随着科学技术的进步，人工骨料在水电工程中的应用日趋广泛，原料岩性亦呈现多样化。由于人工砂级配、石粉含量、含水量及粒形指标对混凝土质量均有重要影响，且成品砂获得率直接决定着人工骨料的加工成本，制砂成为人工骨料加工系统中最为重要的生产环节，是业内公认的系统设计成败的标志。传统的人工制砂设备是棒磨机，该设备存在着钢耗、能耗、水耗大，土建量大，生产成本高等缺点。自上世纪90年代以后，我国水电行业开始尝试采用立轴破制砂，并逐步掌握了该种设备制砂的一些规律。目前，立轴破已成为人工骨料系统中制砂的主力设备，但这并不能掩盖该种设备制砂存在的缺陷及问题，需要对其制砂的规律及提高制砂效果的措施作进一步的研究，以提高人工制砂的技术性及经济性。
1、立轴破制砂原理与工作模式
1.1立轴破工作模式
立轴破上世纪70年代源于新西兰，80年代在国外逐步推广．90年代初国内推出类似机型。目前，进口立轴破主要有BfumacB系列、Ⅵ系列以及VSIRP系列，国产立轴破主要为PL系列。其工作模式已有最初的“闭式转子+石打石”单一模式发展为多种工作模式，包括“闭式转子+石打铁”、“开式转子+石打铁”、“开式转子+石打石”等，另外，又有双料流与单料流之分。这些模式最主要的区别在于破碎腔内是否安放砧铁。此处仅以双料流、“闭式转子+石打石”型来说明立轴破的制砂原理。
1.2立轴破制砂原理
立轴破的结构及各部分的作用见图l。石料从立轴破的顶部进入，通过分料控制器控制中心料流与瀑落料流的比例，中心料流进入高速旋转的转子(线速度50.85 m/s)，并从转子四周的抛料口高速甩出，在破碎腔内与瀑落料流汇合、碰撞，即进行石打石破碎，抛出的物料颗粒以恒定云状绕破碎腔旋转，与破碎腔四周的料床持续石打石破碎过程，约5～20 s后，逐渐失去动能的颗�？恐亓ψ月渑懦銎扑榛�。
从上述可以看出，立轴破的整个破碎作用是一个复杂的过程，涉及到多种不同的破碎机理—一冲击、剪切、研磨、涡动摩擦等的综合作用，但其破碎过程始终是在物料相互间进行的，因此，耗钢量大大降低，且其排料的破碎比与易损件的磨损几乎没有关系，实际生产能力和产品质量主要取决于转子的转速（线速度）。
2、立轴破制砂规律及产品特性
早在上世纪90年代初，小浪底工程在国内就已首次采用国产PL-1000型立轴破进行人工制砂，并进行了系统的生产性试验。近年索风营工程采用进口Ⅳ型立轴破进行了类似的试验，两者的试验成果是基本一致的。试验的条件是在其他参数相对固定的情况下，考察产砂率、砂子细度模数与进料量、立轴破转子线速度以及进料含水率之间的关系。
2.1立轴破制砂规律
2.1.1产砂率
立轴破的产砂率主要和进料量、转子线速度有关。
在物料特性及机械参数一定的情况下，立轴破有一个最佳的进料量，大于或小于最佳进料量，产砂率均会有不同程度的降低。根据小浪底工程石英岩的试验成果，产砂率P与进料量Q的关系可用一个一元二次多项式表示：P(%)=-0.001 6Q2 +0.4413Q -4.3788，Q为进料量(t/h)，二者的关系曲线见图2。
产砂率和转子线速度的关系为正线性相关，即产砂率随转子线速度的增大而增大。
2.1.2砂子细度模数FM
与产砂率类似，砂子细度模数与进料量亦近似呈线性关系，并在进料量达到某一定值W时，FM达到最大值，且此时的进料量W略大于产砂率最大时对应的进料量p。当进料量小于W时，FM随进料量的增大而增大，即二者呈正线性关系；当进料量大于W时．FM与进料量呈负线性关系。
FM与转子线速度之间始终呈负线性关系，即FM随转子线速度的增大而减小，但砂中石粉含量随FM减小而增大，FM与石粉含量X的关系可近似用线性关系式FM=4.081 - 6.724X表示，不同的工程，上式中的系数略有差异。
2.1.3生产方式的影响
生产方式对产砂率有一定的影响，闭路生产时产砂率有所降低。无论开路生产还是闭路生产，对成品砂细度模数的影响不明显。
2.1.4含水率的影响
随着进料含水率的增大，产砂率明显降低，而砂子细度模数有所增大。这是由于物料含水率增大，破碎腔四周的“料床”自衬层及颗粒碰撞过程中产生了“地毯效应”、抛出的物料颗粒的动能被吸收而迅速衰减所致。
