第一节 产品生产技术发展现状
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、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、制砂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。
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1000t/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，SiO2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机械进行多级破碎，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。
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。
粗、中、细三段破碎＋制砂机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：①砂石加工“多碎少磨，以破代磨，破磨结合”；②注重环保，营造“绿色粮仓”；③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，破碎机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，有利于环保。
第二节 产品生产工艺特点或流程
工艺流程结构是整个加工系统的关键，它直接影响着人工砂石加工系统的投资、生产成本、砂石骨料质量及主体工程的顺利进行与否。
工艺流程结构不仅和给料粒度，产品细度、级配和粒形有关，而且还和岩性、破碎机性能、生产规模等因素相关联。
目前在水利水电工程人工砂石加工系统中，生产工艺一般有二段破碎加制砂、三段破碎加制砂，其中又有二次筛分、三次筛分、四次筛分、骨料洗泥、骨料整形等。
1、生产工艺流程确定的主要因素和原则
生产工艺流程的确定应充分考虑加工系统的原始条件，工艺的可靠性、先进性、成熟性、简捷性、经济性及主要破碎设备的先进性、匹配性等。尽量减少物料的破碎段数、运输环节，这有利于简化生产工艺。
根据加工系统的处理规模、岩石岩性、混凝土级配、成品骨料质量要求等，生产工艺有多种选择，但选择的生产工艺必须适合其工程项目。
（1）破碎比。
破碎比的定义为入破粒度对产品粒度的比值，它是确定破碎段数的主要因素，一般而言，破碎给料粒度越大，产品粒度要求越细，破碎段数越多。
虽然破碎比是确定破碎段数的主要因素，然而生产规模、设备性能和岩石岩性也有重要影响。
（2）生产规模。
人工砂石加工系统规模越大，可供选用的设备型号越多，能够满足生产要求的工艺配置方案也越多。若有多种满足要求的生产工艺可供选择，必须通过技术、经济比较后确定。人工砂石加工系统规模越小，可供选用的设备型号越少，能够满足生产要求的工艺配置方案也不多。
人工砂石加工系统规模大，通过技术、经济比较后确定最优方案，不仅可以节省投资，而且可以降低生产成本，经济效益往往十分可观。
人工砂石加工系统规模小时，经济因素比重将降低，如何简化流程将变成首要考虑的课题。
（3）产品粒形要求。
对于一些对粒形有特殊要求的情况，即使破碎比已达到要求，但粒形仍不合符要求，往往需要进行整形，从而影响流程结构。
不同的破碎机生产的产品粒形是有差别的，例如旋回破碎机、液压圆锥破碎机和反击式破碎机破碎产品中方圆粒含量较高，而石打石立轴冲击式破碎机产品中方圆粒含量最高。
产品粒形不仅和破碎机性能有关，而且和岩石岩性有关。粒状晶结构的岩石容易生产方状石料，而层状晶结构的岩石容易生产片状石料。
（4）破碎设备性能。
破碎机结构往往直接影响破碎流程结构和产品粒度组成，例如HP型圆锥破碎机和反击式破碎机有较高的破碎比，可以减少破碎段数。
旋回破碎机、液压圆锥破碎机和反击式破碎机破碎产品中方圆粒含量较高，而石打石冲击式破碎机产品中方圆粒含量最高。
（5）岩石岩性。
岩石晶形结构和硬度是影响破碎工艺流程结构和设备选型的重要因素之一。粒状晶结构的岩石容易生产方状石料，而层状晶结构的岩石容易生产片状石料。
硬度较大的岩石不容易破碎，需要选用破碎力大的破碎设备。而硬度较小的岩石容易破碎，可以选用反击式破碎机来破碎。
2、主要破碎设备选型
（1）一次破碎。
