大型人工砂石系统约占工程总投资的3 %左右, 是水电工程最重要的附属设施之一。系统按时、保质、足量提供所需人工骨料是工程顺利兴建的基本保障。鉴于因砂石系统设计及运行管理不善而影响工程施工的诸多经验教训,大型人工砂石系统的设计及运行管理愈来愈被业主关注。
1 系统工艺设计
大型人工砂石系统生产工艺, 大多采用粗、中、细三段破碎+ 制砂工艺, 其中粗碎开路, 中、细碎闭路。湿式制砂采用开路, 干式制砂采用闭路。也有部分工程粗、中、细碎全部采用了开路生产, 或粗、中碎开路, 细碎闭路的工艺。但工艺设计最基本的原则应该是:在保证骨料产品质量的前提下, 系统具有较强的成品料级配调节能力, 保证不同施工时段骨料耗用级配的平衡; 同时降低加工成本。因此,对于大型人工砂石系统而言, 采用多段破碎、多重闭路和多重循环的生产工艺, 是达到上述目的最佳途径。首先, 采用多段破碎, 即可把一级破碎设备设定在最佳工况运行, 避免过频、过大范围调整破碎机排料口开度, 提高设备运行效率; 同时使每段设备破碎的粒度具有针对性, 改善骨料产品粒形; 其次, 多重闭路、多重循环工艺, 可根据用料级配的变化, 把多余的骨料供向相应的破碎车间进一步破碎, 以提高破碎效率.灵活调整成品料级配, 并减少骨料的过粉碎, 从而提高骨料成品获得率, 降低生产成本。
当今, 大型破碎设备、筛分设备的应用及系统越来越集中的布置, 使多段破碎、多重闭路、多重循环工艺的实现变得简单易行。国产大型振动筛的尺寸已达3.6m × 7.5m, 筛分能力达210~ 2000 t/ h。设计处理能力500~ 1500 t / h的系统, 包括破碎循环量在内, 采用双列、双层集中布置的筛分楼可完全满足骨料筛分的需要, 从而可利用筛分楼完成骨料的多向分流, 在输出成品料的同时, 向各破碎车间提供破碎原料, 利用筛分楼完成闭路循环。按照这种思路进行系统的布置, 不但满足系统设计原则要求,而且可减少或不设备用破碎设备, 可极大地减少系统占地面积。这对于减少设备投入、缓解施工场地紧张及环境保护都是非常有利的。需要指出的是, 即使特大型的人工砂石系统, 为了满足生产能力要求而必须采用双线生产线工艺, 仍可利用胶带机使各破碎车间的料流互串,使各破碎车间具备互补性, 以实现多层闭路、多层循环的生产工艺以减少备用设备的投入。
对于人工制砂, 实践证明, 采用立轴冲击破碎机与 棒磨机联合制砂是目前最为成功的工艺。因为采用立轴冲击式破碎机干式制砂, 成品砂缺少中间粒径, 细度模数高, 但加工成本低; 而棒磨机湿式制砂, 成品砂级配好, 细度模数易于调整, 但生产成本高。综合考虑其成本,约为立轴式破碎机制砂的2~ 3 倍。但为保证干砂与湿砂混合后成品砂细度模数的稳定, 人工砂宜分为粗、细两级, 在拌和楼处按设定的比例混合使用。这对于保证砼的性能是非常有利的, 这也是小浪底、二滩工程的成功经验之一。
2 主要加工设备的选型
大型人工砂石系统的主要加工设备选型,目前走入了一个误区, 好像采用的进口设备多便成了系统先进的代名词。诚然, 大多数进口设备的性能比国产设备优越, 但价格昂贵( 约为国内同类设备的5~ 8 倍) 。施工企业生产经营的最终目标是降低生产成本, 利润最大化。为追求先进的进口设备, 并把系统加工设备的投资控制在一定范围内, 部分大型砂石系统采取了两段破碎, 严重降低了系统工艺的合理性; 同时由于破碎段数的减少, 使破碎设备不得不设定在较小的排料口运行, 致使加工设备的生产能力严重降低; 且易使加工设备易损件出现局部的超常磨损而加速失效, 造成生产成本加大;同时, 由于系统对生产成品料的级配调节能力差, 在某些时段会出现某些粒径级的成品料过剩积压, 必须二次倒运, 亦会增大成本。总之,这种做法是得不偿失的。