2.2人工砂产品特性
由于立轴破制砂的破碎过程是多种
破碎机理的综合作用，每一个颗粒几乎都经过了多次碰撞、破碎，其产品粒形呈方圆形，颗粒坚实，几乎没有裂隙和软弱面。但砂子细度模数大，冲洗后由于石粉流失．FM值达3.2。3.9．属于粗砂范畴。不经冲洗时，FM值一般亦大于2.8，且石粉含量一般大于17%。对于常态混凝土而言，这与规范的要求相差甚远。
立轴破制砂其产品最大的缺陷是成品砂呈现“两头多，中间少”的间断级配，2.5—5mm含量一般在32%以上，大大超出了中砂IO~25%的范围标准，而中间级0.63·2.5mm粒级含量在20%左右，与大约40%的标准值相比，又严重不足。
从表l可以看出，虽然各工程所使用的立轴破型号、规格、制砂原料各异，但制砂效果总体仍然趋于上述规律，从而也说明，立轴破制砂其产品特性不是个例，而是由设备的特性决定的，需要采取措施改善其产品质量。
3、立轴破制砂存在的问题及应对措施
3.1设备选型问题
立轴破有多种型号及工作模式，选型是首先要解决的问题，必须从制砂产品质量和制砂成本两方面来权衡确定。
立轴破虽然型号众多，但总体可分为两大类型：双料流型和单料流型，前者以BacB系列为代表，利用“石打石”原理破碎制砂；后者以Ⅳ系列为代表，利用“石打铁”原理破碎制砂。B系列采用封闭式转子，进料粒度20一76 mm，产砂率30qo．40qo；Ⅳ系列一般采用开式转子，允许更大粒度的进料(80～150 mm)，产砂率45%一55%。
显而易见，由于B系列利用石打石制砂，耗钢量低，适用于中、高磨蚀性物料；Ⅳ系列利用石打铁制砂，耗钢量大，适用于低磨蚀性岩石。虽然Ⅳ系列产砂率B系列大15%左右，但由于B系列采用双料流进料，进料量比Ⅳ系列大得多，产砂量反而比Ⅳ系列高，且单位产品的钢耗、能耗低。虽然Ⅳ系列有进料粒度大的优势，但实践表明，立轴破给料粒度大于55 mm时，易损件磨损加剧，且易堵塞，设备损坏的情况增多，使制砂成本明显上升，抵消了因允许进入更大物料所带来的益处�？悸怯胝鱿低沉鞒唐ヅ�，立轴破的进料粒度不宜大于40mm。
另外．B系列采用石打石破碎，物料经过反复多次的相互碰撞、摩擦，产品粒形较Ⅳ系列好。而且通过调整料流控制器的位置，改变中心入料与瀑落人料的比例，能方便地对产砂率及砂子细度模数进行一定幅度的调整。因此，在保证进料量要求的前提下，宜优先选用B系列立轴破。
3.2制砂工艺问题
制砂工艺是人工骨料系统设计中最为关键的问题，目前主要存在两大争论，一是主张单一采用立轴破制砂，二是主张采用立轴破与棒磨机联合制砂。从保证产品质量的角度出发，笔者赞同后者。
从前述可知，由于设备特性所致，立轴破制砂产品级配不连续，为“两头多，中间少”的间断级配，对于常态混凝土而言，石粉含量亦超标。根据人工砂与混凝土性能关系的研究表明，人工砂的细度模数、级配及石粉含量对混凝土水泥用量、混凝土的和易性、强度、抗裂性、耐久性均有密切关系。FM值越大及大于2.5mm粒级含量过大，在同样情况下，拌和物的塑性降低、和易性差、泌水增大。而0.63～2.5 mm粒级含量过少，混凝土强度明显降低，特别是对于有抗冻要求的混凝土，引气能力严重降低，使混凝土耐久性恶化。要想达到同样的效果，就必须增大水泥用量，继而又带来后续的温控问题。
由于立轴破与棒磨机制砂效果具有互补性，联合制砂则可以从根本上解决上述问题�？銮�1台B9000立轴破的产砂量相当于3台MB22136棒磨机的产砂量，只需配置少量的棒磨机，混合砂的级配便可达到标准范围。联合制砂的成本虽然有所增加，但从水电工程的重要性、长久性以及质量第一的原则综合考虑，还是值得的。这也正是三峡、龙滩、小湾、向家坝等巨型工程相继采用联合制砂工艺的原因。
3.3生产方式问题
生产方式大体可分为闭路生产和开路生产两种，每种又有干法、湿法、半干法生产之分，目前多采用闭路生产。立轴破的闭路循环物料包括两部分：主要为5~40 mm碎石料及少部分2.5~5mm粗砂。
3.3.1循环方式的选择