砂石加工系统的处理规模、岩石岩性和给料粒度决定一次破碎的设备选型。一次破碎一般都为开路生产，处理料场来料。常用的一次破碎设备有：旋回破碎机、颚式破碎机、反击式破碎机。
旋回破碎机：运行平稳、给料顺畅、进料粒径和处理能力都大、适应任何岩石、产品粒形好，基础工程量大，一次性投资较高，但当砂石加工系统的处理规模达到或超过1200t/h时，选用旋回破碎机作一次破碎，可以减少设备安装数量，简化流程，同时一次破碎车间的一次性投资也不高。
对于处理规模较大的加工系统，为了保证生产的连续性、可靠性、成品骨料质量，一次破碎应该选用旋回破碎机，并能降低后续破碎的负荷，减少后续破碎的投资。加工系统处理规模越大，越能充分体现旋回破碎机的优越性。
一次破碎选用旋回破碎机的生产实例
颚式破碎机：适应任何岩石、但处理能力较小。给料环节多、易卡料、排料粒径大、产品粒形差、针片状含量高。但当砂石加工系统的处理规模小于800t/h时，选用鄂式破碎机作一次破碎，可以节省投资。
对于处理规模较小的加工系统，如果骨料质量要求不甚严格，可选用颚式破碎机。颚式破碎机破碎比小，会增加下段破碎的负荷，因产品粒形差，在后续工艺上需采用整形来获得合格的成品砂石骨料。
一次破碎选用鄂式破碎机的生产实例
反击式破碎机：基础工程量较小、破碎比大、产品粒形好、一次性投资低，但只适合破碎石灰岩、大理岩等中硬物料以下、磨蚀性低的岩石。
对于处理中硬以下、低磨蚀性岩石的加工系统，如破碎物料为石灰岩、大理岩等低抗压强度、低磨蚀性的岩石，应选用反击式破碎机。
反击式破碎机的破碎比大，加工系统可采用二段破碎，大大简化加工系统工艺，减少加工系统的投资。
（2）二次破碎和三次破碎。
二次破碎和三次破碎一般采用闭路工艺。常用的二次和三次破碎设备有反击式破碎机和圆锥破碎机。圆锥破碎机又有单缸和多缸二种系列。
反击式破碎机的破碎比大、产品粒形好，在破碎石灰岩、大理岩等低抗压强度、低磨蚀性的岩石时，有其独特的优势。特别是进料粒度较大，破碎比高的特点，可以采用二段破碎，简化工艺。
选用反击式破碎机二段破碎的生产实例
多缸圆锥破碎机的破碎力、破碎比都大，排料调节范围宽，在调整产品级配上有较大的灵活性。在性能、破碎产品质量上都优于单缸圆锥破碎机。HP型多缸圆锥破碎机在三峡工程体现出无以伦比的高性能。小湾水电站为世界第一高拱坝，为了保证混凝土质量，孔雀沟砂石系统三次破碎采用高性能HP500圆锥破碎机，生产高品质的中小石。
利用多缸圆锥破碎机破碎比高的特点，采用二段破碎工艺，从而简化加工工艺。例如：瀑布沟水电站左岸砂石加工系统，采用HP300多缸圆锥破碎机作二次破碎来破碎花岗岩，使加工系统只有二段破碎，并减少了系统的投资。
（3）制砂。
人工砂生产工艺一般有湿法和干法两大类，但目前国内水利水电工程人工砂的生产常用的还是湿法生产工艺。常用立轴冲击式破碎机和棒磨机两种设备来生产成品砂。
立轴冲击式破碎机：生产效率高、砂颗粒粒形好、运行成本低、土建及安装工程量小，且能对中小石进行整形。但砂的细度模数一般在3.2左右（排料皮带，成品砂需用筛网来控制），砂级配不甚理想，中间级别偏低，需闭路生产。
棒磨机：砂的细度模数容易调整（在实际生产中可做到FM=2.4～3.0的范围内来调节生产）、砂级配好、生产稳定，但生产效率低、运行成本高、土建及安装工程量大。
因此，在对成品砂质量要求高的工程项目，常采用立轴冲击式破碎机与棒磨机联合制砂的工艺，在工艺中棒磨机主要起调节作用，生产中砂和细砂。两种设备生产的砂掺和在一起，从而使成品砂的级配组成趋于更合理，提高了成品砂的质量。此制砂工艺从三峡工程开始至今已近10年，在水利水电工程上得到了广泛的应用，目前已是很成熟的制砂工艺。
立轴冲击式破碎机和棒磨机联合制砂工艺的应用实例
立轴冲击式破碎机的破碎机理使其产品颗粒粒形优良，多呈立方体，对破碎物料能进行整形。利用这一特点，可实现制砂的同时，从立轴冲击式破碎机产品中分出成品中小石，中小石的针片状含量远远低于15%，从而提高了成品中小石的质量。此工艺在小湾水电站、溪洛渡水电站、三板溪水电站等工程得到很好的应用。
一些对成品砂要求不高、混凝土总量低、临建用混凝土的项目，只采用立轴冲击式破碎机来生产砂。例如：瀑布沟水电站左岸加工系统、构皮滩水电站马鞍山加工系统等。
湿法生产，存在细砂和石粉流失的问题，在很多项目中实测表明，流失的砂和成品砂的比例为0.3：1左右，甚至还更高，成品砂中石粉含量偏低。为了保证成品砂的质量，在工艺中设置了细砂、石粉回收装置，这在中大型加工系统中得到广泛应用。据考证，实际运行效果并不理想，设备使用条件苛刻、投入费用和运行成本高。
