砂石系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化改造及工藝技術(shù)研究及應(yīng)用

張焱兵 霍 姍

（中國水利水電第十一工程局有限公司， 河南 鄭州 472000）

1 工程概況

羊曲水電站位于青海省海南州興海縣與貴南縣交界處，是黃河干流龍羊峽水電站上游“茨哈、班多和羊曲”三個(gè)規(guī)劃梯級(jí)電站的最下一級(jí)。羊曲水電站水庫正常蓄水位為2715m，死水位2713m，正常蓄水位時(shí)水庫庫容14.724億m3，工程規(guī)模為一等大（1）型工程。

羊曲水電站設(shè)計(jì)混凝土量約132萬m3，混凝土骨料采用野狐峽天然砂石料場右岸Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)開采料和部分河道疏浚料進(jìn)行加工。砂石加工系統(tǒng)位于壩址右岸下游野狐峽料場東側(cè)的緩坡平臺(tái)。根據(jù)野狐峽料場砂礫石級(jí)配情況，系統(tǒng)工藝只設(shè)中、細(xì)碎環(huán)節(jié)，采用立軸沖擊破及棒磨機(jī)制砂，并調(diào)整級(jí)配和細(xì)度模數(shù)，濕法篩分清洗天然砂料。

2 課題背景

天然砂石系統(tǒng)在國內(nèi)一些水電工程上使用較多，但是目前形成可借鑒的資料較少，通過本工程砂石系統(tǒng)工況研究，積累砂石系統(tǒng)生產(chǎn)方面的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)成果，便于在以后類似項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)及運(yùn)行等方面進(jìn)行參考。[1]

羊曲水電站砂石骨料加工系統(tǒng)要供應(yīng)整個(gè)電站混凝土生產(chǎn)使用，規(guī)模和強(qiáng)度較大，砂石骨料總需用量175萬m3。要確保生產(chǎn)骨料級(jí)配良好、減少棄料，同時(shí)滿足成本節(jié)約和環(huán)保的要求，必須要對(duì)砂石生產(chǎn)工藝和設(shè)備性能進(jìn)行研究。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，砂石生產(chǎn)系統(tǒng)中棄料成本在整個(gè)生產(chǎn)直接成本中占較大比重，因此對(duì)羊曲右岸砂石系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備性能進(jìn)行研究，調(diào)節(jié)毛料級(jí)配不平衡因素，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)和級(jí)配不平衡造成的棄料，節(jié)約生產(chǎn)成本，使項(xiàng)目利潤最大化。[2]

羊曲水電站砂石骨料用量較大，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由西北院完成，業(yè)主為了降低成本，加工設(shè)備主要采用積石峽和拉西瓦的舊設(shè)備，由于地區(qū)不一樣毛料級(jí)配及巖石特性都會(huì)發(fā)生變化，以上兩個(gè)工程的生產(chǎn)運(yùn)行不是由我單位完成，目前可借鑒的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)幾乎沒有，而本工程是由兩個(gè)系統(tǒng)的舊設(shè)備拼湊而成，生產(chǎn)期工藝及工況研究必不可少。因此為了滿足本電站不同階段和時(shí)期各級(jí)成品骨料需求量，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)棄料，降低本工程運(yùn)行成本，是這一課題提出的背景。

3 課題選定原因

本工程地處黃河上游流域，目前在黃河上游建成完工的拉西瓦水電站砂石系統(tǒng)、班多水電站砂石場等天然砂石系統(tǒng)生產(chǎn)已積累了一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但在運(yùn)行期對(duì)加工設(shè)備工況、級(jí)配平衡和減少棄料等方面研究形成的資料很少，根據(jù)我部在業(yè)主單位、已完工程現(xiàn)場勘查以及羊曲前期臨時(shí)砂石系統(tǒng)生產(chǎn)所掌握的資料，羊曲水電站砂石系統(tǒng)與其它砂石系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在毛料料源級(jí)配和巖性上，在生產(chǎn)工藝上也有所差異；本工程大部分設(shè)備使用的是從已完工的積石峽電站和拉西瓦電站砂石系統(tǒng)留下來的舊設(shè)備，舊設(shè)備其生產(chǎn)能力和設(shè)備性能等方面相比新設(shè)備也會(huì)有所改變。因此針對(duì)毛料級(jí)配差異、系統(tǒng)生產(chǎn)工藝以及砂石設(shè)備性能方面，開展此項(xiàng)研究很有必要。[3]

