ABSTRACT
粒度的大小影响物料的脆性塑性，物料的冲击速度、入射角度、破碎腔的气动性能都影响粉碎效果。为适应砂石企业升级转型建设绿色矿山且少用钱多办事的现实需要，尝试使用同一台设备，通过调整物料的进料粒度、冲击速度、入射角度及破碎腔的气动性能，在同一生产线上的不同时段，改变主机变频器控制的电机频率，生产粗石、碎石、细砂和矿粉的“一机多用”的开发实验，取得了预期的效果。
砂石骨料是基础设施建设的基础原材料，是建筑、道路、铁路、桥梁、水利、市政等基础设施建设不可或缺、不可替代的资源性原材料。当前我国经济高速发展，各种基础设施建设快速增加，砂石骨料消耗十分巨大，据统计，我国砂石年用量已经超过200亿吨，产值超过1万2千亿元，从业人员超过55万人( 含砂石运输人员) ，砂石矿山近3万个，其中小微粗放型砂石矿山超过2.3万个，比重达78%。过去由于法律法规不完善，整个砂石行业在有序监管、资源综合利用、生态环境保护、工艺技术升级等方面普遍比较滞后，以致于我国天然砂石过度无序开采，资源急剧减少。为此国家健全了环境保护法律体系，加大了对环境和资源的保护力度，仅在2016年，全国关闭和淘汰落后的砂石骨料企业约 3000家。促使砂石骨料行业从采挖天然砂石向机制砂石转型，迫使砂石骨料产业由粗放式生产向集约型发展，推进砂石骨料产业结构调整和转型升级，走绿色发展之路，从根本上改变企业规模小而散、技术水平不高的状况，确保砂石骨料产业实现健康可持续发展。
在这些“规模小、数量多、效率低”的砂石矿山受到政府严厉打击而陷入是被动淘汰还是主动升级的紧要关头，为适应砂石企业升级转型建设绿色矿山且少用钱多办事的现实需要，达到节约能源，降低成本，修复环境的目的，我们粉体研究所在前期研发冲击式粉磨机的基础上，认真分析了机制砂石的工艺过程和冲击式粉磨机的结构及运行特点，在理论上充分论证了“一机多用”的可能性，尝试使用同一台设备，在同一生产线上，在不同时段，只需要调整主机变频器控制电机频率，而按需要生产粗石、碎石、细砂及矿粉的“一机多用”的开发实验。
1实现“一机多用”的可能性
1.1 冲击式粉磨机的结构及工作原理
冲击式粉磨机从结构到工作原理都不同于常规粉碎设备，也不同于传统反击式破碎设备。冲击式粉磨机具有运转速度快、粉碎效率高、出料粒度细、无研磨体磨损和污染等特点。
图1 冲击式粉磨机结构示意图
如图1所示，冲击式粉磨机由内外转子、电机、机架、进出料口及润滑和监测等系统组成。两台电机分别带动内外转子互逆运转。物料经分料锥进入内转子撒料盘被速向外抛撒，外转子以相反方向高速向内反击，物料在内外转子相互抛撒冲击的过程中，自身在破碎腔内发生急剧碰撞快速粉碎。物料行程如下：
图2 粉碎过程图
图2为冲击式粉磨机粉碎过程图。内转子对进入粉碎室的物料一方面施加剧烈的加速运动，速度达50～120米/秒，物料因离心力作用高速冲向外转子，与外转子发生激烈冲击，物料被反弹，被初步破碎；同时，外转子以相反方向的冲击，使物料受到的冲击及反弹被叠加放大，急速向内散射反弹，与后续物料再次密集碰撞。这种粉碎过程连续往复，直到小于某一粒径时，从筛网中抛出，成为成品。冲击式超细粉磨机不仅具有冲击和摩擦粉碎作用，而且还具有气流粉碎作用。
1.2 基础设施建设中混凝土对石子、细砂、矿粉的要求
在我国的基础设施建设中，建筑、道路、铁路、桥梁、水利、市政等，主要用材就是混凝土。其骨料就是砂子、石子、矿粉。大多数商品混凝土企业根据国家相关标准，要求石子的粒径在16～35mm；砂子粒径在5mm以下。所以，很多砂石矿山在生产商砼石料时将6～15mm 的碎石弃置，既浪费资源，又污染环境，还有安全隐患。为增加活性和节约成本，很多商砼企业生产时掺兑10%～20%的矿粉。因此，通过使用冲击式粉磨机可将这部分弃置的6～15mm 的碎石粉碎为优质的砂子，或者，将其中理化达标的部分通过使用冲击式粉磨机加工成比表面积在320kg/m3以上的矿粉。既增加企业收入，又节约资源，洁净矿山环境。
1.3 满足“一机多用”的必要条件
为保护生态环境，促使砂石企业建设绿色矿山，推动企业的技术进步和转型升级，仅在2016我国就强令关闭了3000多家砂石矿山。在现有的3万多个砂石矿山企业中，有2万7千多家是技术落后，生产粗放，效益低微的小微型企业。是否转型升级就是这些小微型企业的生死抉择。所以，“一机多用”对这些企业是最好的选择。要使一机能够多用，就需要满足一些必要条件：