国家对环保的要求越来越严格，系统废水不达标不能排放。为了成品砂的质量和环保要求，细砂和石粉必需回收，但采用怎样的工艺和设备来得到一个较为理想的回收效果，还需进一步 研究 、探索。
随着RCC工程项目的不断增多，采用何种工艺来生产成品砂是我们面临的一个课题，因RCC砂的石粉含量要求17±2%左右。如采用湿法生产，虽然成品砂的质量较好，但石粉含量偏低，且石粉回收效果不理想。如采用干法生产：成品砂中的石粉含量得到了保障，细度模数能用筛网孔径来控制，但因立轴冲击式破碎机的破碎机理，造成其产品砂级配不甚理想，中间级别偏低。
干法工艺生产的成品砂能否满足RCC和常态砼的规范要求，还需作进一步 研究 、探索。白色水利枢纽工程、索风营水电站在这方面作出了尝试，其主体工程大坝以RCC为主，砂石加工系统分别采用4台、2台立轴冲击式破碎机干法生产成品砂。结果如何，还有待于专家们的进一步考证。
干法制砂工艺的总体投入、运行成本低，并且与湿法相比，用水量大大降低（湿法生产：每生产1m3成品砂需耗4m3左右的水），同时废水的处理也大大降低，不需要石粉回收系统。但怎样才能很好地解决干法制砂存在的问题。这是有侍进一步 研究 的问题。
美卓矿机有限公司在国外已应用多年的V7干法制砂系统，解决了干法生产存在的问题。成品砂的细度模数、级配、石粉含量可人为控制，没有粉尘的排放，且可加入一定的含水，使成品砂在运输的过程中不易发生分离、扬尘。
3、筛分设备选型
一个好的并且有效的砂石料生产系统，不仅应该有好的合适的破碎设备，而且还应该有好的合适的筛分设备。为了使成品砂的细度模数、石粉含量合符要求，并且流程结构合理，筛分设备的正确选型也是十分重要的。
正如前面在破碎设备所论述的，任何只用破碎设备的砂石加工系统都不可能按所需要的比例进行砂石料生产。只有破碎机和筛分设备配合使用，才能有效地按所需要的比例进行砂石料生产。
筛分设备有许多型号和规格，正确选用筛分设备型号和规格，并和破碎机匹配，可以提高破碎设备的生产能力，并节省投资和生产成本。例如，在大规模砂石料生产系统，配用大型香蕉筛，可以减少筛子使用台数，简化流程。
筛网材质的选择，不仅关系到筛网的使用寿命，而且还关系到筛网开孔率和筛分效率。钢丝筛网开孔率和筛分效率都较高，但使用寿命非常短，而树脂筛网开孔率和筛分效率都较低，但使用寿命非常长。
4、辅助设施和自动控制
破碎设备生产效率的发挥不仅和筛分设备的匹配有关，而且还和料仓大小和给料设备选型密切相关。例如，实仓设计不够，很难保证破碎机连续、稳定和满负荷生产。
自动化控制不仅可以使破碎设备处于最佳运行和自我保护状态，而且还可以和给料设备连锁，使破碎机总是处于满负荷运行。实践经验表明，加和不加自动化控制系统，可以使破碎机的效率相差20%～30%。
总之，选择一个运行可靠、技术先进、经济合理的砂石料生产工艺是一项复杂的系统工程设计，不仅要考虑给料粒度，成品骨料的要求、岩石岩性等，而且还要对破碎设备，筛分设备，辅助设施进行合理匹配，同时还要选用自动化控制系统。
每个工程项目都有其自身特点，从而也就决定了具有不同的生产工艺。计算机技术的推广应用，使得我们能够非常容易地对每一项目进行多方案技术经济比较，从中选出最合理的工艺生产流程和设备设施配置。
水利水电工程经过几十年的生产实践，在砂石料加工系统工艺方面积累了很多保贵的经验，也有不少的教训。可以说目前常用的生产工艺和设备配置已较成熟，但制砂工艺还需进一步完善和发展。
第三节 国内外生产技术发展趋势 分析
人工制砂设备（机制砂设备）和工艺技术是控制人工砂质量和生产成本的关键因素。各个制砂机采用不同工作原理，以棒磨式制砂机为制砂设备的工艺方法，在我国已经有相当长的历史，一直在我国水利工程建筑人工制砂领域占主导地位。棒磨式制砂机制砂，相对其他制砂机投资大，设备运行成本高，比新型制砂设备要高出30%，且制砂过程产生大量污水需要处理，容易对环境产生污染。随着新型制砂设备和工艺技术的发展，以"石打石"制砂机为代表的新一代制砂设备，使人工砂生产技术产生了质的飞跃。其产品粒形好，质量容易控制，成品砂单价低。近年来在水利工程逐渐得到了推广和应用，并取得了显著的工程效益。通过对国内外建筑、水利工程人工制砂技术实践的总结与探索，人工制砂生产实践中存在的问题和改进措施，总结出今后人工制砂技术的发展方向。冲击式制砂机将成为人工制砂设备的发展趋势。
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