4 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)野狐峽料場勘察資料，該料場粗骨料天然級(jí)配理想，大于150mm的超徑石含量極少，含泥量符合規(guī)范要求；細(xì)骨料質(zhì)量較差，細(xì)度模數(shù)高低懸殊，不均衡，含泥量普遍超標(biāo)，平均粒徑偏細(xì)。針對(duì)料源級(jí)配情況和巖性情況，結(jié)合本工程的料源不確定性特點(diǎn)，砂石加工工藝流程設(shè)計(jì)采運(yùn)棄料和破碎相結(jié)合的工藝流程平衡設(shè)計(jì)思路，即棄除大于180mm的超徑毛料，180mm以下的毛料進(jìn)行工藝平衡，將80-180mm的超徑石經(jīng)過逐級(jí)破碎平衡，滿足骨料平衡要求。因此，砂石系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)中不設(shè)粗碎環(huán)節(jié)，只設(shè)中細(xì)碎環(huán)節(jié)，采用立軸沖擊破及棒磨機(jī)聯(lián)合制砂，并考慮天然砂料的清洗和級(jí)配調(diào)整。

1、掌握毛料級(jí)配的總體情況和毛料中巖石的主要成分。

2、對(duì)砂石系統(tǒng)加工設(shè)備性能研究，使設(shè)備性能發(fā)揮到最大化，適應(yīng)不同毛料級(jí)配情況下的生產(chǎn)工況；

3、通過對(duì)生產(chǎn)過程中各種參數(shù)的有機(jī)結(jié)合，調(diào)節(jié)毛料級(jí)配不平衡，減少棄料；

4、根據(jù)減少棄料量，調(diào)整毛料量，合理配置資源組織生產(chǎn)砂石骨料。

5 關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)

切實(shí)做到加工系統(tǒng)各類破碎設(shè)備與系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)緊密結(jié)合，充分發(fā)揮破碎性能對(duì)系統(tǒng)均衡生產(chǎn)的調(diào)節(jié)能力，在滿足生產(chǎn)強(qiáng)度和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，避免破碎設(shè)備低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，降低能耗，減少棄料，節(jié)約成本，使毛料利用率達(dá)到最大化。[4]

6 主要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

為了適應(yīng)生產(chǎn)的不均勻性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有半成品料堆、預(yù)篩分調(diào)節(jié)料堆。系統(tǒng)的不平衡生產(chǎn)造成部分工序超強(qiáng)度生產(chǎn)或延長系統(tǒng)生產(chǎn)時(shí)間才能滿足工程需要，另一方面還將增加料堆富余料的倒運(yùn)費(fèi)用。本砂石系統(tǒng)生產(chǎn)工期緊、規(guī)模大、生產(chǎn)強(qiáng)度不均衡，通過對(duì)砂石設(shè)備性能研究，既確保安全運(yùn)行、又能加快施工進(jìn)度、降低施工成本，有很大的經(jīng)濟(jì)效益。

羊曲水電站砂石加工系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，充分考慮了料場天然級(jí)配的波動(dòng)及不同級(jí)配需求時(shí)各級(jí)骨料用量的變化，使系統(tǒng)對(duì)料場及混凝土級(jí)配的變化適應(yīng)性增強(qiáng)。

7 研究過程

7.1 研究路線

1）了解各方面的初始資料，對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地考察，根據(jù)收集到的資料結(jié)合本工程的生產(chǎn)工藝流程以及各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制指標(biāo)進(jìn)行匯總分析確定最大值和合理值。

2）通過理論上工藝平衡計(jì)算出哪級(jí)骨料作為基本控制點(diǎn)以及其他各級(jí)配的余缺量，再與工藝中的生產(chǎn)設(shè)備的研究結(jié)果結(jié)合起來進(jìn)行統(tǒng)籌分析。

