論立式沖擊破碎機制砂工藝

摘要：立式破碎機(VSI制砂機)是現今國內外制砂設備制造商爭奪市場的主導產品，而轉子的轉速直徑影響到產砂率和砂石料的質量。從水利水電系統眾多砂石生產系統實際使用情況來看，只有立式破碎機的轉子速度突破臨界轉速，才能明顯提高產砂率。

水利水電、公路、鐵路、機場和建筑等行業都需要有砂石料系統，砂石料系統作為項目的主要組成部分，越來越受到重視，特別是砂石料的質量直接影響到工程質量，使得砂石料生產和管理漸漸成為一項較為專業的項目工程。所以如何選好、管好制砂石料設備，生產出成本低、滿足質量要求的砂石料，是從事砂石料生產管理人員的主要工作內容。

特大型大壩使工程項目對砂、骨料要求極其嚴格，產品質量要求較高。如：砂的含水率 < 6%，不允許有泥塊，細度模數 2.4~2.8，石粉含量較高，骨料的含泥量 < 1% 或更低，超遜徑指標苛刻，為了達到以上骨料技術指標，只有利用較先進的人工砂石料設備，有機組合并科學應用，才能滿足項目業主和水電工程規范的要求。

立式沖擊破碎機是國內外制砂設備商爭奪市場的焦點，以較早的國外 Svedala 生產的 B 系列“石打石” 立式沖擊破碎機和近期生產的 VI 系列 “石打鐵” 立式沖擊破碎機為主導，國內也有這兩種類型的立式沖擊破碎機。這些年有用立式沖擊破碎機替代棒磨機制砂的趨勢。

三峽下岸溪是 BARMAC B-9000/ 9100 與棒磨機聯合制砂，BARMAC B-9000 利用石打石原理，產砂率 32%~34%，彭水電站使用石打鐵 VI400 與棒磨機聯合制砂。由于 VI400 目前產砂率僅 30%，而國內同類型設備處理能力超過 VI400 的處理能力，達到300~400 t/ h，產砂率 >40%，所以立式破碎機國內市場有被國產設備占領的趨勢。

1 “石打石”與“石打鐵”工作原理

以三峽下岸溪的Barmac9000 (見圖 1) 和重慶彭水的 VI400 (見圖 2)為例。

1、工作原理

1.1 “石打石”原理

物料由進料斗進入破碎機，經分料器將物料分成兩部分：一部分由分料器中間進入高速旋轉的葉輪中，在葉輪內被迅速加速，其加速度可達數倍重力加速度，然后以 60~64m/ s 的速度從葉輪三個均布的流道內拋射出去，首先同由分料器四周自由落體的一部分物料沖擊破碎，然后一起沖擊到渦動腔物料襯板上，被物料襯墊反彈，斜向上沖擊到渦動腔的頂部，又改變其運動方向，偏離向下運動，從葉輪道發射出來的物料形成連續的物料幕。這樣，一塊物料在渦動破碎腔內受到兩次以至多次幾率撞擊、摩擦和研磨破碎，形成相對穩定的云狀懸浮顆粒，在破碎腔內作環繞沖擊等多種運動形式。旋轉顆粒持續這種狀態5~20 s 后，在重力作用下，離開破碎腔，進入下道工序。其特征是物料在加速時靠心臟部件葉輪加速，大多數顆粒直接與葉輪耐磨件接觸獲得能量，一旦射出葉輪，所有破碎過程中的物料均不再與設備金屬元件直接接觸，而是與物料襯層發生沖擊、摩擦或者物料與物料作高速撞擊而破碎，即 “石打石”。

1.2 “石打鐵”工作原理

物料由進料斗進入破碎機內，經進料槽進入高速旋轉的葉輪中，在葉輪內被迅速加速，其加速度可達數百倍重力加速度，然后以 56~66 m/ s 的速度從葉輪三個均布的流道內拋射出去，具有較大動能的物料與破碎腔內周邊鐵砧相碰撞，大部分物料將動能瞬間轉化，產生撞擊力和摩擦力，物料在撞擊力作用下，沿物料薄弱斷面如礦物的分界線、接合部位和微小裂隙處斷裂，變成細小顆粒，在重力作用下落入下部卸料斗；部分還具有動能的物料，經鐵砧撞擊后反彈，與葉輪流道口發射出來的物料碰撞，再次與鐵砧撞擊。這樣，一塊物料在破碎腔內兩次或多次撞擊鐵砧，通過撞擊、摩擦和研磨破碎，形成流體狀物料混合物，從卸料斗內排出。

2、適用環境

三峽下岸溪破碎物料是斑狀花崗巖，干抗壓強度 138.8~175 MPa，主要化學成分 SiO2占 72.21%，花崗巖對葉輪的接觸部位磨蝕相當快，利用 “石打石” 原理減少鐵耗，減少維護、保養時間是選型的主要依據，在 1996 年試運行中 Barmac9000 剛投入使用，每 100 h 左右就需要更換一次拋料頭，每180 h 左右就必須更換拋料頭夾塊耐磨板，所以“石打鐵” 原理不適于這種高強度、高磨蝕性物料的破碎。而重慶彭水砂石系統是石灰巖，飽和抗壓強度78 ~ 92 MPa，磨蝕性低，為了防止 “石打石” 出現過粉碎現象，選用“石打鐵”的 VI400，目前生產中磨損量小。

