机制砂石骨料场设备选型与工艺设计

近年来，中国经济飞速发展，也带动了混凝土基本产业的快速发展。随着一系列重要工程的逐步开展，使市场对于混凝土的需求量大增；同时，市场对于高品质混凝 土的需求也日益旺盛；再加上全国环保意识的抬头，导致混凝土的生产成本上升；在这三种压力之下，混凝土产制经营的策略势必要有更大的转型，以应对未来行业 内的激烈竞争。
 
          在混凝土的生产原材料中，有80%为砂石骨料。由此得出，砂石骨料一定是决定混凝土性能及生产成本的重要材料。近十几年来，笔者一直在海峡两岸从事混凝土 行业，经研究发现，既懂得如何控制混凝土生产成本，又能够制造出高品质混凝土产品的成功的从业者，都懂得利用优良的砂石骨料来提高混凝土的性能。但是，由 于市场供需的不平衡，再加上大部分混凝土制造者并不十分了解砂石骨料的重要性，导致砂石产制业的制造工艺并无长足的进步。这两年混凝土产业界掀起一股“高 性能混凝土”的研发风潮，但是，若无砂石产业的精品砂石配合，将很难完成这一研究。

 
          一、矿区的开发
         原料是国家的资产，任何矿区的取得都必须经过国家及地方政府的准许。有了矿区的采矿权后，除了必须对当地的水资源、对外交通、地型腹地、人文政治及环境冲 击的具体情况进行评估之外，为了保证投资的回报，更需要通过专业技术对骨料的材质做出科学的分析。例如：
         (1) 是否会产生硷骨材反应？……骨材碱性试验。
         (2) 骨料是否有优良的耐磨性？……骨材洛杉矶磨损试验。
         (3) 骨料是否有优良的健性？……骨材健性试验。
         (4) 岩石类属︰火成岩？水成岩？石灰岩？变质岩？
 
         二、生产线的规划
        （一）破碎型态的决定
          一颗原材石头破碎为生产所需要的骨料成品，须经过多少次的破碎？破碎流程越多，设备、运营成本就越高；然而，只经过一到两次破碎的砂石骨料成品，无论是粒 度的分配，还是粒型都很难达到精品砂石的要求。（越多的破碎流程，就会使设备、营运成本越高；）但是，只经过愈少次破碎的砂石骨料成品，无论其会愈趋不理 想。）精品砂石要求其扁长率不得高于10%，要达成此质量要求 的砂石骨料，至少需有三次以上的破碎流程，当然若想让砂石骨料外型更趋完美，则需规划四次破碎的流程；在关于三次破碎或四次破碎流程的选择上，由市场需求 与投资、营运成本的经济效益来决定。
 
         （二）砂石骨料的成品类别及产量的决定
          砂石骨料的成品类别及产量，由破碎及筛分处理机具的处理能量(capacity)及该机具的数量来决定，一般因机具的配置及设备考量。一条生产线的最大能量在1000t/h左右，要想具有更大的产量时，就必须考虑多条生产。
 
          因为破碎或筛分机具所要处理的制程半成品有所不同，故根据进入这些处理单元的时候的量及尺寸的差异，需先作好机具型别及数量的规划；尺寸在流程中由大到 小，依此决定处理机具的型态，量的分配就非常重要了，整体流程的平衡(balance)是砂石骨料产制成功与否的关键，材料在制程中的流量平衡不仅能提高 产量，而且也是砂石质量的保证，所以，首先须从流程的尾端往前端作量的安排布置。 综合流程中半成品骨料的量及尺寸的安排，以三次破碎生产线为例，根据【图一】说明︰

砂石骨料厂初步规划

           上图假设为三次破碎，产量为350~400t/h(即四项成品的总量)的砂石骨料生产流程；则在6位置的进料尺寸为0~30mm，最终筛分机具的处理量须 大于400t/h，在5位置的进料尺寸为5~100mm，三次破碎机的处理量须在400t/h左右，在3位置的进料尺寸为0~200mm，二次筛 分机的处理量须大于400t/h，在1位置的进料尺寸为5~200mm，三次破碎机的处理量须在400t/h左右，在?位置的进料尺寸为0~200mm， 二次筛分机的处理量须大于400t/h，所以在?位置的进料尺寸须在1000mm以下，一次破碎机的处理量须在400t/h左右。
 