3）通過現(xiàn)場反復(fù)的實(shí)踐檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較微調(diào)，最終形成一套針對(duì)本工程具有指導(dǎo)性、可操作性的具體方案。

7.2 研究方法

1）通過對(duì)料場儲(chǔ)量勘察及篩分實(shí)驗(yàn)確定毛料開挖最大粒徑。

2）通過天然篩分實(shí)驗(yàn)確定毛料天然級(jí)配，再將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際需求級(jí)配進(jìn)行比較，確定各級(jí)的富余程度。

3）通過對(duì)破碎設(shè)備性能進(jìn)行生產(chǎn)性實(shí)驗(yàn)研究，確定設(shè)備的實(shí)際工況，為工藝平衡計(jì)算打下基礎(chǔ)。

4）對(duì)整個(gè)生產(chǎn)工藝進(jìn)行平衡計(jì)算，選擇不同生產(chǎn)級(jí)配情況下各設(shè)備的最佳工況，調(diào)節(jié)毛料級(jí)配不平衡，減少棄料。[5]

研發(fā)過程

a) 試驗(yàn)階段，利用運(yùn)行的砂石設(shè)備進(jìn)行模擬試驗(yàn)，檢測出毛料的級(jí)配情況；

檢測出毛料的級(jí)配情況如下：

料場砂、礫料試驗(yàn)成果匯總表

野狐峽料場粗骨料物理和化學(xué)性能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)偏低，平均粒徑較細(xì)，含泥量普遍超標(biāo)，空隙率略高。料場超徑石含量較少，有效粒徑含量較高，含礫率、含砂率均較高，級(jí)配較好。干松混合密度、比重、空隙率、吸水率、有機(jī)質(zhì)、輕物質(zhì)及針片狀顆粒含量等指標(biāo)均能滿足砼用粗骨料的質(zhì)量技術(shù)要求。細(xì)骨料試驗(yàn)成果表明：砂的級(jí)配較好，細(xì)度模數(shù)1.72～2.54，平均值2.22，滿足規(guī)范要求，含泥量4.5%～20.0%，平均10.4%，大于規(guī)范要求的＜3%。試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)：大石的含量大約為19.87%，中石的含量大約為20.2%，小石的含量大約為23.23%，砂子的含量大約為19.6%。

b) 試驗(yàn)分析階段

合同中要求項(xiàng)目部生產(chǎn)混凝土132萬方，需要毛料約180萬方，按照試驗(yàn)階段我部得出的各種骨料的含量值，可以次推算出180萬毛料生產(chǎn)出來的各骨料的總量。根據(jù)業(yè)主提供的混凝土配合比，故我部計(jì)算出生產(chǎn)132萬方混凝土所需的骨料總量，兩者相比較，我們不難發(fā)現(xiàn)，大石生產(chǎn)的富余系數(shù)很大，則小石，中石，砂子的生產(chǎn)量將無法滿足需求。所以我們通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造以提高小石，中石，砂子的生產(chǎn)量，保證整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)量滿足生產(chǎn)混凝土的需求量。

c) 設(shè)備改造

根據(jù)目前破碎行業(yè)的新概念，大破碎比、具有層壓破碎的圓錐破最適合本工程的需要。利用精力層壓破碎新理念解決靜力擠壓破碎骨料粒型存在針片狀問題；選用粗腔型小排料口的圓錐破碎機(jī)，通過調(diào)整圓錐破碎機(jī)的開口尺寸，加大破碎比，發(fā)揮靜力層壓破碎新技術(shù)，可充分調(diào)整出料的級(jí)配、粒型，平衡系統(tǒng)生產(chǎn)、優(yōu)化產(chǎn)品粒型，減少骨料工藝流程循環(huán)量，達(dá)到高效生產(chǎn)的目的。因?yàn)獒槍?duì)本系統(tǒng)的中碎和細(xì)碎車間設(shè)備進(jìn)行改造，達(dá)到級(jí)配平衡，棄料減少的目的。

