隨著科學技術的進步，人工骨料在水電工程中的應用日趨廣泛，原料巖性亦呈現多樣化。由于人工砂級配、石粉含量、含水量及粒形指標對混凝土質量均有重要影響，且成品砂獲得率直接決定著人工骨料的加工成本，制砂成為人工骨料加工系統中最為重要的生產環節，是業內公認的系統設計成敗的標志。傳統的人工制砂設備是棒磨機，該設備存在著鋼耗、能耗、水耗大，土建量大，生產成本高等缺點。自上世紀90年代以后，我國水電行業開始嘗試采用立軸破制砂，并逐步掌握了該種設備制砂的一些規律。目前，立軸破已成為人工骨料系統中制砂的主力設備，但這并不能掩蓋該種設備制砂存在的缺陷及問題，需要對其制砂的規律及提高制砂效果的措施作進一步的研究，以提高人工制砂的技術性及經濟性。
1、立軸破制砂原理與工作模式
1.1立軸破工作模式
  立軸破上世紀70年代源于新西蘭，80年代在國外逐步推廣．90年代初國內推出類似機型。目前，進口立軸破主要有BfumacB系列、Ⅵ系列以及VSIRP系列，國產立軸破主要為PL系列。其工作模式已有最初的“閉式轉子+石打石”單一模式發展為多種工作模式，包括“閉式轉子+石打鐵”、“開式轉子+石打鐵”、“開式轉子+石打石”等，另外，又有雙料流與單料流之分。這些模式最主要的區別在于破碎腔內是否安放砧鐵。此處僅以雙料流、“閉式轉子+石打石”型來說明立軸破的制砂原理。
1.2立軸破制砂原理
    立軸破的結構及各部分的作用見圖l。石料從立軸破的頂部進入，通過分料控制器控制中心料流與瀑落料流的比例，中心料流進入高速旋轉的轉子(線速度50.85 m/s)，并從轉子四周的拋料口高速甩出，在破碎腔內與瀑落料流匯合、碰撞，即進行石打石破碎，拋出的物料顆粒以恒定云狀繞破碎腔旋轉，與破碎腔四周的料床持續石打石破碎過程，約5～20 s后，逐漸失去動能的顆粒靠重力自落排出破碎機。
    從上述可以看出，立軸破的整個破碎作用是一個復雜的過程，涉及到多種不同的破碎機理—一沖擊、剪切、研磨、渦動摩擦等的綜合作用，但其破碎過程始終是在物料相互間進行的，因此，耗鋼量大大降低，且其排料的破碎比與易損件的磨損幾乎沒有關系，實際生產能力和產品質量主要取決于轉子的轉速（線速度）。
2、立軸破制砂規律及產品特性
    早在上世紀90年代初，小浪底工程在國內就已首次采用國產PL-1000型立軸破進行人工制砂，并進行了系統的生產性試驗。近年索風營工程采用進口Ⅳ型立軸破進行了類似的試驗，兩者的試驗成果是基本一致的。試驗的條件是在其他參數相對固定的情況下，考察產砂率、砂子細度模數與進料量、立軸破轉子線速度以及進料含水率之間的關系。
2.1立軸破制砂規律
2.1.1產砂率
    立軸破的產砂率主要和進料量、轉子線速度有關。
    在物料特性及機械參數一定的情況下，立軸破有一個最佳的進料量，大于或小于最佳進料量，產砂率均會有不同程度的降低。根據小浪底工程石英巖的試驗成果，產砂率P與進料量Q的關系可用一個一元二次多項式表示：P(%)=-0.001 6Q2 +0.4413Q -4.3788，Q為進料量(t/h)，二者的關系曲線見圖2。
    產砂率和轉子線速度的關系為正線性相關，即產砂率隨轉子線速度的增大而增大。
2.1.2砂子細度模數FM
    與產砂率類似，砂子細度模數與進料量亦近似呈線性關系，并在進料量達到某一定值W時，FM達到最大值，且此時的進料量W略大于產砂率最大時對應的進料量p。當進料量小于W時，FM隨進料量的增大而增大，即二者呈正線性關系；當進料量大于W時．FM與進料量呈負線性關系。
    FM與轉子線速度之間始終呈負線性關系，即FM隨轉子線速度的增大而減小，但砂中石粉含量隨FM減小而增大，FM與石粉含量X的關系可近似用線性關系式FM=4.081 - 6.724X表示，不同的工程，上式中的系數略有差異。
2.1.3生產方式的影響
    生產方式對產砂率有一定的影響，閉路生產時產砂率有所降低。無論開路生產還是閉路生產，對成品砂細度模數的影響不明顯。
2.1.4含水率的影響
    隨著進料含水率的增大，產砂率明顯降低，而砂子細度模數有所增大。這是由于物料含水率增大，破碎腔四周的“料床”自襯層及顆粒碰撞過程中產生了“地毯效應”、拋出的物料顆粒的動能被吸收而迅速衰減所致。
