立轴式冲击破碎机制砂工艺与研究

谢学斌

（中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550081）

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。无论采用何种生产工艺应用到生产中，都存在有：生产的砂细度模数偏大、中径粒径偏少等缺点，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。

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

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

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。

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。

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。

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：Ev=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 Ev 增加很大。

（2）当速度 v 衡定时，物料质量 m 增大，动能 Ev 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。

（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：物料的的临临界界破破碎速度 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，设物料临界破碎碎能 为常常数K，物料的破碎速度为 V破，则有

由此可见：物料的破碎强度δδ ，杨杨氏氏模模量量 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3。

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。试验结果见如下。

（1）砂的粒度模数，由 FM=3.54 降为 FM=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FM=3.0。

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

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 砂的石粉含量及粒度模数的影响

（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。当给料量达到一定值后基本稳定。

（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，给料量要低些。原因是基于 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。