槟榔江松山河口水电站人工砂石加工系统
破碎设备选型经验介绍
程洪泉 万林波 赵相军
摘要：由于用来加工人工砂石料的岩石是多样性的，人工砂石料加工系统的设备选型是否合适，对系统能否满足工程混凝土浇筑对人工骨料生产的质量、数量和强度要求，系统运行能否实现可靠性和经济性都有着直接和决定性的影响。槟榔江松山河口水电站人工砂石加工系统是已经成功完成生产任务的专业人工砂石加工系统，本文对其破碎设备选型实践的情况进行了简要的分析探讨。 关键词：槟榔江；松山河；人工砂石；破碎设备选型
1、松山河口水电站砂石加工系统概述
云南保山槟榔江松山河口水电站人工砂加工系统主要生产松山河口电站主体工程19.5×104m3混凝土（含1×104 m3喷混凝土）的用砂约15.1×104t，苏家河口电站主体工程58×104 m3混凝土（含4.5×104 m3喷混凝土）用砂约44.9×104t，总计约60×104t。该项目于2007年1月1日正式接到监理下达的开工令。砂石加工系统于2007年4月15日顺利试运行，合同工期截止到2009年12月底。为保证两个电站的用砂强度，本系统不生产粗骨料，只单一的生产人工砂，每小时成品砂产量设计为180吨/小时。
2、料源特点和成品砂石料质量要求
人工砂石料料源岩石的物理和化学性质对加工系统不同类别设备的性能发挥、易耗件的使用寿命等都有着直接影响，是设备选型应考虑的重要先决条件之一。松山河砂石加工系统料源为大安采石场开挖的灰质硬岩，含大量稀有金属，因此对系统设备的磨损很严重。根据业主提供的相关资料，料场弱风化结晶灰岩密度为2.77g/cm3，软化系数为0.80，平均湿抗压强度为84.7MPa，最高湿抗压强度达107.4MPa，平均干抗压强度106.3MPa，最抗压强度达119.6MPa；微风化及新鲜结晶灰岩密度为2.71g/cm3，软化系数为0.72，平均湿抗压强度为88.1MPa，最高湿抗压强度达96.4MPa，平均干抗压强度123.5MPa，最抗压强度达136.0MPa。弱风化、微风化及新鲜结晶灰岩属坚硬岩类。
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表2-1 大安石料场岩石物理力学性试验成果汇总表
物理性试验 岩样 取样地点 风化 力学性试验 最大吸抗压强度(MPa) 抗剪强度 静弹模(干） 静弹模（湿） 编号 及深度(m) 岩 性 程度 比重 密度孔隙率吸水率(g/cm3) (％) (％) 水率软化(％) 干 湿 系数 φ(°) C(MPa) E (GPa) μ E d(GPa) μ 113.1 79.0 Y551-1 22.80～26.00 细晶灰岩 弱风化 2.78 2.75 1.08 0.14 0.15 119.6 107.4 0.77 53.1 6.7 7.57 0.24 5.93 0.29 118.8 83.4 96.5 84.6 Y552-1 43.11～44.80 细晶灰岩 弱风化 2.83 2.81 0.71 0.10 0.11 97.4 80.3 0.83 53.1 6.7 4.39 0.21 2.77 0.28 95.7 75.6 107.6 83.8 Y553-1 19.25～21.33 微晶灰岩 弱风化 2.78 2.75 1.08 0.09 0.10 100.8 79.5 0.80 54.5 5.6 6.40 0.32 2.94 0.38 107.1 88.6 平均值 2.80 2.77 0.96 0.11 0.12 106.3 84.7 0.80 53.6 6.3 6.12 0.26 3.88 0.32 Y553-2 39.90～41.60 微晶灰岩 微风化 130.5 83.4 ～新鲜 2.79 2.71 2.87 0.18 0.19 113.1 84.8 0.69 54.2 8.4 7.92 0.28 6.63 0.34 118.8 81.8 微风化 126.5 92.5 Y554-1 46.80～50.00 微晶灰岩 ～新鲜 2.80 2.70 3.57 0.18 0.19 136.0 .9 0.74 53.6 6.1 6.09 0.28 5.78 0.41 116.2 96.4 平均值 2.80 2.71 3.22 0.18 0.19 123.5 88.1 0.72 53.9 7.3 7.01 0.28 6.21 0.38 2