           （三）流程的细部规划
            排定基本流程量及骨料尺寸大小的分析后，接下来必须考量使用何种破碎机及分筛机，所使用机种的不同会影响一些细部流程的不同。最明显的例子就是破碎机型别的不同，对细部流程之规划会有很大的不同。
 
           使用圆锥破(cone crusher)时，对材料的饲料流量控制很重要，所以在所有原料进入圆锥破之前最好有缓冲仓(surge bin)的配置，以维持圆锥破在「满料」之下(这样石料间才会因活动锥的带动，产生相互挤压、破碎的动作)操作提高其运转效率，若圆锥破在非满料之下运转 不但降低产能，而且破碎的产品的其粒形会产生大量的“针片状”；当然储存区(stockpile)的给料，一般都会有饲料机(feeder)的设置，用以 控制其流程中给料的稳定性；另外圆锥破破碎的原理是制造骨料连续级配的最佳设备，但是原材料间必须有足够的空间予执行其破碎的功能，太过完整的级配材料不利于挤压破碎；所以，对原材料的“清洁度”会有较高的要求，在此要求之下，所有圆锥破的后端都要有分筛机的配置，让较“干净”的回料再作破碎加工。
 
           同样，若使用冲击式破碎机(impact crusher)就没有使用圆锥破有利，因为不须考虑饲料需要满料及材料清洁度的问题，所以使用冲击式破碎机就 不须有缓冲仓的配置，同时，也因破碎动作属于击破，回料自然没有干净的要求，制程中分筛机的配置也可以简单的多。但是，冲击式破碎机也有先天的不足：产品 的针片状过高且成品的含粉量过大，这种设备用在精品砂石骨料的制程是很致命的。若一定要用这种破碎机，就要在其后段制程中安装立轴式回旋破碎机 (gyratory crusher)，作为砂石骨料颗粒的整型兼破碎的作用。
 
           振筛机(screen)依其外型可分成斜筛和平筛两大类型，各有其优缺点；在动力需求上，斜筛较平筛具有较节省能源的作用，空间的使用效率则是平筛较斜筛 较优。一般在制程中作细料筛分的振筛机多为单层或双层筛网的设计，成品筛则大都为多层筛的设计，不同型号的振筛机在流程细部的安排上，会随着其功能的不同 而有不一样的流程；重要的是要如何借不同网目的筛网来生产不同规格的产品和处理的能力合不合乎要求。另外，湿式制程与干式制程在振筛机的构造上有很大的不 同，湿式在振筛机上会有水喷洒清洗系统，而干式则须加装密封外罩及强力的抽尘设施。
 
           透过上述的基本流程量及骨料尺寸大小的分析，再依破碎机及筛分机厂家所提供的机械诸元中，挑选出适用的机型，现以产能350~400t/h湿式制程，破碎 机为额碎机(jaw crusher)及圆锥破(cone crusher)，倾斜式振筛机为例，作以下两种制造流程的设计。
 
          【图二】为典型的圆锥破制造的流程图，其特点为每次破碎后，都须经过振筛机将最大成品尺寸以下的细料筛分出来，其余尺寸再回至圆锥破作破碎处理，为使圆锥破能保持“满载”的运转，在其供料前端都设有一饲料机(feeder)。
 
           考虑石料经过一次破碎后的半成品，其所含的细料并不多，故在进入二次破碎之前，并不须设置一台振筛机作剔除成品料的流程，同时增设另一储料区，用以增加流程的弹性及另一种半成品的产品，所以，从【图二】的流程修正如【图三】的流程。

圆锥破的砂石骨料工艺流程

修正后的砂石骨料流程

 
          三、设备和工具的选择
          （一）一次破碎机的选择
          依矿区所采取石材的尺寸大小，经由机具公称进料口尺寸(nominal feed opening)及闭边排料口径(closed side setting c.s.s.)查出破碎产量，选择一次破碎机的型态，至于选用额碎机还是冲击式破碎机，可经由下列两种破碎产品的粒度分布图为技术参考依据。

颚式破碎机破碎粒度曲线图

冲击式破碎机破碎粒度曲线分布图

 
            （二）二、三或四次破碎机的选择
             由最大进料尺寸(nominal feed opening)、最小排料口尺寸(closed side setting c.s.s.)及机具型式，并依机具制造厂的规范说明，可查出该机具的产量大小，核对该机具配属在【图一】位置，判断是否合乎该流程的需求，或者该机器所 需要的配置量；一般若有四次破碎的流程，则一定选用立轴式回旋破碎机(gyratory crusher)作为第四次破碎的机器(因为回旋破碎机的进料尺寸不能过大，一般都限制在40mm以下)。
 
