水电工程人工制砂技术的应用范文

摘要:结合贵州省内水电工程，以各制砂工艺的历史形成为主线，阐述了人工制砂技术在水电工程中的实践应用历程，总结并分析了各制砂工艺特点;根据新时期水电工程发展要求，提出了人工制砂技术的前景展望，指出面对新形势、新挑战，水电工程的砂石产业在发扬传统的同时，也要大胆开拓，对砂石的加工技术、装备制造、产品质量检测等进行系统、深入的研究和创新，以保障水电工程的可持续发展。

关键词:水电工程;人工制砂技术;应用回顾;前景展望

0引言

贵州境内的水电工程，大多存在河床深切、水流湍急，难以形成河床滩地，且没有良好的天然砂砾石料场等问题。而人工机制砂石料源与天然砂砾石料源相比，具有料源丰富、加工受季节影响小、成品料的粒形及级配良好等优势，从而得到了广泛的应用［1］。制砂技术是机制人工骨料加工系统中最为重要的核心工艺，也是业内公认的系统设计成败的标志。中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司(以下简称“贵阳院”)从20世纪60年代猫跳河梯级水电站建设开始，首创采用了锤式破碎机制砂，是人工制砂的初步尝试，到1992年建成全国首座碾压混凝土拱坝，在这之后又先后完成了索风营、大花水、格里桥、光照、龙首、思林、沙坨、石桠子、善泥坡、马马岩等十余座混凝土坝的砂石系统设计工作。本文从人工砂石系统的应用与实践出发，回顾总结水电工程人工制砂技术的发展历程，在总结工程经验的同时，对未来人工砂石系统的发展方向提出建议。

1人工机制砂技术的发展历程回顾

水电工程人工机制砂工艺大致经历了由锤式破碎机制砂、棒磨机制砂、立轴冲击式破碎机(以下简称“立轴破”)制砂等的单破碎段制砂工艺，到立轴破碎机与棒磨机联合制砂工艺、两级立轴破(高、低速)联合制砂的多破碎段联合制砂工艺的发展过程。相应的干法、湿法、半干法等生产工艺也先后随之产生。

1.1锤式破碎机制砂工艺

(1)工艺介绍。石料由原料仓经给料机、胶带机送入锤式破碎机，经破碎后送入筛分机分级，大于5mm的石料全部返回转料仓进行闭路循环，小于5mm的石料进入成品砂仓。(2)工程应用。20世纪50年代末，贵州猫跳河三级修文水电站确定了初步的干式制砂工艺:二级破碎，生产能力为80t/h，头破粗碎采用颚破，二破细碎为400mm×600mm的锤磨机，锤磨机上设置筛条生产小石，设置铸铁圆孔板筛网生产砂。1963年～1970年在猫跳河二级百花水电站、四级窄巷口水电站建设中，设计出了三级破碎，生产能力为80t/h，加工原料运至颚破粗碎，在通过胶带机送到600mm×800mm带筛条的锤磨机，经筛分后小于5mm的颗粒进入砂仓，5～10mm的颗粒进入螺旋洗石机清洗后送到小石料仓，大于10mm的颗粒进入中石料仓，部分进入400mm×600mm锤磨机(机上带铸铁圆孔板网)直接生产小于5mm的颗粒进入砂仓。(3)特点总结。锤式破碎机制砂开启了我国人工机制加工骨料的先河，是水电人对机械制砂大胆尝试和探索的成果。该工艺采用干法生产，适用于小型生产系统，设备成本低、见效快，但产量低、磨损件消耗大、粉尘飞扬严重，且砂的细度模数及质量控制较难。目前在大、中型水电工程砂石加工系统中已很少使用，在小型砂石加工系统及工业与民用建设中的砂石系统仍偶有使用。