中碎車間：本系統(tǒng)中碎車間設(shè)置兩臺(tái)GP200S的圓錐破碎機(jī)，破碎出大石量較大，造成系統(tǒng)生產(chǎn)的大石量富余。該系列圓錐破碎機(jī)不同于常規(guī)的圓錐破碎機(jī)，在破碎腔型、轉(zhuǎn)速(破碎頻率)及偏心距(沖程)等技術(shù)參數(shù)均得到了優(yōu)化,更為重要的是采用并實(shí)現(xiàn)了層壓破碎；顆粒的破碎不僅發(fā)生在顆粒與襯板間,而且發(fā)生在顆粒與顆粒之間。顆粒之間相互擠壓,使扁平及長條狀顆粒沿其薄弱斷面斷裂( 即被折斷)、每個(gè)巖石顆粒在破碎腔中得到多次破碎。所以：

①產(chǎn)品粒型更趨于立方狀,從而使針片狀含量大大降低；

②襯套磨耗更小，襯套壽命大大提高；

③可以通過不同偏心距、不同腔型的變化使用戶增加細(xì)料或減少細(xì)料產(chǎn)品，重量輕效率高。

因此，通過對(duì)該型號(hào)設(shè)備稍加改進(jìn)，以此來避免成品大石生產(chǎn)量偏高的現(xiàn)象。

改進(jìn)方法：1）更換高功率的電機(jī)。將原有的160kw的電機(jī)更換成為185kw的電機(jī)，電機(jī)功率加大。因?yàn)槠扑闄C(jī)圓錐部在偏心套的迫動(dòng)下繞一周固定點(diǎn)作旋擺運(yùn)動(dòng)從而使破碎圓錐的破碎璧時(shí)而靠近又時(shí)而離開固裝在調(diào)整套上的扎臼壁表面，電機(jī)功率加大能更好的提高帶載能力，使砂礫石在破碎腔內(nèi)受到?jīng)_擊頻率增加，擠壓和彎曲作用使得砂礫石的破碎效率更高，加之其配備的自動(dòng)控制和保護(hù)功能的潤滑系統(tǒng)使其運(yùn)行更保證可靠；2）將圓錐破中動(dòng)錐提升1cm，使圓錐破動(dòng)錐和圓錐破內(nèi)壁周圍的靜耐磨件的間距較少，排料口減小。由于原有圓錐破設(shè)備中的動(dòng)錐外圍動(dòng)耐磨件和圓錐皮內(nèi)壁的靜耐磨件為4cm后，設(shè)備在運(yùn)行過程和卸料過程時(shí)沿工作表面交替連續(xù)進(jìn)行，將動(dòng)錐外圍動(dòng)耐磨件和圓錐皮內(nèi)壁的靜耐磨件均加厚為5cm，大大減小其間距，排料口相比減小，物料夾在兩椎體之間，受到擠壓力度變大，彎曲和剪切作用增加，破碎頻率增加，同時(shí)破碎比增加，生產(chǎn)物料粒度更均勻，多呈立方體形狀，動(dòng)力消耗較低，動(dòng)錐工作表面的磨損也較均勻，從而達(dá)到通過圓錐破破碎的骨料粒徑減小的目的，這樣以來通過圓錐破破碎后的石子的粒徑就會(huì)減小，以此來達(dá)到減少大石生產(chǎn)量，增加中小石生產(chǎn)量的目的。

細(xì)碎車間: 本系統(tǒng)細(xì)碎車間為兩臺(tái)GP100SM的圓錐破碎機(jī)。目的是對(duì)成品大石進(jìn)行破碎，增加中石、小石生產(chǎn)量。

