侯萍

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)體量的增大，混凝土使用量也越來(lái)越大，而混凝土細(xì)集料——天然砂屬于不可再生資源，且國(guó)家環(huán)保政策對(duì)其供應(yīng)量有一定限制，這導(dǎo)致天然砂供應(yīng)量無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的混凝土生產(chǎn)使用量，天然砂資源短缺，供不應(yīng)求，價(jià)格上漲，品質(zhì)參差不齊，其替代品機(jī)制砂使用量逐漸增加。我國(guó)有著豐富的機(jī)制砂原料資源，成本不高，質(zhì)量穩(wěn)定，所制機(jī)制砂非常適用于配制混凝土。提高機(jī)制砂產(chǎn)品質(zhì)量，逐步代替天然砂，是保護(hù)天然砂資源，滿足混凝土生產(chǎn)需求的有效途徑。

2 常見機(jī)制砂分選工藝及設(shè)備

制備機(jī)制砂的工藝設(shè)備主要包括物料輸送設(shè)備、制砂設(shè)備、篩分設(shè)備、脫粉設(shè)備、收塵設(shè)備和其他配套輔機(jī)設(shè)備等，與機(jī)制砂破碎粉磨設(shè)備配套的脫粉、分選設(shè)備主要有洗砂機(jī)、沉降室、選粉機(jī)等。

2.1 配套洗砂機(jī)的制砂工藝流程

配套洗砂機(jī)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程見圖1。在此種工藝下，物料經(jīng)制砂機(jī)破碎，過(guò)振動(dòng)篩后初步制得泥粉含量超標(biāo)的機(jī)制砂半成品，再經(jīng)洗砂機(jī)對(duì)其進(jìn)行水洗脫粉除泥獲得成品。此種機(jī)制砂水洗制備工藝對(duì)水源的依賴較強(qiáng)，水洗過(guò)程中會(huì)帶走部分有用的細(xì)砂，不僅造成資源浪費(fèi)，泥水還會(huì)形成二次污染，在水資源豐富的地區(qū)有一定市場(chǎng)，但在缺水地區(qū)不適用，目前已呈現(xiàn)逐步淘汰的趨勢(shì)。

圖1 配套洗砂機(jī)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程

2.2 配套沉降室的制砂工藝流程

圖2為配套沉降室的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程，其為一種簡(jiǎn)易的干法制砂工藝。沉降室是一種重力沉降和風(fēng)選技術(shù)相結(jié)合的設(shè)備，沉降室內(nèi)設(shè)有可調(diào)導(dǎo)向板，可通過(guò)優(yōu)化氣流路徑和改變氣流方向回收粗顆粒，降低石粉中的粗顆粒含量。此種工藝的缺點(diǎn)是，依靠重力沉降，脫粉效率低，砂中含粉量偏高，且石粉偏粗。

圖2 配套沉降室的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程

2.3 配套選粉機(jī)的機(jī)制砂工藝流程

雖然風(fēng)選的裝機(jī)功率大，但其作用只是選粉，選砂主要依靠振動(dòng)篩。在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一種用傳統(tǒng)V型靜態(tài)選粉機(jī)代替沉降室的工藝形式，其作用與沉降室類似，但脫粉精度較沉降室稍高。而脫粉精度更高的一種工藝形式是在傳統(tǒng)V型靜態(tài)選粉機(jī)上方配置動(dòng)態(tài)選粉機(jī)。動(dòng)態(tài)選粉機(jī)是實(shí)現(xiàn)粗細(xì)粉分選的設(shè)備，其強(qiáng)制離心力場(chǎng)的分選精度高于重力沉降，從理論上而言配套動(dòng)態(tài)選粉機(jī)的粗細(xì)粉分選效果優(yōu)于沉降室和單獨(dú)的V型靜態(tài)選粉機(jī)，但在實(shí)際應(yīng)用中，此種工藝形式仍有較多不足。

圖3所示為目前市場(chǎng)上常用的配套選粉機(jī)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程，此種工藝形式雖然實(shí)現(xiàn)了高效脫粉功能，但使用過(guò)程中仍存在如下問(wèn)題：（1）粗砂口選出的物料太少，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)產(chǎn)量；（2）細(xì)砂口選出的物料太粗，不能滿足模數(shù)要求；（3）分選設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)不均勻，系統(tǒng)阻力大，增加了分選電耗。因此，很多現(xiàn)場(chǎng)不得不增加振動(dòng)篩和圓筒篩對(duì)選出的粗砂、細(xì)砂進(jìn)行二次篩分，這相當(dāng)于選粉機(jī)的功能與沉降室類似，同時(shí)，還增加了分選風(fēng)機(jī)電耗。

圖3 配套選粉機(jī)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程

3 粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)的工藝特點(diǎn)