因此, 破碎设备的选型不能一味追求进口,应与工程规模相适应, 应针对加工原料的岩性进行选定, 在保证产品质量的前提下, 以经济适用为原则, 以降低成本。目前, 由于科技的发展, 国内部分厂家的破碎设备的性能已接近进口设备, 且价格适中。针对硬度不大、磨蚀性小的岩石( 如石灰岩) , 国产设备可完全满足使用要求, 且易损件易于采购, 宜优先采用。当然,对于sio2 含量高、磨蚀性大、硬度高的加工原料, 关键设备应考虑采用更为先进的进口设备,以提高运转保证率。此外, 根据工程实践经验,为增强成品料级配调节能力, 细碎设备的生产能力应比系统设计能力大30 %左右为宜; 粗碎设备以选用自重相对较小、易于安装维修、处理能力大的大型颚式破碎机。
3 人工砂石粉回收
随着人们对人工砂中石粉作用的认识的不断深入, 石粉回收已越来越受到重视。因为石粉的回收, 不但可以增加人工砂的产量, 在变废为宝的同时, 较大地简化了生产废水的处理难度, 利于环保; 而且更为重要的是人工砂中适量的石粉含量可以极大地改善砼的性能, 特别是对于增强rcc 砼的可碾性、抗分离性有着非常重要的作用。大多数砂石系统的石粉回收基本上是靠设沉淀池自然沉淀, 然后排水干化进行回收。这存在回收率低、工序多、成本大以及与人工砂掺混不均匀等问题。应用derrick 的hi- g 细粒物料回收装置, 使这一问题得到了极大的简化。该装置由强力直线振动筛和放射状水力旋流器组组成, 可把分级机溢流废水中的石粉回收80 % 以上, 而且回收的石粉可利用胶带机运输直接与人工砂混合, 掺混较为均匀;且工艺简单、投入较少。作为石粉回收的有效手段, 该装置应予以大力推广应用。
4 调节料堆的设置
人工砂石系统中的调节料堆主要有半成品料调节堆、中间( 供破碎、制砂的) 调节料堆( 仓)以及成品料调节堆等。调节料堆的设置, 传统的做法是“两头大、中间小”。如今, 由于设备性能的大幅度提高, 系统的整体运转率也相应提高, 连续供应成品料的能力增强, 各种调节料堆
的设置应针对工程具体情况进行, 以达到减少系统占地及土建工程量的目的。
采用工程开挖料作为加工原料的砂石系统, 由于原料已储存于毛料堆场, 生产时可随时回采, 宜设置较小的半成品调节堆。加工原料需从采石场开采时, 为了增强系统生产与毛料开采的协调, 宜设置容量较大的半成品调节堆,并尽量利用有利地形布设。万家寨砂石系统由于冬季开采困难, 曾利用山凹地形及安装在山坡上的一条胶带机定点堆存半成品料达18 万m3。中间调节料堆的作用主要是保证各破碎车间供料的均衡、稳定, 以及避免各破碎车间临时停机时对整个系统运行造成冲击; 其容量一般以能够满足破碎车间1~ 2 h 的生产量即可(棒磨 机制砂调节堆则以一个班的产量为限) 。
成品料调节堆是砂石系统中土建工程量最大的设施, 多为钢筋砼结构, 投资较大, 目前其容量一般取工程施工高峰期5~ 7 d 的需用量。由于成品料需分类堆存, 占地面积大、场地利用率低, 因此, 在系统具有较高的运转保证率时,成品调节难的容量可适当减小为2~ 3 d 的需用量, 以降低投资及减少占地。在这一点上, 国外有的工程因受场地限制, 成品料只储存几个小时的用量, 相应系统的土建工程量及占地面积小得多, 骨料的供应完全靠加强系统运行管理来保证, 值得借鉴。总之, 调节料堆的设置究竟采用何种形式, 应视工程原料供应、场地大小、高峰期强度及运行管理水平等具体条件而定, 不能死搬硬套。