1.2棒磨机制砂工艺

(1)工艺介绍。物料由棒磨机给料部的进料中空轴进入筒体内，电动机带动装有钢棒的筒体旋转，物料受到钢棒的撞击以及钢棒与筒体衬板间的粉磨之后从排料中空轴流出进入洗砂机洗砂、选砂。(2)工程应用。1972年棒磨机制砂工艺正式应用于生产能力为500t/h的贵州乌江渡水电站左岸人工砂石系统［2］，便形成了全湿法制砂技术，这也开创了国内大型水电工程在没有天然砂砾石料可利用的前提下，全部采用人工机制砂的先河。该系统采用三级破碎、二次筛分、棒磨机制砂工艺，生产流程按开路破碎方式布置。制砂车间选用了5台MBZ-2100×3600型棒磨机。1989年建成的450t/h规模的乌江东风水电站人工砂石系统也采用全湿法制砂技术，但改进为闭路循环加工，系统粗碎为旋回破、中碎为反击破，制砂采用3台MBZ2100×3600型棒磨机，其筛分车间、中细碎车间均为闭路循环［3］。(3)特点总结。①棒磨机一般采用湿法生产，具有结构简单、操作方便、设备可靠、产品粒形好、粒度分布均匀、细度模数可调、质量稳定等优点，适用于难碎岩石、中等可碎岩石，虽然棒磨机加工会产生较多石粉，但洗砂环节石粉流失严重，成品砂裹粉后造成脱粉困难，而且存在制砂单位能耗高、钢棒耗量大、齿轮润滑油耗量大、噪声大、成品砂脱水困难、进料粒径小(≤25mm)、运行成本高等缺陷，现已不作为主要制砂设备，仅用于配合立轴破制砂调节砂中石粉含量和细度模数。②湿法制砂工艺，砂的脱水周期长，会影响成品砂的产量，需要较大的砂仓，且砂的石粉流失量大、回收难，造成成品砂的石粉含量低，生产废水对环境造成的污染较大，水处理费用高，较难实现资源循环使用;成品砂含水率不易控制在6%以下。

1.3立轴破制砂工艺

(1)工艺介绍。石料由转料仓经给料机送入立轴破，经破碎后送入筛分机，大于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。小于2.5mm的石料进人成品砂仓。(2)工程应用。2001年～2002年建成的索风营水电站砂石系统设计生产能力为850t/h，系统设计之初其细碎车间只配置了2台Nordberg公司生产的VI400立轴破制砂机，并列运行，其单机破碎能力为250～300t/h，产砂率30%～35%。运行期由于该机的产砂率偏低，砂的细度模数偏大(FM=3.3～3.8)，为满足设计对砂的细度模数(FM=2.2～2.9)的要求，又增设了2台国产的PL-8500立轴破碎机(“石打铁”型)，来处理VI400制砂机经筛分处理后的回头料，其单机破碎能力为80～160t/h，产砂率为50%～65%。PL-8500生产的砂料含粉率可达20%以上，改善了碾压混凝土对石粉含量的要求［4］。但由于进料中物料表面含有水分，在破碎过程中容易产生“地毯效应”使产砂率明显下降。特别是物料含水率大于3%时，产砂率大幅降低。因此，索风营水电站人工砂石料生产系统采用半干式(即前湿后干)制砂工艺，既降低了粉尘对空气的污染，又提高了制砂产量及粉砂、废水的回收利用率。(3)特点总结。①立轴破制砂工艺流程简单，特别适用于灰岩破碎，具有单位能量消耗低、产品粒形好、定子磨损低等优点。②5～2.5mm的石料反复循环破碎，破碎效果差，能量损耗略偏大。③成品砂存在粗颗粒径及细颗粒径偏多，中间粒径(2.5～1.25mm、1.25～0.63mm粒径)含量少，即“两头大中间小”的缺陷。④成品砂的粒度模数控制难(主要靠人为因素控制)。⑤成品砂率偏低。半干法生产工艺一般是指前湿后干生产工艺，即预筛分采用湿法生产并控制出料含水率，部分5～40mm的颗粒脱水后作为制砂原料，制砂破碎机排出料的含水率控制在2%～5%之间，检查筛分不再喷淋水。主要适用于原料含泥量不太高，砂要求含粉量较高的系统。但缺点是制砂原料经过水洗，在进入立轴破前必须采取可靠措施脱水，确保进入立轴破的原料含水率不大于3%，否则严重影响立轴破的制砂效果和检查筛分的筛分效率。