改進(jìn)方法：1）更換高功率的電機(jī)。將原有的90kw的電機(jī)更換成為110kw的電機(jī)，電機(jī)功率加大。因?yàn)槠扑闄C(jī)圓錐部在偏心套的迫動(dòng)下繞一周固定點(diǎn)作旋擺運(yùn)動(dòng)從而使破碎圓錐的破碎璧時(shí)而靠近又時(shí)而離開固裝在調(diào)整套上的扎臼壁表面，電機(jī)功率加大能更好的提高帶載能力，使砂礫石在破碎腔內(nèi)受到?jīng)_擊頻率增加，擠壓和彎曲作用使得砂礫石的破碎效率更高，加之其配備的自動(dòng)控制和保護(hù)功能的潤滑系統(tǒng)使其運(yùn)行更保證可靠；2）將圓錐破中動(dòng)錐提升1cm，使圓錐破動(dòng)錐和圓錐破內(nèi)壁周圍的靜耐磨件的間距較少，排料口減小。由于原有圓錐破設(shè)備中的動(dòng)錐外圍動(dòng)耐磨件和圓錐皮內(nèi)壁的靜耐磨件為3cm后，設(shè)備在運(yùn)行過程和卸料過程時(shí)沿工作表面交替連續(xù)進(jìn)行，將動(dòng)錐外圍動(dòng)耐磨件和圓錐皮內(nèi)壁的靜耐磨件均加厚為4cm，大大減小其間距，排料口相比減小，物料夾在兩椎體之間，受到擠壓力度變大，彎曲和剪切作用增加，破碎頻率增加，同時(shí)破碎比增加，生產(chǎn)物料粒度更均勻，多呈立方體形狀，動(dòng)力消耗較低，動(dòng)錐工作表面的磨損也較均勻，從而達(dá)到通過圓錐破破碎的骨料粒徑減小的目的，這樣以來通過圓錐破破碎后的石子的粒徑就會(huì)減小，以此來達(dá)到減少大石生產(chǎn)量，增加中小石生產(chǎn)量的目的。

總之，通過上述兩種情況的改造，使得新改造后的系統(tǒng)中小石生產(chǎn)量大大增加。小石和中石的生產(chǎn)量增大后，通過膠帶機(jī)回到立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)上的中小石量也將明顯增加，通過立軸破碎機(jī)生產(chǎn)出來的砂子量也將明顯增加，從而增加砂子的生產(chǎn)量；通過膠帶機(jī)進(jìn)入棒磨機(jī)中的小石量也明顯增加，通過棒磨機(jī)生產(chǎn)出來的砂子量也明顯增加，從而達(dá)到提高砂子產(chǎn)量的目的。

注：待經(jīng)耐磨襯板磨損到一定程度，將圓錐破碎機(jī)中的動(dòng)錐提升1cm，提升一定高度時(shí)要更換耐磨襯板，將中碎圓錐破的耐磨襯板更換到細(xì)碎圓錐破的耐磨襯板，從而達(dá)到二次利用的效果，節(jié)約了耐磨件的消耗。

d) 改造后效果比較

設(shè)備改造后，我們對(duì)砂石系統(tǒng)的生產(chǎn)能力做了多次試驗(yàn)：

設(shè)備改造后砂石系統(tǒng)生產(chǎn)能力試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果我們可以得出：大石的生產(chǎn)量為17.95%，中石的生產(chǎn)量為：21.21%，小石生產(chǎn)量為24.06%，砂子的生產(chǎn)量為230.4%。中石、小石、砂子的生產(chǎn)量明顯提高。

7.3 施工質(zhì)量要求

大石、中石、小石及砂檢測項(xiàng)目均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》中的技術(shù)要求。

7.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過對(duì)中細(xì)碎車間破碎機(jī)的改造，減少了棄料和大石的生產(chǎn)量，提高了中石、小石、砂子的生產(chǎn)量，更好的滿足了混凝土生產(chǎn)的需求量，縮短了施工工期，節(jié)約了資源的浪費(fèi)，提高了經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

GP200S圓錐破系列粒度曲線

8 結(jié)束語

由于社會(huì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，有許多企業(yè)在生產(chǎn)技術(shù)方面都進(jìn)行了一定的改造，提高生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量，以此來提高企業(yè)的競爭力，能夠順應(yīng)社會(huì)時(shí)代快速發(fā)展的需要。通過對(duì)砂石系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)化改造及工藝技術(shù)研究，水電站的生產(chǎn)問題在一定程度上得到了解決，水電站的生產(chǎn)成本也有所降低，也推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)在水電站行業(yè)中的發(fā)展，促進(jìn)了水電站行業(yè)本身的發(fā)展。