1.3.1 进料粒度
在冲击速度一定时，冲击式粉磨机的破碎力是一个定值。破碎比越大，产量越低。所以，生产粗料时，进料粒度就大，可以达到220mm直径。生产矿粉时，进料粒度就基本控制在20mm左右。
1.3.2 冲击速度
图3所示是冲击速度与破碎粒度之间的关系。破碎力是与冲击速度成正比的。关键参数是转子的线速度，关键结构是外转子的沟槽形状。冲击式超细粉磨机是利用冲击、摩擦以及气流作用粉碎物料的，成品粒径大小和分布形态由内外的转子运转条件、筛网孔径和内外转子间间隙决定。成品形状由转子速度决定。在转子结构允许的条件下，应采用高的旋转角速度、小旋转半径的形式，有利于细化产品粒度。这是因为线速度不同，冲击作用产生的细粉的形状不同。低速冲击时，产生针状细长超细粉，图3冲击速度与粒度的关系速冲击时产生等长块状超细粉。
图3 冲击速度与粒度的关系
1.3.3 入射角度
冲击式粉磨机粉碎物料不仅与冲击速度有关，而且与冲击时的入射角度的大小也密切相关。入射角度是指物料入射轨迹的切线方向与被冲击表面的切线方向间的夹角。物料在细粉磨机过程中经历了由大粒到小粒的粉碎过程，其物料性质也是从脆性转变为塑性的过程。当入射角度为200－300时，对塑性材料冲击破坏程度最大，能产生切削型破坏。当入射角度为900时，对脆性材料冲击破坏程度最大，能产生变形型破坏。
1.3.4气动性能
冲击式粉磨机不仅具有高速冲击和碰撞摩擦粉碎的功能，而且还具有气流粉碎的作用。内转子高速旋转时，其抛撒块会产生巨大的气流。同时外转子也在做相向旋转，内外转子间的气流流通断面的瞬息万变，产生的强大压力变化使物料受到巨大的交变应力而破碎。不仅如此，内外转子互逆旋转使粉碎腔内形成的强大涡流，有利于粉碎颗粒的分散。使物料粉碎粒度更细，速度更快。
2实验过程中工艺布置与实验步骤
为达到节约投资，“一机多用”的目的，粉体研究所与松江建材集团合作，尝试用同一台设备，在同一生产线上，在不同时段，调整主机变频器控制电机频率，按生产指令分别生产粗石、碎石、细砂及矿粉的“一机多用”的开发实验。
2.1 工艺布置
如图4所示：
图4 石料线上的“一机多用”的工艺布置
2.2 实验步骤
在石料生产线上，基本布置和普通的生产线大同小异，进料，回料，筛分，洗砂，都是相同的。只是主机采用冲击式粉磨机。通过两台变频器分别控制主机的两台电机。按照前述的方式，调整电机变频器频率，改变电机运转速度。通过改变电机运转速度，也就改变了内外转子的冲击速度，改变了设备的破碎力。同时，物料的入射角度、破碎腔的气动性能都得以改变。当生产商砼骨料时，外转子电机频率调整到30Hz，外转子电机频率调整的20Hz，使主机的内外转子的转速降低，减小冲击力度，减小破碎力。让16 ～ 35mm的碎石占多数比例。和锤式破碎机相比，无需经常更换衬板和锤头，节约大量的易损件和人力资源费用。开机时应向冲击式粉磨机内喷水，使生产场地不起灰尘，保持良好的工作环境。
在需要将弃置的6～15mm 细石子粉碎成商砼用砂子时，只需要将内转子电机变频器频率调整到40Hz，外转子电机的变频器频率调整到25Hz，将成品( 粒度16 ～ 35mm 碎石) 的带式输送机停开，将弃置石子( 粒度6～15mm 细石子) 的带式输送机也停开。其它生产线上设备正常运转即可。生产时要向冲击式粉磨机喷水，使生产场地不起灰尘，保持良好的工作环境。
当需要生产矿粉时，应在生产线的工艺布置中，加装一台闭路循环用的斗式提升机，一台粗细粉分离器，因微粉颗粒不便洒水，需加装一台带式除尘器。工艺布置如图5所示：同时，在生产时，内转子电机的变频器频率调整为55Hz，外转子电机的变频器频率调整到40Hz，使内外转子的叠加冲击速度超过120m/s，颗粒碰撞破碎时间小于千分之二秒。在正常情况下，矿粉的出料粒度的比表面积基本在340m2/kg～380m2/kg之间。不需要开振动机、水洗机、成品料输送带、细石输送带、砂子输送带，开启回料输送带、斗式提升机、带式除尘器等。
实验现场如下图6、7、8 所示：
图5 矿粉生产增加的设备布置
图6 矿粉生产附近设备
图7 骨料生产
图8 回料部分
3结论
经现场反复实验，冲击式粉磨机可以在砂石矿山生产线上实现“一机多用”的功能，各项数据基本达到要求。
参考文献
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< 完 >