1.4立轴破与棒磨机联合制砂工艺

(1)工艺介绍。石料由转料仓经给料机、胶带机分别送入立轴破和棒磨机，经破碎后送入筛分机分级，大于5mm的石料全部返回转料仓进行循环，棒磨机粉磨后的物料进入洗砂机洗砂、选砂，再经过脱水筛脱水，小于2.5mm的物料与立轴破的小于5mm的粗砂混合进入成品砂仓。(2)工程应用。2005年投标设计阶段的北盘江光照水电站左岸基地砂石加工系统的制砂技术采用闭路循环、“立轴破+棒磨机”的工艺。系统处理能力为1200t/h，加工砂能力为293t/h。立轴破车间处理量为518t/h，选用3台国产的PL-9500立轴破，设备单机处理能力为350t/h左右。棒磨车间处理量为74t/h，选用2台MBZ2136型棒磨机。立轴破为主要制砂设备，棒磨机调节细度模数和石粉含量［5］。用“立轴破+棒磨机”联合制砂是破磨结合的半干式制砂工艺，棒磨机生产的湿砂与立轴破生产的干砂混合，既控制粉尘污染，又减少生产耗水量及废水排放量，并满足碾压混凝土对石粉含量的要求。(3)特点总结。①集中了立轴破、棒磨机制砂的优点，克服了各自的缺点，如，中径含量问题、石粉过多流失问题等，提高了出砂率。②流程中仍然保留了棒磨机及其不足之处。③工艺流程较复杂、设备品种多。采用“立轴破+棒磨机”联合制砂，既能根据原料变化灵活调节成品的细度模数和石粉含量，保证成品砂质量，又能有效控制制砂成本。

1.5两种(高、低)速度立轴破联合制砂工艺

(1)工艺介绍。石料由转料仓经给料机、胶带机送入常(低)速度(v=50～70m/s)的立轴破碎机，破碎后进入筛分机，大于5mm的石料返回转料仓，5～2.5mm的一部分直接进入成品砂仓，另外一部分石料送入高速度(v＞75m/s)的立轴破再破碎，经再破碎的石料与小于2.5mm的石料混合后进入成品仓。(2)工程应用。2006年光照水电站根据工程初期的实施情况，专家咨询组提出了选用高频高速冲击破碎机对粗、中细碎所生产的粗砂进行高频高速整形的工艺优化方案［6］。最终确定高速立轴破工作速度为85m/s。将粗、中砂细碎后，小于5mm的砂经第二筛分车间螺旋洗砂机，约2/3经脱水筛脱水后和未脱水的1/3物料全部进入高速高频立轴破PL-8500，对其细度模数和石粉含量进行调整，以满足工程设计要求。高速高频冲击破投产后，经多次抽样试验检测，结果表明，高速高频立轴破改善并稳定了砂的质量。2007年～2011年，贵州沙沱水电站1500t/h的石灰岩人工砂石系统工程中，完善了半干式制砂工艺，采用了“两端开路、中间闭路”的破碎流程。粗碎3台反击破开路生产、中碎4台反击破闭路生产，细碎车间为4台立轴破、超细碎车间选用了2台高速立轴破形成联合开路制砂。细碎车间的立轴破将粒径5～50mm的骨料破碎后，出料中2.5～5mm的骨料进入超细碎车间采用开路生产方式进行高速破碎，出料与细碎车间出料中小于5mm的砂混合后被胶带机送入成品砂仓［6］。(3)特点总结。①适用于干法、半干法生产，对于完全湿法生产需进一步研究。②高速立轴破的破碎腔体最好为“石打铁”型，给料量要低些。原因是5～2.5mm石料粒径较小、质量较轻，要使其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破制砂，适当增大高速破碎机进料的粒径，可进一步提高成品砂中的石粉含量及降低成品砂的细度模数。

2人工制砂关键技术研究和展望

2.1高品质砂生产技术及设备研究

人工砂的质量水平对混凝土尤其是高性能混凝土的工作性、强度、耐久性等都有不同程度的影响［7-9］，主要体现在人工砂自身的细度模数、石粉含量、颗粒形状、含泥量、亚甲蓝MB值、坚固性等相关特性。航空机场跑道、铁路及高速铁路工程、公路重要桥梁等高性能混凝土的技术规范标准还没有放开对人工机制砂石的使用，究其原因就是市场上缺乏高品质的人工砂石料，特别是对高品质人工砂的需求更是建筑业普遍关注的问题。高品质砂应达到:细度模数2.4～3.0可随意调整，波动值小于0.1，砂中石粉含量亦可随意调整，砂的含水率在2%～3%，并保持恒定。目前，国内建筑业相关企业在引进国外技术的基础上，实现了高品质砂的生产并已成功推向市场，初步形成了“高品质、集成化、全环保”的楼式结构的机制砂“整体解决方案(楼式机制砂系统)”［10］。水电工程混凝土要求长寿命、少裂缝甚至无裂缝，更要积极推动研究高效、集成、节约、环保的高品质砂的生产技术。