3.1 粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)的結(jié)構(gòu)

粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)是由高效動(dòng)態(tài)選粉機(jī)（籠形轉(zhuǎn)子選粉機(jī)）和雙通道靜態(tài)分級(jí)機(jī)組合為一體的空氣篩分設(shè)備，能較為精確地分離粗、細(xì)砂和石粉，從根本上解決傳統(tǒng)選粉機(jī)存在的粗砂和細(xì)砂分離不清晰的問(wèn)題。雙通道靜態(tài)分級(jí)機(jī)不需要?jiǎng)恿Γ脷饬鞯牟煌俣忍荻燃纯蓪?duì)顆粒物料進(jìn)行粗（切割粒徑可調(diào)）篩選。高效動(dòng)態(tài)籠形轉(zhuǎn)子選粉機(jī)依據(jù)平面渦流分選原理，將物料中的細(xì)粉分離，具有較高的分選效率。二者合二為一，結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，簡(jiǎn)化了工藝布局。

粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)主要由殼體、驅(qū)動(dòng)裝置、回轉(zhuǎn)部件、靜葉片、鎖風(fēng)閥等組成。

（1）殼體使設(shè)備內(nèi)部形成了一個(gè)封閉的負(fù)壓通道，由引風(fēng)機(jī)提供設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力，其由靜態(tài)部分進(jìn)風(fēng)殼體、雙通道殼體、靜態(tài)部分出風(fēng)殼體、動(dòng)態(tài)部分殼體組成。靜態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分殼體上均設(shè)有檢修門，供安裝、調(diào)試、檢修時(shí)使用；雙通道殼體內(nèi)部交錯(cuò)布置有進(jìn)風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板和出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板；雙通道殼體下部有兩個(gè)回料口，內(nèi)部有兩處分級(jí)室，在此完成粗砂的有效分離；動(dòng)態(tài)部分殼體內(nèi)部有回轉(zhuǎn)部件，頂部設(shè)置有驅(qū)動(dòng)裝置，在此完成細(xì)砂和石粉的分離。

（2）驅(qū)動(dòng)裝置由電動(dòng)機(jī)、減速器、聯(lián)軸器及底座組成。電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，在生產(chǎn)中通過(guò)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)石粉的細(xì)度及細(xì)砂中石粉的含量。

（3）回轉(zhuǎn)部件主要由籠型轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸系等組成。籠型轉(zhuǎn)子是動(dòng)態(tài)籠型轉(zhuǎn)子選粉機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件，由傳動(dòng)軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子外圓周上分布有可更換的片式籠條，籠條由堆焊耐磨板制成，與其分布圓的法向呈一定傾角布置。傳動(dòng)軸系包括傳動(dòng)主軸、軸承、軸承底座等零部件。

（4）沿籠型轉(zhuǎn)子圓周設(shè)置一組靜葉片，形成導(dǎo)向風(fēng)環(huán)，靜葉片與其分布圓的法向呈45°~75°，可靈活調(diào)節(jié)，輔助籠型轉(zhuǎn)子控制細(xì)砂和石粉，靜葉片與籠型轉(zhuǎn)子之間形成三次選粉區(qū)。

（5）整機(jī)設(shè)備負(fù)壓操作，避免粉塵外溢。雙通道殼體下部回料口配置雙道鎖風(fēng)閥，確保設(shè)備不漏風(fēng)不漏料。

3.2 配套粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程

配套粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程如圖4所示。物料經(jīng)輸送設(shè)備喂入雙通道靜態(tài)分級(jí)機(jī)進(jìn)料口，在下落過(guò)程中受進(jìn)風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板和出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板的層層沖擊而分散，在氣流的作用下，小顆粒砂和石粉從物料中分離出來(lái)，大顆粒砂從粗料出口流出，返回破碎機(jī)破碎。由于雙通道靜態(tài)分級(jí)機(jī)內(nèi)部有兩處分級(jí)室，分離出的小顆粒砂可進(jìn)一步分級(jí)為粗砂、細(xì)砂及石粉，兩處分級(jí)室內(nèi)合理的流場(chǎng)分布能保證粗砂中基本沒(méi)有石粉且粗砂不會(huì)混入到細(xì)砂和石粉中。分選出的粗砂從雙通道靜態(tài)分級(jí)機(jī)下部的另一出口直接排出，成為成品。

圖4 配套粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程

細(xì)砂和石粉隨氣流到達(dá)動(dòng)態(tài)選粉區(qū)，在此過(guò)程中，一部分小顆粒砂在靜葉片作用下墜落到細(xì)料口完成預(yù)分離，剩下的小顆粒砂及石粉到達(dá)動(dòng)態(tài)選粉區(qū)域。在此區(qū)域的物料顆粒主要受到的是離心力和氣體的曳力作用，石粉受到的氣體曳力大于離心力，穿過(guò)籠型轉(zhuǎn)子后，被收集設(shè)備收集；細(xì)小顆粒砂受到的離心力大于氣體曳力，落入到內(nèi)錐體后，從管道中下落，與上述細(xì)料匯合形成細(xì)砂。

