新型單段錘破在超大型砂石骨料礦山的應(yīng)用研究

陳少學(xué) 趙東明

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.中電建安徽長(zhǎng)九新材料股份有限公司）

砂石礦資源是礦產(chǎn)資源的重要組成部分［1］，砂石骨料是混凝土最大的組成部分，占比約為86.7%［2］，而且混凝土是支撐國(guó)民基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的主要原料，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要的物質(zhì)基礎(chǔ)與支撐。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)化率大幅提高，由1978年的17.92%提高到2021 年的64.72%，這期間消耗了大量的砂石骨料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021 年長(zhǎng)三角區(qū)域三省一市砂石骨料需求量近37 億t，約占全國(guó)需求量的1/5。十八大以來(lái)，隨著生態(tài)文明建設(shè)、國(guó)家供給側(cè)改深入推進(jìn)，淘汰落后砂石產(chǎn)能，以及前期地方政府對(duì)砂石行業(yè)缺乏政策支持［3］，導(dǎo)致砂石骨料供需關(guān)系短期失衡，砂石骨料價(jià)格快速上漲。以央企和地方國(guó)企為代表的企業(yè)紛紛布局砂石骨料行業(yè)，開(kāi)始了以大型化、集約化、綠色化的砂石生產(chǎn)模式，加速推進(jìn)了砂石行業(yè)新舊產(chǎn)能的轉(zhuǎn)化。

1 應(yīng)用背景

安徽池州市境內(nèi)某超大型石灰?guī)r礦由國(guó)內(nèi)某央企開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)規(guī)模7 000 萬(wàn)t/a，礦石加工采用兩段一閉路破碎篩分、成品砂整形的工藝流程［4］。礦山采用露天開(kāi)采，設(shè)計(jì)為平硐溜井開(kāi)拓，共設(shè)4條溜井，破碎設(shè)備布置于溜井底部，由重型板式給料機(jī)從溜井礦倉(cāng)將原礦給入滾軸篩，滾軸篩篩上進(jìn)入一段破碎設(shè)備進(jìn)行一段破碎作業(yè)，經(jīng)一段破碎后的原礦由膠帶機(jī)運(yùn)送至加工區(qū)的半成品堆場(chǎng)，單臺(tái)破碎設(shè)備處理能力達(dá)2 000 t/h 以上。由于整個(gè)一段破碎系統(tǒng)布置在硐室里，為了保證硐室安全，需盡量減小硐室空間開(kāi)挖，同時(shí)采用高效破碎設(shè)備滿足前后生產(chǎn)工藝需求。在建筑砂石骨料一段碎破設(shè)備中，因原料物理特性不同，常用的設(shè)備有錘式破碎機(jī)、顎式破碎機(jī)、旋回破碎機(jī)［5］，且各種設(shè)備均有不同的應(yīng)用場(chǎng)景。建設(shè)方通過(guò)方案論證及廣泛調(diào)研，一段破碎設(shè)備需滿足破碎比大、處理能力大、設(shè)備尺寸小、易安裝等需求，通過(guò)破碎試驗(yàn)研究進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)工藝參數(shù)，通過(guò)綜合比較，一期工程采用了山東某企業(yè)生產(chǎn)的新型單段錘破。

2 設(shè)備簡(jiǎn)介

單段錘式破碎機(jī)主要應(yīng)用于水泥、陶瓷、非金屬礦和新型綠色建材等行業(yè)。大塊物料通過(guò)給料設(shè)備進(jìn)入破碎腔內(nèi)，堆積在設(shè)備內(nèi)特設(shè)的中間托架上，錘頭在中間托架的間隙中運(yùn)行，將大塊物料連續(xù)擊碎而墜落，墜落的小塊經(jīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的錘頭進(jìn)一步打擊而細(xì)碎，最后經(jīng)弧形篦板均整合格后卸出。