成品砂石料的质量要求如粗骨料的超逊径、成品砂的含水率和石粉含量等也是设备选型过程中要重点考虑的因素之一。招标文件和合同文件中对成品砂石骨料的质量技术要求见表2-2。
表2-2 成品砂的质量技术要求
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 坚固性 含泥量 项目 表观密度 ≥C30和有抗冻要求 ＜C30 泥块含量 有抗冻要求 无抗冻要求 云母含量 含水率 硫酸盐及硫化物含量 有机质含量 轻物质含量 细度模数 石粉含量 碱活性 指标 ≥2500kg/m ≤3% ≤5% 不允许 ≤8% ≤10% ≤2% ≤6% <1% 不允许 ≤1% 2.4～2.8 6～18% 10～22% 3备注 应保持稳定 换算成SO3，按质量计 常态混凝土 碾压混凝土 经检验和试验论证后，有潜在危害时，应采取相应措施 3、系统设计规模
（1）粗碎处理能力
槟榔江苏家河口水电站和松山河口水电站工程混凝土总量77.9万m³，混凝土量及骨料量见表3.1。 电站 名称 苏 家 河 口 电 站 序号 1 2 3 4 5 6 名 称 大坝混凝土面板 溢洪道 引水发电系统 泄洪放空隧洞 灌浆洞 喷混凝土 混凝土量 43（10m） 6.5 12.3 27.3 7.7 0.10 4.5 分级配混凝土量（10m） 二级配 6.34 11.7 25.2 7.7 0.10 三级配 0.16 0.6 2.1 43 3
松 山 河 口 电 站
1 2 3 4 大坝混凝土 引水隧洞 厂区枢纽 喷混凝土 7.9 6.2 4.4 3.6 6.2 0.3 4.3 4.1 根据招标文件提供的参考资料，苏家河口与松山河口水电站高峰月混凝土浇筑强度相互叠加，总的高峰月混凝土浇筑强度为6.37万m³/月，两电站混凝土浇筑强度见下表：
混凝土高峰月强度表（表3.2）
项目 高峰月强度 单位 万m³/月 苏家河口 3.32 松山河口 3.05 合计 6.37 成品砂月生产强度计算（表3.3）
项目 混凝土高峰月强度(Q) 混凝土骨料比重(k1) 砂级配比例(k2) 成品砂高峰月生产强度(Qmp) 单位 万m³/月 t/ m³ % t/月 数值 6.37 2.2 37 51850 备注 Qmp= 10000Q×k1×k2 根据上表中成品骨料高峰月强度计算粗碎车间的处理能力。 加工系统小时成品骨料生产能力：Qhp=Qmp/(m×n) 式中：Qhp——系统成品骨料小时生产能力，t/h； Qmp——系统月成品骨料生产强度，t/月； m——系统月工作天数，d；取25天 n——系统日工作小时数（按两班制），n=14小时。 则：Qhp=51850/(25×14) =148.14(t/h)，取值Qhp=150(t/h) 粗碎车间处理能力Q=Qhp×C1×C2
式中：Q——粗碎车间小时处理能力，t/h；
C1——加工系统生产不均衡系数，取C1=1.2； C2——加工工艺流程损耗系数，取C2=1.35； 则：Q=150×1.2×1.35=243(t/h)，取值Q=250(t/h)
系统生产时检测成品砂生产能力Qc= Qhp×C1=150×1.2=180(t/h) （2）级配平衡计算
级配平衡表根据系统工艺流程及系统所选设备破碎特性计算。
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采 石 场中 碎粗 碎>5mm5-2.5mm二 筛半成品仓转料仓砂一 筛<40mm>40mm制 砂工艺流程简图
级配平衡表（表3.4）
料径(mm) 设计生产级配(%) 设计生产量(t) 爆破级配(%) 级配量(t) 弃料后的骨料量(t) 粒径(mm) PE750X1060特性(%) 破碎后级配量(t) 粒径(mm) PF1315特性(%) 破碎后级配量(t) 级配平衡(t) PL9500SD特性(%) 破碎后级配量(t) 级配平衡 630~150 150~40 75.00 187.50 187.50 15.00 37.50 37.50 191~40 75.90 40~5 5.00 12.50 12.50 40~5 12.00 20~5 8.50 20.19 80~5 76.00 55.00 20~5 3.00 7.50 5~2.5 15 36 2.00 5.00 弃料 5~2.5 1.70 4.04 5~2.5 16.00 ＜2.5 1.90 4.51 ＜2.5 18.00 ＜2.5 85 144 0.00 0.00 合计 100.00 180.00 100.00 250.00 237.50 100 237.50 100 600 180.26 28.50 180.50 38.00 20.00 42.75 237.50 25.00 100.00 +48.75 2.00 -101.25 330.00 120.00 150.00 车间的处理能力表（表3.5）