3.3 粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)的工作原理

雙通道靜態(tài)分級(jí)機(jī)是利用進(jìn)風(fēng)口進(jìn)氣氣流對(duì)由進(jìn)料口進(jìn)入的待分選物料進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)過(guò)程在氣流曳力、物料重力及慣性力作用下實(shí)現(xiàn)。

雙通道靜態(tài)分級(jí)機(jī)用風(fēng)量可通過(guò)式（1）計(jì)算。

式中：

Q——靜態(tài)分級(jí)機(jī)的用風(fēng)量，m3/h

P——喂料量，t/h

Cs——喂料濃度，kg/m3

出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板的長(zhǎng)度可通過(guò)式（2）計(jì)算。

式中：

L——出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板的長(zhǎng)度，m

Q——靜態(tài)分級(jí)機(jī)的用風(fēng)量，m3/h

P——喂料量，t/h

K1、K2——相關(guān)系數(shù)

進(jìn)風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板或出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板的個(gè)數(shù)可通過(guò)式（3）計(jì)算。

式中：

N——進(jìn)風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板或出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板的個(gè)數(shù)

Q——靜態(tài)分級(jí)機(jī)的用風(fēng)量，m3/h

D——相鄰兩個(gè)出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板間間距，m

B——設(shè)備寬度，m

V——出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板間的風(fēng)速，m/s

以上參數(shù)中，出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板間的風(fēng)速V，和出風(fēng)口側(cè)分級(jí)隔板的長(zhǎng)度L以及分級(jí)粒徑直接相關(guān)，經(jīng)合理選取即能有效完成大顆粒和小顆粒的一次分級(jí)。同時(shí)，兩處分級(jí)室還能將分離出的小顆粒進(jìn)一步分級(jí)為粗砂、細(xì)砂和石粉的混合物。

4 粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)的應(yīng)用

選取粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)在A、B、C三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，A、B、C三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)配置的設(shè)備規(guī)格相同，現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備參數(shù)見表1。圖5為A、B兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)制砂部分的工藝流程。

表1 A、B、C現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備參數(shù)

圖5 A、B兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)制砂部分的工藝流程

物料先由顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)破碎至<30mm，再經(jīng)三層篩網(wǎng)的振動(dòng)篩，篩分成<5mm、5~10mm、11~20mm、21~30mm的幾種粒徑物料，根據(jù)生產(chǎn)和市場(chǎng)情況，<5mm的用于制細(xì)砂，5~10mm的可直接作成品粗砂，也可用來(lái)制細(xì)砂。

用于制砂的物料首先進(jìn)入立軸破碎機(jī)上方的小倉(cāng)，經(jīng)立軸破碎機(jī)破碎、整形后，喂入粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)；選粉機(jī)將物料分成返回料、粗砂、細(xì)砂和石粉，返回料返回到立軸破碎機(jī)中繼續(xù)破碎、整形，細(xì)砂和粗砂由膠帶運(yùn)送到相應(yīng)砂庫(kù)，石粉由后續(xù)旋風(fēng)筒收集。

4.1 粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)在A現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

采用篩分后<5mm的物料制砂，循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速800r/min，選粉機(jī)轉(zhuǎn)速30Hz，立軸破碎機(jī)喂料量約300t/h。A現(xiàn)場(chǎng)物料顆粒形貌見圖6。隨機(jī)取8組試樣進(jìn)行篩分并取平均值，粒度分布分析見表2。

圖6 A現(xiàn)場(chǎng)物料顆粒形貌

從表2中的篩上數(shù)據(jù)、細(xì)度模數(shù)及現(xiàn)場(chǎng)物料的顆粒形貌來(lái)看，通過(guò)該粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)生產(chǎn)出的機(jī)制砂，不再需要篩分裝置的篩選，基本能滿足粗砂和細(xì)砂的模數(shù)和細(xì)度要求，且砂中的石粉含量很少，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)估算，粗砂產(chǎn)量約為95t/h，細(xì)砂產(chǎn)量約為40t/h，石粉產(chǎn)量約為15t/h，立軸破碎機(jī)的喂料量約為300t/h，因此可以推算，選粉機(jī)的返回料約等于選出的粗砂、細(xì)砂和石粉的總和，即，選粉機(jī)循環(huán)負(fù)荷約為100%。較低的循環(huán)負(fù)荷，有利于提高立軸破碎機(jī)的破碎效率和選粉機(jī)的分選效率，減少石粉量。

