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1、我国水电工程人工砂石料加工技术的发展及应用路文典摘 要 人工砂石料加工技术经历了摸索期、成熟期、不断创新的广泛应用期三个阶段，形成了与时代发展相适应的人工砂石系统设计新理念。系统工艺设计、平面布置的不断创新和高性能设备的推广应用，提高了砂石系统的自动化程度及骨料产品质量，降低了骨料生产成本。系统运行方式的多样化、废水处理技术的日益完善，为打造水电工程“绿色粮仓”、为水电可持续开发目标的实现提供了条件。关键词 人工砂石料 加工技术 设计理念 系统布置 石粉回收 废水处理 水工砼中砂石料占砼重量的 7585，砂石加工系统因而被美誉为砼坝的“粮仓” ，由此，砂石系统对于坝工砼的重要性可见一斑。人工砂
2、石料与天然砂石料相比，具有料源丰富、加工受季节影响小、成品料的粒形及级配良好、拌制的砼有利于温控及减少砼裂缝等优势而得到了日益广泛的应用。通过消化、吸收国际先进的人工砂石料加工技术（以下简称“人工砂石技术” ） ，并与国内丰富的砂石生产实践经验相结合，我国的人工砂石技术不断创新、丰富，并达到了国际先进水平。1. 人工砂石料加工技术的发展历程回顾根据人工砂石技术的特点及人工砂石料的应用状况，我国人工砂石技术的发展大致可分为三个阶段：摸索阶段、成熟阶段和不断创新的广泛应用阶段。1.1 人工砂石料加工技术的摸索阶段我国的人工砂石料应用最早开始于上世纪 60 年代初建设的贵州猫跳河水电站，采用性能落后
3、的锤式破碎机生产人工砂，且规模较小。65 年映秀湾工程建成了生产能力为 160t/h 的人工砂石系统（以下简称“人工砂石系统” ） ，自此拉开了我国人工砂石技术研究、应用的序幕。当时，人工砂石料在国内的生产及应用还处于一片空白，如何进行人工砂石系统的工艺流程设计、设备选型及如何提高产品质量和降低生产成本等，都是要在实践中探索的问题，人工砂石技术的研究进入了一个漫长的探索阶段，这一阶段一直延续至上世纪 80 年代末。在此期间，大型的人工砂石系统主要有乌江渡、漫湾及五强溪砂石系统等。乌江渡右岸砂石系统设计生产能力 500t/h，加工原料为石灰岩，共生产成品骨料420 余万 m3。乌江渡开创了国内全
4、部采用人工砂石料作为砼骨料修建大型水电站的先河，为在缺乏天然砂石料地区修建水电站提供了经验。漫湾砂石系统，以灰绿色流纹岩为料源，毛料处理能力 500t/h，总计生产成品骨料 280 余万 m3。五强溪砂石系统是截至当时国内最大的人工砂石系统，设计生产能力 1150t/h，后经过增容改造，实际综合加工能力达 1200t/h，共计生产成品料 585 万 m3。这一时期，经过近 20 年的探索，人工砂石技术虽然取得了一定的成就，但还很不成熟，尤其是系统设计仍然存在着许多缺陷，如工艺设计上采用了单一不变的模式：旋回式破碎机作粗碎；中、细碎主要采用圆锥破碎机；棒磨机湿式制砂等，成品料级配调节能力不强。另
5、一方面，经过这一时期的生产实践，进行了多方面的尝试，逐步解决了实际中遇到的很多技术难题，如花岗岩、石英岩等高 SiO2 含量岩石对设备的超常磨损的研究等，为我国更大规模地应用人工砂石料奠定了技术基础，积累了经验。1.2 人工砂石料加工技术的成熟阶段进入 90 年代以后，水电开发的步伐加快，二滩、小浪底、万家寨、大朝山、三峡等一批特大型水电工程的相继开工建设，为人工砂石技术的成熟提供了千载难逢的机遇。尤其是二滩、小浪底工程，主体工程均采用国际招标，外商的直接参与，带来了包括人工砂石技术在内的许多国际先进的设备及技术，这对于我国人工砂石技术的成熟起到了积极的促进作用。二滩砂石系统加工规模为 100