根据立轴破制砂试验结果显示，闭路循环时产砂率有所降低，能耗增大。分析其原因有二，一是经初次破碎后，棱角较多的碎石经过多次碰撞、摩擦后逐渐变得圆滑、坚实；二是返回的2.5.5mm物料颗粒较小，进一步的破碎需要更大的动能。因此，立轴破制砂宜采用开路方式。把系统中所有5～40mm碎石均进入立轴破制砂，不但可提高产砂率，降低能耗，而且5~20 mm、20～40衄成品碎石经立轴破后得到了整型，粒形优于不经立轴破的碎石，同时减少了立轴破前段的重复分级，筛分设备可减少，可谓一举数得。当然，产砂量不足时，可少部分二次循环制砂，但宜采用更高线速度的立轴破。
3.3.2干、湿法生产的选择
干法生产，产砂量高，但粉尘污染严重：湿法及半干法生产，产砂率低，粉尘容易控制。需要说明的是，立轴破由于特殊的结构，其破碎腔能形成内部循环气流，即使采用干法生产，其本身扬尘量较小，污染主要由其他破碎车间、筛分车间及转料点产生。而无论湿法生产还是半干法生产，均由于进料中物料表面含有水分，在破碎过程中易产生“地毯效应”使产砂率明显降低。特别是当进料的含水率大于5%（<小于5mm物料含水率大于3%）时，产砂率大幅度降低（大约降低lO%～20%），且易引起堵塞，引发事故，导致运行效率降低及制砂成本增大。
因此，干、湿法生产方式的选择，需要从多方面综合考虑。系统规模较小时，可采用于法生产，对主要扬尘点采用洒水、喷雾降尘或封闭通风机械除尘。但对于大规模的人工骨料系统，宜采用湿法生产，因为规模较大时，洒水、喷雾降尘效果较差，对主要车间全部封闭除尘难度很大。再者，对于常态混凝土而言，砂中的石粉含量一般会超标，需冲洗去掉一部分石粉及粗骨料表面的裹粉，以保证质量。但湿法生产时，必须采取措施控制制砂原料中的含水量，以提高产砂率，并且对生产废水进行处理和回收利用。
3.4制砂原料含水率控制
立轴破制砂效果对原料的含水率非常敏感，湿法生产系统中对制砂原料含水率的控制就显得尤为重要。原料含水量主要来自于筛分冲洗时骨料表面滞留水，因此，在立轴破之前设置调节料堆（仓），增加仓储量（约一个班的产量）以延长物料的脱水时间，可以有效地减少原料中的含水率，这就是所谓的先湿后半干法（半干法）制砂。
但最好的解决办法是采取工艺措施，立轴破之前的物料不进行冲洗，在立轴破之后对进入成品料仓的骨料进行冲洗，对返回的物料则不冲洗。为便于细砂的筛分，避免堵孔，可在2.5 mm(或3nun)筛面上设冲洗水管，这样，返回的2.5~5mm粗砂颗粒亦为干料，从根本上解决了进料的含水率问题。对于雨水，采用封闭进料皮带机及调节料堆设防雨棚解决。
3.5易损件问题
易损件费用在立轴破制砂成本中占有很大的比重。易损件主要为安装于转子抛料口的抛料头，采用高磨蚀性的花岗岩等原料制砂时，其寿命仅150 h左右。抛料头每副3—4块重20 kg左右，进口价格为0.5。0.8万元，价格十分昂贵，且供货周期长；由于进口立轴破现已成为大型人工骨料系统制砂的主力设备，为保证正常运行和降低制砂成本，进行易损件的国产化研究显得十分必要。
根据实践表明，延长抛料头的使用寿命主要有两条途径，一是根据实际磨损情况调整抛料头中镶嵌的耐磨合金块的角度及位置，避免其受冲击破坏；二是根据磨料的硬度选择适宜的合金材料，保证易损件的表面硬度大于磨料的硬度，防止易损件表面产生较大的犁沟磨损，同时保证足够的韧性防止其发生疲劳破坏。目前，易损件的国产化研究已取得了很大的进展，使用寿命已接近进口件，但价格只有进口件的30%左右，应优先考虑采用。
4、结语及建议
采用立轴破制砂，产砂率高，产品粒形好，生产成本低，土建及安装工程量小。但同时也存在着成品砂细度模数大，级配不够理想等缺点。本文试图从立轴破制砂规律及其影响因素人手，对如何改进立轴破制砂效果进行一些有益的探讨，期望通过更多的讨论，使立轴破制砂达到技术、经济及环保要求的统一，为其更为广泛的应用提供支持。
立轴破制砂规律虽然有着一定的相对稳定性，但具体到某一工程又具有一定的特殊性。建议针对工程的实际条件进行制砂试验，优化组合制砂参数，找出制砂的最佳运行参数，充分发挥立轴破的制砂效能，