5 系统构筑物及其局部结构的设计
砂石系统中各破碎车间、筛分车间、调节料堆地垅廊道等构筑物大多采用钢筋砼结构。大型砂石系统的土建砼量一般在2 万~ 4 万m3,有的多达7 万~ 8 万m3。这些附属土建工程在系统运行结束后或遗弃于施工现场, 或予以拆除恢复环境, 投入大且不能回收。因此, 这些设施应根据系统运行周期的长短采用钢结构或钢结构与砼结构组合的装配式结构, 以达到重复利用、加快建厂速度、降低系统建安投资的目的。小浪底1# 标砂石系统的上料站高14m,无地形可利用, 其挡墙采用了加筋平板挡土墙形式, 采用建筑楼板作板墙、钢筋作拉筋、组合槽钢作板墙支撑体系, 施工时随填土升高而逐层安放平板及埋入拉筋, 施工速度快, 系统拆除后可回收利用。与施工困难、用后需爆破拆除的钢筋砼挡墙相比, 具有良好的技术、经济性。与之相似, 地垅廊道亦可采用装配式结构。
有些砂石系统因局部设计欠考虑, 严重影响了整个系统的顺利运行, 造成系统产量下降,如粗碎车间的出料溜槽便是其中之一。为了系统运行安全, 大型加工系统的运行都采用了联锁控制。这样, 某台设备一旦出现故障紧急停机, 其后续设备可照常运行, 而前续设备必须相应停机。而粗碎车间处于系统的龙头位置, 粗碎设备一般不能带负荷启动( 如颚式机) 。为了避免非常停机时破碎机内积料, 粗碎车间处于联锁的只有给料机、出料皮带机等。在这种情况下, 粗碎车间的出料溜槽按常规设计便不能满足非常情况下的使用要求; 因为出料皮带机在停机的情况下, 粗碎机仍在运转直至破碎腔中的积料排空才能停机。大型颚式破碎机的腔体容积在2~ 5 m3, 这么多石料全部积压在出料皮带机上, 易造成胶带撕裂或烧毁胶带机的驱动电机。因此, 此部位应设置一个小型调节仓, 容量稍大于粗碎机的破碎腔容积即可。调节仓至胶带机用溜槽过渡, 避免石料直接压在胶带上。类似的还有中、细碎设备直接布置在筛分机出料口处的情况, 均不利于系统的运行及检修, 应尽量避免或设置小的调节仓过渡。
6 新材料的研究应用
大型人工砂石系统一旦按设计建安完成,其产品质量、加工成本及系统整体效能的发挥,在很大程度上取决于运行管理水平的高低。针对系统具体情况, 进行科技攻关, 推广应用新技术、新材料, 是保证供料、降低生产成本、提高经济效益的重要途径。
加工设备易损件消耗是骨料生产成本中的重要一项, 特别是对于进口设备易损件的国产化研究, 经济意义重大。如hp500 圆锥破碎机偏心套, 采用国产件每件可节约资金近14 万元;barmac 制砂机抛料头易损件, 国产件价格仅为进口件的1/ 5 左右, 寿命可达进口件的80
% 以上, 有的已接近进口件。易损件的研究, 必须在吸取前人成果的基础上, 大胆进行创新, 开发应用新材料。如采用高韧性的贝氏钢或双相钢; 对高锰钢、合金钢进行变质处理进一步改进其性能等。此外, 易损件的研究应针对加工原料的特性进行, 因为同一种耐磨材料不是在任何情况下都是耐磨的,在较低冲击、较低应力工况条件下, 材料的硬度是关键; 而在高应力、高冲击、硬物料的条件下,韧性是主要因素。例如高锰钢只有在高冲击和高应力下迅速加工硬化, 形成耐磨的表面层时,才显示出其较高的耐磨性。
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