3、Barmac9000與VI400力、產砂率比較

3. 1進料量與級配檢測

1#與2# Barmac進料分別在1#與z2#進料帶式輸送機上取樣，測試情祝見表1。

每臺 Barmac 設計處理能力為 385 t/ h，從表 1 中可以看出，1#Barmac 進料量偏低，但進料級配都比較理想。

1#與 2#Barmac 出料分別在 1#與 2#出料帶式輸送機上取樣，測試情況見表 2。

由表 2 可知，1#Barmac 生產能力較設計值偏小，主要原因是進料量偏低，2#Barmac 生產能力達到設計值。2 臺 Barmac 產品中砂的百分率分別達到 46.11%和 40.25%，分別扣除進料中砂的百分率 9.78% 和6.58% (見表 1)，得出實際產砂率分別為 36.33% 和33.67%，已達到或接近設計產砂率 35%。

Barmac 制砂細度模數一般在 2.7~2.9 之間，單臺產量可達到 70 多 t/ h，經調節進料粒度、進料量，細度模數可以達到 2.5~2.7。

比較兩臺 Barmac，當進料量超過其額定生產能力，產砂率有所下降，另外，40~20 mm 粒徑料偏多時也會降低產砂率。這一結論，在后續生產實踐中得到了證明。當主要進料為 40 ~ 20 mm 時，產砂率很低；當主要進料為 20~ 5 mm 時，產砂率也不理想，只有當 40~20 mm 粒徑料占 30%~35%，其余為 20~5mm 時，產砂率最高，可以達到 40% 的產砂率。但系統中無法保證最好的進料級配，因為受到成品砂中石粉含量與細度模數制約。一般情況下，進料中 40~20mm 與 20~5 mm 各占一半，產砂率在 30%左右波動。

3.2 VI400 進料量及級配檢測結果選擇進料帶式輸送機中的一條，每次開啟 2 個弧門放料，在出料帶式輸送機上取樣篩析，級配情況按表 4、表 5 記錄。

(1) 從表 4 和 表 5 可以看出，進料為混合料，其中當進料中 20~40 mm、5~20 mm 比例為 1:2，破碎后的產品中 <5 mm 的僅 28.8%；當進料中 20~40 mm含量占 30%時，產砂效果較好，產砂率在 32%左右，且進料含水率不大于 10%和 <5 mm 顆粒不大于 3%；當進料中 20~ 40 mm 含量 <25%時，產砂效果變差，產砂率下降到 20% 左右。

(2) 從表 6 可以看出，VI400 所產砂在上述處理條件下，細度模數為 3.16，石粉含量為 9.53%，由于經第三層 3.5×3.5 mm 篩網后，<5 mm 物料中 3.5 mm 以下占 75%，按照 VI400 產砂率 30%計算，進入成品倉的砂為 55~60 t/ h·臺。

4、Barmac9000 與 VI400 產砂率因素探討

(1) Barmac9000 與 VI400 平均進料量均可達 350t/ h，產砂率為 30%~35%。兩種設備轉子的線速度均在 66 m/ s 以下，根據國內有關生產廠家對制砂機的研究，當轉子的線速度大于 71 m/ s 時，按“石打鐵” 原理可以突破 50%的產砂率，甚至接近 65%的產砂率，所以提高轉子速度是提高產砂率的關鍵。三峽下岸溪因配置 5 臺 Barmac9000，沒有就大幅度提高產砂率作深入研究，僅僅圍繞進料級配、進料量如何影響產砂率作了多次試驗，但產砂率最好時只能達到 33%~35%。在彭水工地，由供貨廠商提供資料表明：VI400 產砂率可以達到 56% (指中軟的石灰巖)，但實際產砂率在 30%左右徘徊。我們為了尋求提高產砂率的途徑作了 5 次試驗，在設備轉子的線速度在 59m/ s、62 m/ s、66m/ s 三種條件下試驗，產砂率并沒有明顯變化。

(2) 進料級配對產砂率有一定影響，立式破碎機制砂原料主要是中石和小石的混合料，中石比例偏多，中石被加速后攜帶的能量就多，沖擊和碰撞時能量轉化也多，物料 破碎的幾率更大，使粗顆粒變成細顆粒的比例增大，所以產砂率較高。彭水砂石系統由于生產工藝的限制，不可能實現中石多于小石的進料狀況，調整進料級配在彭 水砂石系統沒有多大研究價值，這就要求必須提高轉子速度獲得較高的產砂率。

(3) 當 VI400 破碎機的轉子速度提高到 65 m/ s時，設備振動顯著加大，設備不能正常運行。正在彭水使用的 3 臺 VI400 破碎機已不能突破 65 m/ s 的轉子速度，這與該設備的主軸結構和軸承配置存在必然聯系。主軸部結構設計和軸承等級選用是制約轉子線速度提高的主要原因。

5、結論

(1)"石打石” 立式沖擊破碎機適用于中硬以上磨蝕性大的物料破碎，如花崗巖等；“石打鐵” 立式沖擊破碎機適用于中硬以下磨蝕性小的物料破碎，如石灰石等。

(2) 只有將立式破碎機的轉子速度突破臨界轉速，才能明顯提高產砂率。處理能力在不超過設備最大能力的范圍內，隨著進料量的增加，絕對產砂量相應增加，但產砂率沒有明顯變化。進料級配也對產砂率有一定影響，但影響較小。

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