山東某企業(yè)通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)單段錘式破碎機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，研制出了新型單段錘破，設(shè)備性能有了較大的提升。以JSPCD2626 為例，主要改進(jìn)如下：一是通過(guò)將傳統(tǒng)2 臺(tái)800 kW 電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸及主軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)子，改進(jìn)為由1 250 kW 單電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子；二是錘頭升級(jí)為重錘，并將數(shù)量減少至16 個(gè)，錘頭呈交錯(cuò)狀布局，并在轉(zhuǎn)子盤(pán)上方架設(shè)弓形棚條，弓形棚條對(duì)大塊石料進(jìn)行了有效格擋，避免了大塊石料對(duì)轉(zhuǎn)子的沖擊，保證轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)；三是通過(guò)設(shè)計(jì)增加皮帶輪的質(zhì)量，使轉(zhuǎn)子可獲得巨大慣性，進(jìn)一步降低負(fù)荷。通過(guò)以上3個(gè)方面的改進(jìn)，錘頭交錯(cuò)布置剪切大塊石料，石料經(jīng)剪切初破后被新一輪錘擊帶動(dòng)賦與了巨大的動(dòng)能，撞擊到側(cè)面與頂部的“倒釘子”型反擊板上。石塊與若干個(gè)反擊凸尖接觸，單一凸尖瞬間產(chǎn)生2 000 MPa 以上的壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)快速破碎。利用“點(diǎn)接觸”高壓強(qiáng)破碎原理，既提高了破碎效率，又減少了石粉的產(chǎn)生，且由于點(diǎn)破碎的順裂效應(yīng)，石塊會(huì)順著天然解理紋路進(jìn)一步達(dá)到完全破碎的效果，從而確保破碎后的骨料顆粒無(wú)裂紋，由傳統(tǒng)的“鐵打石”破碎方式變成了“石打鐵”，破碎方式的改變，大幅度提升了破碎效率，進(jìn)而大幅降低了破碎能耗。改進(jìn)后的新型單段錘破具有以下特點(diǎn)：①破碎比大，一次成型50 mm 以下部分占比90%以上；②相對(duì)其他傳統(tǒng)錘破更節(jié)能；③轉(zhuǎn)子錘頭型號(hào)和布置方式變化，減少了錘頭數(shù)量，有效降低了易損件數(shù)量；④成品粒型較好，針片狀少，進(jìn)一步降低了石粉含量。

3 原礦性質(zhì)及破碎試驗(yàn)

該礦石中礦物成分比較簡(jiǎn)單，主要成分為方解石，含量80%以上，少量白云石、泥鐵質(zhì)礦物和微量石英，礦石化學(xué)多元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。礦體礦石自然類型主要為泥晶灰?guī)r、微晶泥晶灰?guī)r、碎屑灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r、條帶狀灰?guī)r等，礦石硬度系數(shù)為8～12，密度2.68 g/cm3，抗壓強(qiáng)度在36.3～93.4 MPa，平均值為64.9 MPa。

由表1 可知，礦石中的主要有用組分CaO 含量高，有害組分MgO、K2O+Na2O、SO3、Cl-含量低。

改進(jìn)后的新型單段錘破能夠滿足破碎比大、處理能力大、設(shè)備尺寸小、易于安裝等硐室布置需求，但該設(shè)備普遍存在石粉產(chǎn)率偏高的問(wèn)題。為了進(jìn)一步考察實(shí)際生產(chǎn)中的石粉情況，建設(shè)方共取千噸級(jí)礦樣送至類似生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)樣機(jī)為JSPCD2630。原礦粒度組成見(jiàn)表2，原礦粒度曲線見(jiàn)圖1，一段破碎后物料粒度分析結(jié)果見(jiàn)表3，破碎后物料平均粒度見(jiàn)圖2。

由表3 可知，通過(guò)單段錘破一段破碎后-45 mm產(chǎn)率達(dá)97.40%，4.75 mm 含量14.17%，-45 mm 產(chǎn)率增加了85%以上，破碎效果明顯，含粉量也較為理想。

將試驗(yàn)生產(chǎn)的骨料按骨料產(chǎn)品劃分后開(kāi)展物理力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)照《建設(shè)用卵石、碎石》（GB/T14685—2011），除個(gè)別產(chǎn)品壓碎指標(biāo)為Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)外，其他規(guī)格骨料各項(xiàng)指標(biāo)均滿足Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 生產(chǎn)實(shí)踐