2.2人工砂產品特性
    由于立軸破制砂的破碎過程是多種破碎機理的綜合作用，每一個顆粒幾乎都經過了多次碰撞、破碎，其產品粒形呈方圓形，顆粒堅實，幾乎沒有裂隙和軟弱面。但砂子細度模數大，沖洗后由于石粉流失．FM值達3.2。3.9．屬于粗砂范疇。不經沖洗時，FM值一般亦大于2.8，且石粉含量一般大于17%。對于常態混凝土而言，這與規范的要求相差甚遠。
    立軸破制砂其產品最大的缺陷是成品砂呈現“兩頭多，中間少”的間斷級配，2.5—5mm含量一般在32%以上，大大超出了中砂IO~25%的范圍標準，而中間級0.63·2.5mm粒級含量在20%左右，與大約40%的標準值相比，又嚴重不足。
    從表l可以看出，雖然各工程所使用的立軸破型號、規格、制砂原料各異，但制砂效果總體仍然趨于上述規律，從而也說明，立軸破制砂其產品特性不是個例，而是由設備的特性決定的，需要采取措施改善其產品質量。
3、立軸破制砂存在的問題及應對措施
3.1設備選型問題
    立軸破有多種型號及工作模式，選型是首先要解決的問題，必須從制砂產品質量和制砂成本兩方面來權衡確定。
    立軸破雖然型號眾多，但總體可分為兩大類型：雙料流型和單料流型，前者以BacB系列為代表，利用“石打石”原理破碎制砂；后者以Ⅳ系列為代表，利用“石打鐵”原理破碎制砂。B系列采用封閉式轉子，進料粒度20一76 mm，產砂率30qo．40qo；Ⅳ系列一般采用開式轉子，允許更大粒度的進料(80～150 mm)，產砂率45%一55%。
    顯而易見，由于B系列利用石打石制砂，耗鋼量低，適用于中、高磨蝕性物料；Ⅳ系列利用石打鐵制砂，耗鋼量大，適用于低磨蝕性巖石。雖然Ⅳ系列產砂率B系列大15%左右，但由于B系列采用雙料流進料，進料量比Ⅳ系列大得多，產砂量反而比Ⅳ系列高，且單位產品的鋼耗、能耗低。雖然Ⅳ系列有進料粒度大的優勢，但實踐表明，立軸破給料粒度大于55 mm時，易損件磨損加劇，且易堵塞，設備損壞的情況增多，使制砂成本明顯上升，抵消了因允許進入更大物料所帶來的益處。考慮與整個系統流程匹配，立軸破的進料粒度不宜大于40mm。
    另外．B系列采用石打石破碎，物料經過反復多次的相互碰撞、摩擦，產品粒形較Ⅳ系列好。而且通過調整料流控制器的位置，改變中心入料與瀑落人料的比例，能方便地對產砂率及砂子細度模數進行一定幅度的調整。因此，在保證進料量要求的前提下，宜優先選用B系列立軸破。
3.2制砂工藝問題
    制砂工藝是人工骨料系統設計中最為關鍵的問題，目前主要存在兩大爭論，一是主張單一采用立軸破制砂，二是主張采用立軸破與棒磨機聯合制砂。從保證產品質量的角度出發，筆者贊同后者。
    從前述可知，由于設備特性所致，立軸破制砂產品級配不連續，為“兩頭多，中間少”的間斷級配，對于常態混凝土而言，石粉含量亦超標。根據人工砂與混凝土性能關系的研究表明，人工砂的細度模數、級配及石粉含量對混凝土水泥用量、混凝土的和易性、強度、抗裂性、耐久性均有密切關系。FM值越大及大于2.5mm粒級含量過大，在同樣情況下，拌和物的塑性降低、和易性差、泌水增大。而0.63～2.5 mm粒級含量過少，混凝土強度明顯降低，特別是對于有抗凍要求的混凝土，引氣能力嚴重降低，使混凝土耐久性惡化。要想達到同樣的效果，就必須增大水泥用量，繼而又帶來后續的溫控問題。
    由于立軸破與棒磨機制砂效果具有互補性，聯合制砂則可以從根本上解決上述問題。況且1臺B9000立軸破的產砂量相當于3臺MB22136棒磨機的產砂量，只需配置少量的棒磨機，混合砂的級配便可達到標準范圍。聯合制砂的成本雖然有所增加，但從水電工程的重要性、長久性以及質量第一的原則綜合考慮，還是值得的。這也正是三峽、龍灘、小灣、向家壩等巨型工程相繼采用聯合制砂工藝的原因。
3.3生產方式問題
    生產方式大體可分為閉路生產和開路生產兩種，每種又有干法、濕法、半干法生產之分，目前多采用閉路生產。立軸破的閉路循環物料包括兩部分：主要為5~40 mm碎石料及少部分2.5~5mm粗砂。
3.3.1循環方式的選擇