序号 1 2
项目名称 粗碎车间 一筛车间 单位 t/h t/h 设计处理能250 250 最大处理能300 500 备注 5
3 4 5 中碎车间 制砂车间 二筛车间 t/h t/h t/h 190 600 600 240 760 800
4、系统前期主要破碎设备选型及存在的问题和处理 4．1设备选型遵循的主要原则：
(1)为提高砂石系统长期运行的可靠性，砂石加工系统关键设备采用技术领先、质量可靠、单机生产能力大，使用的是经验成熟的国际先进设备；
(2) 设备配置应适合料源特点,满足砂石加工系统生产能力和质量的要求，并考虑适当的负荷率；
(3)尽量选用相同规格型号的设备，以简化机型，方便管理维修； (4)尽量选用便于操作，工作可靠，节省投资，节省能耗及其它消耗，以及能降低运行管理费用的设备。
4．2根据招标资料系统前期破碎设备的选择
（1）破碎岩石的特性
根据招标资料提供的数据，本系统需破碎的岩石的岩性属坚硬、可破碎性结晶灰岩。
（2）粗碎设备选择
粗碎车间设计生产能力为250t/h。设备选用2台PE750X1060颚式破碎机。该机处理最大进料粒径为630mm，处理坚硬岩类时其运行成本较低。
根据厂商提供的资料，PE750X1060颚式破碎机在产品为150mm时（即≤150mm的骨料含量≥90%）时，单台处理能力为150t/h，本系统设计其单台处理能力为125 t/h，设备的负荷率为63%，系统最大设计处理能力为250t/h，最大负荷率为83%。
（3）中碎设备选择
中碎车间的处理能力为190t/h，设备选用PF1315反击式破碎机。该机具有产量大、出料粒径容易控制、产品粒形好、能耗低等特点。根据厂商提供的资料，反击式破碎机在产品为50mm时（即≤50mm的骨料含量≥90%）时，单台处理能力为200t/h，设备的负荷率为79%。
（4）制砂设备选择
本系统成品砂的主要通过制砂车间生产。制砂车间处理能力为450t/h，设备选用PL8500SD和PL8500两台立轴式制砂机。PL8500SD立式制砂机设计单台处理能力300 t/h，PL8500立式制砂机单台处理能力150 t/h，厂家提供的资料显示PL8500SD和PL8500立式制砂机在最佳制砂效果时设备的通过能力分别为
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300 ~380t/h和150 ~200t/h，设备负荷率为79%。
4．3 选择的破碎设备存在的问题及处理
松山河人工砂石加工系统通过运行一段时间，发现选择的破碎设备存在一些问题，导致系统的生产质量和数量，无法满足设计要求，同时运行成本相对极高。必须进行整改，才能满足电站的供应需求。其情况如下：
4．3．1粗碎设备的使用情况 （1）使用情况
砂石加工系统生产约1万多吨后，发现颚式破碎机的动颚板和静颚板的牙全被磨平，无法再继续使用，只能更换。粗碎的特种钢耗钢量约为0.1kg/吨，按常规，远远超于灰岩粗碎耗钢量。通过对大安采石场的石料进行化学分析，发现石料中含有铁、锰、硅、钙等成份，极大的提高了石料的耐磨性、抗拉强度，加大了石料的破碎难度，带来了耗钢量的增加。
（2）处理办法
通过分析测评，颚式破碎机属于低速破碎设备，认为砂石系统所选择的颚式破碎机作为粗碎，是合适大安采石场的。但是为了降低耐磨件的耗用量，必须进行一定的技术改造，才能达到要求。在本系统中，我们采取了两个办法来降低破碎的耗钢量，一个办法是与耐磨件供应商共同研究调整耐磨件的力学性能，增强耐磨性；一个办法是针对岩石的强度范围，调整动颚板和静颚板的磨牙形状，延长磨损寿命。通过这两种办法处理后，粗碎的破碎成本降低了40%左右。