2.2模块式组装与移动式设备研究

不论是水电工程还是公路、铁路工程，砂石生产系统都属于临时工程，为工程建设服务的时间较短，而固定砂石加工厂的建设、安装及调试工期较长，建设投资相对较大，完工后存在拆除等问题，而模块式组装的加工车间和移动式破碎、制砂站就能弥补这些不足。可移动的模块式组装设备把消除场地、环境等因素制约作为首要的解决方案，为相关工程提供了高效、低成本的运营硬件设施。模块式组装的加工车间是将各破碎段和制砂工段按工艺流程组成模块式的钢结构车间，然后以胶带机连接，迅速实现投产;移动式破碎站将受料、破碎、筛分等工艺环节由相关设备组合成为一体，随料源开采面的推进而移动并进行现场破碎，缩短了各流程间的运输距离。综上，模块式组装的加工车间组合灵活方便、机动性强，可节省大量基础建设费用，缩短砂石生产系统的建设、安装工期。因此，在今后的砂石生产系统，特别是中小型系统中，移动式破碎站将被越来越广泛的应用。

2.3新环保技术

在砂石骨料生产过程中，坚持环境保护、绿色发展是贯彻国家新时代环保政策的具体体现，在大型水电工程砂石系统生产中应高度重视环保问题。废水处理工艺一直以来都是砂石加工系统研究探索的课题。砂石加工系统具有废水产量大、强度高、浓度高、建筑安装投资大、运行成本高(加药量大)等特性，近年来通过大量有效的尝试和试验工作，以及借鉴其他行业和领域一些先进的污水处理设备和工艺使得砂石加工系统废水处理技术和效果均得到空前发展。在多个砂石加工系统使用过板框式压滤机、高效澄清器、水力旋流器、陶瓷过滤机、卧式螺旋离心机、带式真空机过滤机等设备，为砂石加工系统废水处理工艺积累了大量成功经验，目前砂石系统污水处理效果大大改良，废水回收利用率大幅度提高［11］。

2.4成品砂石质量自动检测控制系统

成品砂质量检测手段目前多以人工为主，费时费力，且反应滞后。例如，成品骨料质量常规检测项目应每8h检测一次，不能及时对砂石生产工艺参数进行动态调整。而砂石加工系统的生产能力检测更是个系统项目，检测一次需要至少3d的时间，工艺流程节点数据不合格，将检测结果反馈，进行工艺参数调整，不断修正，最后达到系统设计生产能力，需历时15～30d。目前建筑行业砂石系统的成品砂石料含泥量智能控制系统，达到了为系统工艺冲洗等参数的及时、准确调整提供依据，实时智能控制;砂石加工系统生产能力实时自动检测系统，也实现了通过自动检测砂石加工系统各节点的流程量与级配组成，及时判断各节点的生产能力，及时调整系统工艺参数(如破碎机开口、进料量、进料级配、出料量、出料级配、各节点的分料量及分料级配)等，以达到设备生产能力合格，系统生产能力合格的要求。然而，成品砂石质量自动检测控制系统的组成内容丰富，研究意义重大，目前很多质量自动检测系统还处于探索阶段，今后还需要进一步研究以及实践和总结。

3结语

人工机制砂石在国内的发展最先源于水电工程应用，并且已经有了几十年的工程实践经验和理论积累过程。但水电工程所处位置大多较为偏僻，且对砂石的质量要求较高，系统的设计主要是基于工程自用而非市场化需求，在设计上还没有完全意义上体现“成本优化”、“灵活可变”等原则。近几年我国水电项目开发也进入有序开发的可持续发展新时期。因此，面对新形势、新挑战，水电工程的砂石产业也有必要建立先进的技术研发和应用体系，发扬传统的同时，也要大胆开拓，保障水电工程的可持续发展。

参考文献:

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［11］阮光华．混凝土骨料制备工程［M］．北京:中国电力出版社，2014:70-71，183-198．

作者：张建博，刘明，葛小博，赵世隆，段金林 单位：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司