

采用立軸式沖擊破碎機制砂，國內從上世紀九十年代中期以來就在大型水電工程中開始使用，其生產工藝有干法、濕法、半干法等。無論采用何種生產工藝應用到生產中，都存在有：生產的砂細度模數偏大、中徑粒徑偏少等缺點，嚴重影響混凝土質量，各種混凝土要求適應性差等。因此，對立軸式沖擊破碎生產工藝需進一步研究，提高產品質量。

1 傳統立軸式沖擊破碎機生產工藝

目前國內大多數工程均采用立軸式沖擊破碎機作為制砂的主要生產設備，破碎腔形式無論是“石打石”還是“石打鐵”，其生產工藝均采用“進料-破碎-篩分-返回（或進倉）”，流程簡圖見圖 1。

此生產工藝有如下特點：

（1）工藝流程簡單，單位能量消耗低。

（2）5～2.5mm的石料反復循環破碎，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）成品砂的粒度模數控制難（人為因素控制）。

（5）成品砂率偏低。

2 立軸式沖擊破碎機與棒磨機聯合制砂工藝

為了解決立軸式沖擊破碎機制砂中，中徑含量偏少以及提高產量等問題，采用立軸式沖擊破碎機與棒磨機聯合制砂工藝。其工藝流程簡圖見圖2。

石料經立軸式沖擊破碎機破碎后，進入篩分機分級。＞5mm 的石料全部返回轉料倉，5～2.5mm 的石料進入棒磨機破碎、經螺旋分級機后與＜2.5mm 的石料混合進入成品倉。此工藝有如下特點：

（1）集中了立軸式破碎機、棒磨機制砂的優點，克服了立軸式破碎機及棒磨機制砂的缺點。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及其不足之處。

（3）工藝流程復雜、設備品種多。

3 新型立軸式沖擊破碎機制砂工藝研究

3.1 立軸式破碎機工作原理

第一階段：物料在重力作用下經過入料斗形成垂直向下的物料流，通過落料環進入轉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，在轉子加速通道中由于轉子自旋轉料波的強力沖擊，在通道中首先產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撞擊破碎。

第二階段：水平料流在高速旋轉的轉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（石打石機型）或鐵砧（石打鐵機型）撞擊，產生激烈動能與破碎能間的能量充分轉換而產生碰撞破碎。動能轉化為破碎能的物料會被高速轉子提供的源源不斷的水平料流追擊產生連續破碎，切向拋射也會產生高速擠壓、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，如果濺射進入轉子運動區域會再次遭遇構造精妙的轉子反擊形成反擊破碎。

第四階段：高速旋轉的轉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，建立起連續高能量碰撞、擠壓、研磨，形成連續高能量碰撞的鏈式復合反應過程。

實際破碎過程大致可視為以上四個階段的鏈式復合作用過程。

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架精心構筑的設計空間里，順勢滑落進入卸料流排出機架外。在整個破碎過程中，石打石機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件發生直接碰撞，而是與物料墊層發生沖擊、研磨、破碎，這就減少了鐵污染和“卡鋼”現象；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，能獲得最優質的機制砂。而石打鐵機型由于沖擊破碎更為徹底，高速動能轉換為破碎能更為充分，制砂的效果更加顯著。

3.2 立軸式沖擊破碎機特點

立式沖擊破碎機是低成本生產優質砂的設備，其特點有：

（1）破碎能力強、能耗少，產品顆粒好、產量大；

（2）轉子及破碎腔內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、燒結鋁釩土、剛玉等）。

（4）構造簡單、造價低廉。

3.3 破碎物料的粒度與破碎機轉子速度的影響

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化為破碎能，且這轉化破碎能必須大于或等于其破壞物料晶粒凝聚力的能量。