一期工程溜井礦倉(cāng)下配有寬度為2.4 m的重板滾軸篩供料，滾軸篩間距80 mm，原礦經(jīng)滾軸篩預(yù)先篩分后進(jìn)入JSPCD2626 新型單段錘破。破碎設(shè)備安裝運(yùn)行至今有3 a，累積處理原礦已超億噸，在供礦穩(wěn)定時(shí)，對(duì)設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。

（1）在給料較為飽和的情況下，連續(xù)測(cè)試3 h，新型單段錘破瞬時(shí)產(chǎn)量峰值達(dá)2 648 t/h，平均產(chǎn)量2 600 t/h，電流穩(wěn)定在額定電流，有效減少了對(duì)設(shè)備的沖擊，折算噸原礦電耗為0.3 kW·h。

（2）對(duì)預(yù)先篩下物料和粗破產(chǎn)品進(jìn)行粒度分析（表4），試驗(yàn)產(chǎn)品和生產(chǎn)綜合產(chǎn)品主要粒度對(duì)比見(jiàn)表5，綜合產(chǎn)品與試驗(yàn)粒度曲線對(duì)比見(jiàn)圖3。對(duì)比表2中原礦-50 mm 粒級(jí)，綜合產(chǎn)品-50 mm 產(chǎn)率增加了約84.31%，綜合產(chǎn)品-31.5 mm 粒級(jí)減少了10.52%，綜合產(chǎn)品-9.5 mm 粒級(jí)增加了5.79%。生產(chǎn)綜合產(chǎn)品-50 mm 產(chǎn)率達(dá)92%以上，-31.5 mm 產(chǎn)品達(dá)72.72%，-4.75 mm產(chǎn)品產(chǎn)率22.86%。

（3）新型單段錘破每半年合計(jì)更換64 個(gè)錘頭和32 根錘軸等耗材，單位原礦耗材成本約0.02 元/t，維修量和成本均較低。

（4）新型單段錘破最大檢修件轉(zhuǎn)子質(zhì)量32 t，設(shè)備最大尺寸5 310 mm×4 775 mm×6 200 mm，相對(duì)于顎式破碎機(jī)和旋回破碎機(jī)其設(shè)備尺寸及最大件質(zhì)量均滿足設(shè)計(jì)需求，實(shí)現(xiàn)了硐室最小開(kāi)挖量的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有效地保障了空間安全。

5 結(jié)論

（1）新型單段錘破具有破碎比大、處理量大的優(yōu)勢(shì)，池州某超大型企業(yè)通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明，最大粒度在1 000 mm 的前提下，可破碎至約53 mm，破碎比超過(guò)18；在穩(wěn)定供礦情況下，選用的JSPCD2626 型設(shè)備的小時(shí)處理量可穩(wěn)定在2 000 t以上。

（2）通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)證明，在設(shè)有預(yù)選篩分的工藝下，新型單段錘破折算噸原礦電耗小于0.3 kW·h，單位原礦破碎耗材成本約0.02 元/t，符合新時(shí)代碳排放要求。

（3）對(duì)于建筑用石料軟巖破碎設(shè)備，特別是在大型礦山開(kāi)拓方案采用硐室破碎時(shí)，選用新型單段錘破作為一段破碎設(shè)備，設(shè)備尺寸小能夠降低投資強(qiáng)度，減少空間暴露。

（4）對(duì)比試驗(yàn)研究，生產(chǎn)綜合產(chǎn)品中-4.75 mm 產(chǎn)率比試驗(yàn)高了8.69 個(gè)百分點(diǎn)，含粉率過(guò)高跟爆破工藝等其他因素均有關(guān)，但過(guò)粉碎依舊是該類設(shè)備的弊病之一，這跟其破碎原理有密切關(guān)系。新型單段錘破適用于礦石抗壓強(qiáng)度不是特別大的建筑用砂石骨料的破碎，可為類似砂石骨料礦山破碎設(shè)備選擇提供實(shí)踐支撐。