表2 A現(xiàn)場(chǎng)試樣粒度分布分析

A現(xiàn)場(chǎng)粗砂和細(xì)砂的級(jí)配曲線見圖7。細(xì)砂能夠滿足國(guó)標(biāo)GB/T 14684-2011中III區(qū)的要求，粗砂超過(guò)了I區(qū)要求，主要是粗砂中的小顆粒成分太少，<0.6mm顆粒不足4%，可將部分細(xì)砂摻入粗砂進(jìn)行調(diào)制來(lái)滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 A現(xiàn)場(chǎng)粗、細(xì)砂級(jí)配曲線

A現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)見表3，A現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電耗統(tǒng)計(jì)見表4。

表3 A現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

表4 A現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電耗統(tǒng)計(jì)

假設(shè)A現(xiàn)場(chǎng)粗砂產(chǎn)量95t/h，細(xì)砂產(chǎn)量40t/h，石粉產(chǎn)量15t/h，則主要設(shè)備合計(jì)電耗約4.94kW·h/t，較為理想。

4.2 選粉機(jī)在B現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況

B現(xiàn)場(chǎng)正處于雨季，使用<5mm的物料制砂，易造成設(shè)備積料堵料，所以選擇5~10mm的物料制砂，循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速970r/min，選粉機(jī)轉(zhuǎn)速25Hz，立軸破碎機(jī)喂料量約320t/h。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反饋，B現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)機(jī)能耗較A現(xiàn)場(chǎng)高，分析原因是由于喂入的原料粒度較大，經(jīng)立軸破碎機(jī)破碎后的小顆粒物料少，風(fēng)機(jī)拉風(fēng)大、阻力大所致。圖8為B現(xiàn)場(chǎng)制砂原料及成品形貌。

圖8 B現(xiàn)場(chǎng)制砂原料及成品形貌

B現(xiàn)場(chǎng)粗細(xì)砂的級(jí)配曲線如圖9所示。與A現(xiàn)場(chǎng)不同的是，B現(xiàn)場(chǎng)的細(xì)砂和粗砂模數(shù)更為合理，但粗砂同樣含小顆粒偏少，砂中幾乎不含石粉，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。

圖9 B現(xiàn)場(chǎng)粗、細(xì)砂級(jí)配曲線

4.3 C現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況分析

C現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)并聯(lián)的形式，其工藝流程與A、B兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)有所不同。其采用“先風(fēng)選、后篩分”的工藝，物料先經(jīng)顎式破碎機(jī)、反擊式破碎機(jī)，得到<30mm粒徑的物料，然后喂入立軸破碎機(jī)，再進(jìn)入選粉機(jī)，選粉機(jī)將<5mm的砂選出，>5mm的物料再次篩分成為骨料。循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速870r/min，選粉機(jī)轉(zhuǎn)速29Hz，單臺(tái)立軸破碎機(jī)喂料量約350t/h，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。

C現(xiàn)場(chǎng)粗、細(xì)砂級(jí)配曲線如圖10所示，細(xì)砂級(jí)配較好，但是粗砂同樣存在小顆粒成分偏少，物料粒徑分選過(guò)于清晰的情況。

圖10 C現(xiàn)場(chǎng)粗、細(xì)砂級(jí)配曲線

通過(guò)粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)在A、B、C三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況可以看出：

（1）無(wú)論采用“先選后篩”的工藝方案，還是“先篩后選”的工藝方案，均能制得粗砂和細(xì)砂。若采用“先選后篩”的方案，需用孔徑較小的篩網(wǎng)進(jìn)行細(xì)篩，篩選效率較低；若采用“先篩后選”的方案，可以在破碎時(shí)再用孔徑較大的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，篩分效率較高，后續(xù)再通過(guò)粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)分選，篩分效率遠(yuǎn)高于細(xì)篩篩分效率。

（2）通過(guò)粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)選出的成品砂含石粉量偏少，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值；細(xì)砂的級(jí)配較好，粗砂存在小顆粒成分偏少的問(wèn)題，需摻入部分細(xì)砂或搭配其他物料以滿足級(jí)配要求，也可由混凝土攪拌站根據(jù)市場(chǎng)需求自行調(diào)制粗細(xì)級(jí)配。

5 結(jié)語(yǔ)

粗細(xì)砂組合式選粉機(jī)作為一種新型的粗細(xì)砂、石粉分選設(shè)備，通過(guò)與破碎粉磨設(shè)備的合理搭配及后續(xù)的粗細(xì)級(jí)配調(diào)制，不僅能生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)需求的粗砂和細(xì)砂，也省去了細(xì)篩設(shè)備，解決了細(xì)篩設(shè)備效率過(guò)低的問(wèn)題，有效提高了分選效率，降低了系統(tǒng)工序電耗。