6、0t/h（实际生产能力达 1200t/h） ，设备先进配套，设计布局合理，其多级破碎制砂的多重闭路循环工艺及依据地形布置的地下竖井式骨料储仓，使人耳目一新。特别是系统布置采用了地面、地下、空间立体式的布置，成品骨料全部储存于山体中开挖的竖井之中，不但解决了场地狭小的难题，而且利用骨料自身重力完成了骨料的垂直运输，无干扰，最经济，同时利于骨料的保温及砼温控。小浪底工程连地砂石系统，设计处理能力 700t/h（后经增容达 1000t/h） ，料源为石英砂岩河卵石，SiO 2 平均含量为 76，最高抗压强度达 351MPa，是截止目前国内已建工程砂石料加工原料中最坚硬的，对加工设备的磨蚀严重。但由于
7、系统采用了国际著名厂商专门针对小浪底这种坚硬河卵石设计的破磨设备，针对不同的粒度采用不同的破碎设备进行多级破碎，并采用任意循环的灵活生产工艺，不但保证了系统的正常运行，并且创造了高峰期平均月运行时间 595h 的全国最高记录。万家寨人工砂石系统是我国西北地区的第一座大型人工砂石系统，设计处理能力800t/h。该系统针对人工砂含粉量高、含水量大，易板结、冻结、廊道卸料口上方起拱等问题，采取用推土机配合送料、合理安排各卸料口的卸料次序及卸料时间等措施，取得了较好的效果，为我国在严寒地区进行人工砂石系统的生产、管理提供了宝贵经验。三峡古树岭及下岸溪人工砂石系统，分别采用基坑开挖及下岸溪料场开采的花岗
8、岩为原料。古树岭人工碎石系统处理能力 2650t/h，下岸溪人工砂生产系统处理能力2400t/h。三峡人工砂石系统不仅规模巨大，而且其设计吸取了我国 30 余年人工砂石技术的经验，大量引进了国际上先进的加工设备，利用 HP 圆锥破碎机作细碎，并创新地采用了棒磨机与 Barmac 联合制砂的生产工艺，代表了当时我国人工砂石系统设计的最高水平。系统至今经过 9 年的运行，满足了工程连续 21 个月浇筑强度大于 40 万 m3 的高强度用料要求，并多次刷新了砂石料生产供应的世界记录。上世纪 90 年代，是我国由计划经济向市场经济转轨的关键时期，水电建设市场的业主负责制、招标投标制、建设监理制、合同管
9、理制的推行和我国改革开放的全面深入，促进了水电施工技术的飞速发展，我国的人工砂石技术正是依托这些举世瞩目的工程取得了前所未有的成就，并日益发展成熟。1.3 人工砂石料加工技术的不断创新及广泛应用阶段进入 21 世纪，百色、龙滩、小湾、构皮滩、溪落渡等特大型水电站陆续开工，标志着我国的水电建设进入了有史以来的鼎盛时期。而这些工程无一例外地均采用人工砂石料作为砼骨料，以 30 多年的生产实践和取得的技术成果为基础，我国的人工砂石技术由此进入了快速创新的时代并得以广泛的应用。国际先进技术与我国丰富实践经验的有机结合，使我国的人工砂石技术达到了、甚至在有些方面创造了世界一流水平。2.取得的技术成果及创
10、新应用2.1 形成了与时代发展相适应的砂石系统设计新理念并得以创新应用粗、中、细三段破碎棒磨机制砂是我国沿用了几十年的砂石生产工艺模式，至今，与时代发展相适应的新的砂石系统设计理念已经形成，并因其具有良好的技术性、经济性而得以推广应用。这种新的的设计理念概括起来就是：砂石加工“多碎少磨，以破代磨，破磨结合” ； 注重环保，营造 “绿色粮仓” ；分部采用计算机集中控制、摄像监控，少人值班，系统高度自动化。通过多段破碎，减少骨料磨碎；以破碎代替棒磨，破碎制砂和棒磨制砂结合，不但可提高成品料质量，极大的减少单位产品的耗钢量、降低加工成本，而且可简化生产工艺，减少制砂耗水量及相应的废水量的排放，有利于
11、环保。二滩、小浪底砂石系统是采取“多碎少磨”的典范，而破磨结合则是三峡工程的成功经验之一。这种模式已在龙滩、小湾、构皮滩等工程中得到推广应用。立轴冲击式破碎机生产的人工砂，缺少中间粒径，细度模数高，但加工成本低；而棒磨机所制人工砂，级配好，细度模数易于调整，但加工成本高，二者在技术、经济上有着良好的互补性，破磨结合的制砂思路是对人工砂石技术的重要创新。由于水电开发可持续发展的需要，环保要求越来越高，减少砂石系统的扬尘及废水达标排放，营造绿色环保砂石系统，是新世纪砂石系统设计及运行管理追求的目标之一。对系统产生的废水进行处理，在五强溪及大朝山工程中已有尝试，但仅是设沉淀池靠泥沙自然沉淀，效果较差