4．3．2中碎设备的情况 （1）使用情况
在砂石加工系统中，中碎车间选择的破碎设备是PF1315反击式破碎机，经过一段时间生产后进行测算分析，其耗钢量为4kg/百吨，生产基本满足要求，存在的问题为耐磨件更换频繁，对系统持续生产不利，更换人工成本高。
（2）处理办法
由于生产基本满足要求，本加工系统中只是在耐磨件方面努力增加锤板使用寿命来处理。在其间我们把石料运到相邻的苏家河口电站砂石系统进行试验，作比较，（苏家河砂石系统中碎车间为圆锥破碎机）通过测算其生产成本可降低30%左右。但从整体成本和生产供应考虑，未进行更换设备。
4．3．3制砂设备的情况 （1）使用情况
在加工系统中，前期制砂设备选择的是立轴式制砂机，立轴式制砂机在贵州索风营水电站的灰岩制砂中，取得了成功的应用。因此，本系统仍选择立轴制砂机，一台PL8500SD型石打石和一台PL8500石打铁制砂机。但是通过一段时间的
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生产运行，发现由于岩石性能的改变导致生产的质量和数量均不能满足要求，同时耗钢量极高，耐磨件更换频繁，影响了供应需求。
主要存在的问题：A）单位时间产量不足，B）可持续生产时间短（一付耐磨件单面使用时间基本不能超过十小时），C）耗钢量达到了将近0.3Kg/吨。导致生产成本直线上升，系统制砂设备必须重新选型。
（2）处理办法
1）制砂设备再次选型的分析：
按原招标地质资料提供的数据不能用来正确选择合适的制砂设备，我们通过对大安采石场的石料进一步做物理性能分析和化学分析。通过多次取样试验，发现石料不仅存在多种金属成份，而且还存在有集成金属核的情况，对所选的立轴制砂设备破坏性及大。对大安石料的化学成份分析表如下（表4-1）：
中国科学院地球化学研究测试分析中心 分析结果报告单 成份名称 SiO2 Fe 2O 3 AI 2O 3 CaO MgO K 2O Na 2O TiO 2 P 2O 5 烧失量 百分含量 50.60% 2.56% 0.45% 34.43% 8.43% 2.09% 1.03% 0.11% 0.11% 0.42% 由表4-1可以看出，本石料场的的灰岩与一般的岩石性质存在极大的差异，由于存在多种金属以及SiO2，，导致石料的强度不稳定，抗拉、耐磨加大，必须重新选择制砂机型。
2）设备选型试验
我们选择了两种制砂机型进行试验，一种为锤式制砂机，一种为自流冲击式立轴制砂机。
锤式制砂机试验的情况：运行基本稳定，但持续生产时间不长，一般运行15至20个小时左右就需更换其锤头、筛条。耗钢量比原来的立轴石打石、石打铁制砂机还大，同时，更换耐磨件过程繁琐。
自流冲击式立轴制砂机的情况：运行基本稳定，持续生产时间长，一般运行80个小时左右才需更换耐磨件。耗钢量比原立轴石打石、石打铁制砂机降低了几倍，达到了目前国内同类岩石制砂耗钢量的先进水平。同时更换耐磨件过程比
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原石打石、石打铁制砂机和锤式制砂机相对简单的多。
3）确定重新选择制砂设备
通过上述比较，明显只有选择自流冲击式立轴制砂机，才能在质量、数量以及生产成本上保证骨料正常生产供应。最终我们把原来的立轴石打石和石打铁制砂机换成了自流冲击式立轴制砂机，在骨料供应方面，保证了松山河电站和苏家河电站顺利完工。 5、总结
松山河人工砂石加工系统设备选型是结合当前国际、国内先进的破碎、制砂、筛分、水处理等设备应用现状和贵州索风营、云南云鹏水电站等工地实际经验进行的又一次设备选型实践。设备选型符合“系统设计必须重点考虑生产高峰期的可靠性、设备选型的先进性和低峰期生产的经济性”的设计指导思想，整体上是人工砂石系统设备选型的又一个成功范例。
但在破碎设备选型方面，有诸多的成功，也存在一定不足，特别是制砂设备在岩石资料收集不足的情况下进行选型，给系统后期运行造成了极大的困惑。虽然最终得以有效解决，但还是给我们造成了一定的损失。特别是提醒了我们，在设备选型中，除了考虑岩石的抗压强度外，还应进一步考虑岩石的耐磨性、抗拉性、综合物理、化学性质的稳定性，才能选择到适合的破碎设备。
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