              作为二、三次破碎的机具一般都是使用圆锥破(cone crusher)、回旋破碎机(gyratory crusher)或冲击式破碎机(impactcrusher)，三种机具的破碎型态都不相同；如何选用依产制的目的、机器成本及使用者的习惯而有所不 同，冲击式破碎机的破碎性能如上【图六】所示，而圆锥破及立轴式回旋破碎机的破碎产品粒度分布图则分别如下【图七】和【图八】。

圆锥破碎机的破碎粒度曲线分布图

回旋破碎机的破碎粒度曲线分布图

           透过这些不同类型的破碎性能图，可让我们可了解在砂石骨料场的制造流程中，这些破碎机械该被安置的位置；额碎机最适合使用在大尺寸(约大于500mm以 上)颗粒的原材料破碎，一般被用于第一次大颗粒的破碎。冲击式破碎机的 破碎比则有较高的破碎比，适用在不须作多次破碎的产品流程中，其最大的缺点在于产出 过多的细粉料。圆锥破的破碎颗粒有较完美的颗粒级配，透过闭边排料口径(closed side setting c.s.s.)的良好管理，会有较好的粒型及产量，随破碎齿板的不同可作很广泛的应用(第二、三甚至于四次破碎)。回旋破碎机的主要目的在于成品的『整 形』及细骨料的产出，一般用于第四次破碎较多，可以完全消除骨料的针状扁平率，故要制造高端的精品砂石，就必须使用这型的破碎机。
 
          （三）振动筛的选择
           筛分机是产品粒度分配的重要机器，砂石骨料的粒度级配须符合「中国混凝土相关规范」中「普通混凝土用砂石质量及检验方法标准」(jgj-52)的相关规 定，砂石的级配会随着振动筛的型态及筛网网目有很大的不同。砂石级配如 何配置应用是属于应用端(混凝土厂、沥青厂及其他施工单位)的责任，应用端是该要求砂石骨料厂将碎解好的骨料成品分成数种规制的集料，以利于广泛的应用， 不能任由砂石骨料厂，因成本考虑（量）只生产单一集料的产品，这样才能提升整个砂石产业链的质量水平，充份利用现有资材，进而降低整个国家社会的成本。
 
            振动筛的型态、大小及筛网配置，依其在产制流程的功能会有所不同，最好依振动筛制造厂所提供的机械规范作配置，特别是在干式的生产流程中，因为干式流程的 扬尘都发 生在破碎及分筛过程，尤其是分筛的制程，如何减少扬尘的发生不仅是要有密封抽尘的振筛机，在流程中与破碎机及收尘设施如何相互搭配成为一重要的制造技术。
 
           四、结论与感想
          （一） 结论
          综合上述讨论，要创建规制化的砂石骨料生产线，必须经以下各步骤循序完成。
          1、砂石矿区的选择除一些经营的考虑之外，石材本质的特性必须作充分了解。
          2、决定预计的产量及生产的型态。
          3、规划产制线的产能流量平衡图。
          4、 依据产能流量平衡图配制生产机具。
          5、 规划实际机具的平面配置图。
          6、找寻可靠的砂石碎解机械厂家，充分了解该机具的性能。
 
         （二）、感想
          想要制造高性能混凝土，首要之务需要有优良的砂石作基础，所谓优良砂石为：(1)质地坚硬低吸水率，不变质。(2)粒度级配良好。(3)粒型圆滑。其中的(2)(3)项完全须由良好的砂石制造工艺，才可完成。
 
          以目前西南地区的砂石状况还有很多须要改进之处，尤其大部份砂石产制业者皆未能充份掌握砂石生产的技术，故生产设备过于简化而导致产品质量低下。使应用端 必须花费更高的成本来达成规范的要求，浪费了国家资源；另有部份厂家将砂石产制流程复杂化，投入庞大的设置及营运成本，也未必有很好的效果，十分可惜。如 何规划一个完整的砂石生产流程的技术，是目前从事砂石碎解业者必修的课题。 求过于供，是砂石进步的绊脚石，唯有改变市场的竞争机制才会有长足的进步，有远见的砂石业者现在正是把握机会的好时机。