    根據立軸破制砂試驗結果顯示，閉路循環時產砂率有所降低，能耗增大。分析其原因有二，一是經初次破碎后，棱角較多的碎石經過多次碰撞、摩擦后逐漸變得圓滑、堅實；二是返回的2.5.5mm物料顆粒較小，進一步的破碎需要更大的動能。因此，立軸破制砂宜采用開路方式。把系統中所有5～40mm碎石均進入立軸破制砂，不但可提高產砂率，降低能耗，而且5~20 mm、20～40衄成品碎石經立軸破后得到了整型，粒形優于不經立軸破的碎石，同時減少了立軸破前段的重復分級，篩分設備可減少，可謂一舉數得。當然，產砂量不足時，可少部分二次循環制砂，但宜采用更高線速度的立軸破。
3.3.2干、濕法生產的選擇
    干法生產，產砂量高，但粉塵污染嚴重：濕法及半干法生產，產砂率低，粉塵容易控制。需要說明的是，立軸破由于特殊的結構，其破碎腔能形成內部循環氣流，即使采用干法生產，其本身揚塵量較小，污染主要由其他破碎車間、篩分車間及轉料點產生。而無論濕法生產還是半干法生產，均由于進料中物料表面含有水分，在破碎過程中易產生“地毯效應”使產砂率明顯降低。特別是當進料的含水率大于5%（<小于5mm物料含水率大于3%）時，產砂率大幅度降低（大約降低lO%～20%），且易引起堵塞，引發事故，導致運行效率降低及制砂成本增大。
    因此，干、濕法生產方式的選擇，需要從多方面綜合考慮。系統規模較小時，可采用于法生產，對主要揚塵點采用灑水、噴霧降塵或封閉通風機械除塵。但對于大規模的人工骨料系統，宜采用濕法生產，因為規模較大時，灑水、噴霧降塵效果較差，對主要車間全部封閉除塵難度很大。再者，對于常態混凝土而言，砂中的石粉含量一般會超標，需沖洗去掉一部分石粉及粗骨料表面的裹粉，以保證質量。但濕法生產時，必須采取措施控制制砂原料中的含水量，以提高產砂率，并且對生產廢水進行處理和回收利用。
3.4制砂原料含水率控制
    立軸破制砂效果對原料的含水率非常敏感，濕法生產系統中對制砂原料含水率的控制就顯得尤為重要。原料含水量主要來自于篩分沖洗時骨料表面滯留水，因此，在立軸破之前設置調節料堆（倉），增加倉儲量（約一個班的產量）以延長物料的脫水時間，可以有效地減少原料中的含水率，這就是所謂的先濕后半干法（半干法）制砂。
    但最好的解決辦法是采取工藝措施，立軸破之前的物料不進行沖洗，在立軸破之后對進入成品料倉的骨料進行沖洗，對返回的物料則不沖洗。為便于細砂的篩分，避免堵孔，可在2.5 mm(或3nun)篩面上設沖洗水管，這樣，返回的2.5~5mm粗砂顆粒亦為干料，從根本上解決了進料的含水率問題。對于雨水，采用封閉進料皮帶機及調節料堆設防雨棚解決。
3.5易損件問題
    易損件費用在立軸破制砂成本中占有很大的比重。易損件主要為安裝于轉子拋料口的拋料頭，采用高磨蝕性的花崗巖等原料制砂時，其壽命僅150 h左右。拋料頭每副3—4塊重20 kg左右，進口價格為0.5。0.8萬元，價格十分昂貴，且供貨周期長；由于進口立軸破現已成為大型人工骨料系統制砂的主力設備，為保證正常運行和降低制砂成本，進行易損件的國產化研究顯得十分必要。
    根據實踐表明，延長拋料頭的使用壽命主要有兩條途徑，一是根據實際磨損情況調整拋料頭中鑲嵌的耐磨合金塊的角度及位置，避免其受沖擊破壞；二是根據磨料的硬度選擇適宜的合金材料，保證易損件的表面硬度大于磨料的硬度，防止易損件表面產生較大的犁溝磨損，同時保證足夠的韌性防止其發生疲勞破壞。目前，易損件的國產化研究已取得了很大的進展，使用壽命已接近進口件，但價格只有進口件的30%左右，應優先考慮采用。
4、結語及建議
    采用立軸破制砂，產砂率高，產品粒形好，生產成本低，土建及安裝工程量小。但同時也存在著成品砂細度模數大，級配不夠理想等缺點。本文試圖從立軸破制砂規律及其影響因素人手，對如何改進立軸破制砂效果進行一些有益的探討，期望通過更多的討論，使立軸破制砂達到技術、經濟及環保要求的統一，為其更為廣泛的應用提供支持。
    立軸破制砂規律雖然有著一定的相對穩定性，但具體到某一工程又具有一定的特殊性。建議針對工程的實際條件進行制砂試驗，優化組合制砂參數，找出制砂的最佳運行參數，充分發揮立軸破的制砂效能，