12、。废水处理工艺在三峡工程中得到完善，并已成功应用于龙滩、彭水、索风营等工程砂石系统中。特别是龙滩大法坪砂石系统，利用山谷地形形成大库容的堆碴库，采用意大利劲马气动清淤泵及管道系统把回收石粉后的泥碴以 96的浓度长距离输送到堆碴库堆存、过滤，做到了废水零排放，不但效果好，而且运行成本低，是砂石系统废水处理的重要创新，为砂石系统泥碴处理、营造绿色环保砂石系统拓宽了思路。采用微机对系统分部进行集中控制，可同时对生产工艺采用模拟屏动态显示及利用旋转变焦摄像头对系统中的重点部位进行动态监控，可提高系统运行的安全性及运转率，做到少人值班运行，使系统运转高度自动化；而且，可利用计算机强大的数据处理功能对系统
13、运行进行有效的管理，如事件记录、统计、报表及打印、数据储存及浏览等。目前正在运行的和在建的大型砂石系统几乎全部采用了这种由工控机PLC工业摄像监控动力配电屏组成的微机控制系统，如已投入运行的龙滩大法坪、构皮滩烂泥沟、彭水鸭公溪等砂石系统，在建的如小湾砂石系统等。2.2 广泛采用高性能化的加工设备实践证明，高性能的加工设备可以简化工艺，提高产品质量，降低生产成本，因此，高性能化的设备已越来越受到砂石系统设计人员的青睐。高性能的砂石加工设备，是国外矿业设备生产商根据两种先进的物料破碎理论研发的，这两种理论分别是“层压破碎”理论和“自冲击破碎”理论。当前，破磨行业备受推崇的 HP、GP 、S、H 系
14、列圆锥破碎机都是“层压破碎”理论的代表；而VI、Barmac、 VSI 系列立轴冲击式破碎机则是 “自冲击破碎”理论的代表。这些设备均以“物料粒间破碎”为着眼点，体现在破碎机的性能上便是：设备体积小、重量轻、处理量大，产品粒形好、针片状少、细粒产品产量高，能耗、钢耗大幅度降低。正因为如此，这些设备虽然价格昂贵，仍然得到越来越广泛的应用，如百色、龙滩、小湾、构皮滩等工程均大量使用了此类设备。传统的粗碎机多采用旋回式破碎机，存在自重大、土建量大、维护复杂的缺点，如三峡工程使用的 PXZ1216 破碎机，重达 232 吨，车间高度近 30 m，大修一次需半个月左右。而目前广泛使用的进口大型颚式、反击
15、式破碎机，单机处理能力可达 1000t/h以上，自重却只有 50100t ，安装简单，与给料量可实现无级调节的振动给料机组合，运行稳定、安全，且维护简单。除构皮滩砂石系统考虑旧设备的利用仍采用了旋回式破碎机作粗碎外，龙滩、小湾、光照、溪落渡等工程均采用了颚式或反击式破碎机作粗碎。2.3 掌握了不同岩性、不同强度、不同区域、不同规模的人工砂石系统的设计技术，干法、湿法、半干法生产方式多样化，运行管理经验不断丰富迄今为止，已用于加工砼人工骨料的石料包括：石灰岩、流纹岩（漫湾） 、石英岩（五强溪） 、石英砂岩（小浪底） 、玄武岩（大朝山） 、正长岩（二滩） 、花岗岩（三峡） 、片麻岩（小湾）等十余种
16、不同岩性的岩石，抗压强度最高达 300MPa 以上；生产地域从南到北、从炎热到高寒气候；砂石系统的规模从每小时数百吨到两千多吨；生产方式大多为湿法加工，部分采用了干法（如棉花滩、百色） 、半干法（索风营）生产方式。五强溪、小浪底、三峡工程分别利用高硬度、高 SiO2 含量的石英岩、石英砂岩、花岗岩轧制人工砂石料获得成功，为人工砂石料更为广泛的应用铺平了道路。并且在上述系统运行中还摸索出了高磨蚀性原料对加工设备超常磨损的应对措施，如采用合金钢作为易损件的耐磨层、用爆炸法提高高锰钢的表面硬度、在易损件原料中添加变质剂以细化晶粒来提高易损件的硬度、韧性以及采用合成橡胶筛网等，延长了易损件的使用寿命，降低了人工砂石料的加工成本。现在这些技术均已被广泛应用。湿法生产废水排放量大，且在寒冷地区易受冬季影响；干法生产，粉尘污染难以控制。在索风营人工砂石系统中采用了半干法生产方式，通过控制生产过程中物料的含水量，采取先分级后冲洗、湿砂与干砂混合等措施，既控制了粉尘污染，又减少了生产耗水量及废水排放量，并采取不同孔径的筛