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

（1）當物料粒徑大小已確定時（質量 m一定），隨著速度v的增高，動能 Ev 增加很大。

（2）當速度 v 衡定時，物料質量 m 增大，動能 Ev 增加；反之亦然。

經試驗分析，立軸式沖擊破碎機破碎石料的粒徑與速度關系。

（1）在達到相同破碎效果的前提下，破碎物料的粒徑大，破碎機轉子線速度低；

（2）當破碎物料的粒徑為 20～2.5mm 時，破碎機轉子線速度為 70～90m/s。

3.4 破碎物料的物理特性與破碎機轉子速度的關系

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，物料的質量 M，物料的臨界破碎能E臨等與破碎速度 V 產生的碰撞能量 E碰經理論推導存在有如下關系

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。

當破碎物料（石料）確定后，設物料臨界破碎碎能 為常常數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；物料的質量 M 較小時，需要的破碎速度增加。

3.5 新型立軸式沖擊破碎機制砂工藝

根據立軸式沖擊破碎機工作原理及破碎物料的粒徑與速度關系，制定兩種速度組合的立軸式破碎機制砂工藝流程、通過試驗確定其參數，用以指導生產。

兩種速度組合的立軸式沖擊破碎機制砂工藝流程見圖3。

石料由轉料倉經給料機、 膠帶機送入常速度（v=50～70m/s）的立軸式沖擊破碎機破碎，破碎后進入篩分機分級。＞5mm 的石料返回轉料倉；5～2.5mm 的石料送入高速度（v＞75m/s）的立軸式沖擊破碎機再破碎，經再破碎的石料與 ＜2.5mm 的石料混合后進入成品倉。

此生產工藝適用于干法、半干法生產，對于濕法生產需進一步研究。

3.6 兩種速度立軸式沖擊破碎機制砂試驗

試驗條件：

（1）巖石類型：中等抗壓強度的灰巖。

（2）轉料倉石料粒徑 40～5mm。

（3）常速立軸式破碎機的理論速度 v=65m/s。

（4）高速立軸式破碎機的理論速度 v=85m/s。試驗結果見如下。

（1）砂的粒度模數，由 FM=3.54 降為 FM=2.77，達到要求。

（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，機制棄除多余石粉，使其石粉(＜0.08mm)含量控制在 ≤5% 以內時，則成品砂的粒度模數為FM=3.0。

4 影響立式破碎機制砂效果的因素

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時，對除塵效果起到重要作用。但含水量較高時會降低產砂量。經測試分析：

（1）當物料含水量控制在 ≤2% 時，揚塵污染嚴重，必須采取除塵設施。

（2）當物料含水量控制在 ＞5% 時，產砂率明顯降低。且隨著含水量的增加，產量急劇降低。當含水率達到 9～11%時，幾乎產砂率為 0。

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

（3）當物料含水量控制在 2～5% 時，物料的破碎效果最佳。

（4）當物料含水量 ＞11% 時，宜采用濕法生產，但產砂量比半干法低。

4.2 給料量對砂產量的影響

當給料量較小時，產砂量隨給料量的增加而增加；產砂率有所降低。

當給料量達到一定量時，產砂量達到最大值。如 PL8500型機最佳給料值為 70～90t/h（物料：灰巖，“石打鐵”破碎腔）。

當給料量超過一定值后，產砂量增加不多，相反產砂率降低較多。如 PL8500 型機的給料量超過 110t/h 時，產砂量增加很小（物料：灰巖，“石打鐵”破碎腔）。其原因是：破碎腔內的石料流較大，轉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的影響

（1）在相同的物料粒徑、含水率及破碎機轉子速度（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、砂的粒度模數增大。當給料量達到一定值后基本穩定。

（2）當物料的含水率、給料量穩定，破碎機轉子速度（即線速度）相同的情況下，物料粒徑（≤60mm）增大，其石粉含量增加、粒度模數降低。

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

5 兩種速度立軸式破碎機制砂要點

經試驗分析，采用常速與高速立軸式破碎機聯合制砂，可提高成品砂產量與質量。可以實現“以破代磨”工藝，使完全拋棄棒磨機制砂成為現實。

（1）常速立軸式破碎機的破碎腔體可以為“石打鐵”型，亦可以為“石打石”型。兩者沒有質的變化，只有量上的變化。“石打鐵”型產砂量比“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制砂，適當增大高速破碎機進石料的粒徑，可進一步提高成品砂中的石粉含量及降低成品砂的粒度模數。