铝土矿装船码头装卸工艺方案研究

朱本飞，叶成华

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

引 言

铝土矿是生产氧化铝的重要原料。氧化铝是生产电解铝的中间产品，被广泛应用于航空航天业、汽车业、消费品加工、半导体工业等工业领域。据美国地质调查统计资料显示，全球铝土矿已探明储量约 270亿t，可满足铝工业约130年的开采需求。但是，铝土矿资源分布不平衡，几内亚和澳大利亚两国的储量总和约占全球总储量的近50 %[1]。

近年来，我国对铝土矿的需求也越来越大。随着国家一带一路政策的推进，中资企业逐步向非洲等海外市场寻求铝土矿原料供应，国外丰富的铝土矿资源成为目标市场之一。在此背景下，逐步形成了由铝土矿矿区、装船码头、海上运输线至国内进口码头等国际运输线路。随着铝矿石出口份额的逐年增加，铝土矿出口国落后的矿石出口基础设施建设水平已成为未来铝矿石出口的关键限制条件。因此，扩大铝土矿出口装船码头规模、改善铝土矿出口条件是保障铝土矿国际供应链稳定的重要工程。本项目着眼于新建若干铝土矿装船泊位，以完成每年一定量的铝土矿装船的生产任务，并配套建设相应的引堤、陆域堆场等配套设施。

铝土矿的物料特性与煤炭和铁矿石等传统干散货不同。铝土矿的堆积密度为1.4～1.7 t/m3，静安息角约35°～50°，动安息角约 30°～40°，物料粒度在 1～10 mm，表面含水率为13 %～16 %。铁矿石的动安息角15°，表面含水率小于10 %；煤炭的动安息角15°～20°，表面含水率为8 %～13 %[2]。可以看出，铝土矿的含水量较大，安息角大，粘连性较强，运输过程中容易出现粘料、堵料的现象，从而影响了铝土矿的装卸作业效率。本文重点研究铝土矿在码头前沿和堆场两个主要环节的装卸工艺方案，分析了不同方案的优缺点，为码头建设提供参考。

1 码头前沿区域的装船方案

码头前沿区域是主要生产环节之一。针对该区域的装卸工艺方案，结合铝土矿出口国的生产作业的现状及其经济发展情况，本次研究提出三种主要的装船工艺方案。即：

1）码头装船方案1：自卸汽车+装载机+固定式起重机抓斗装船工艺；

2）码头装船方案 2：带式输送机+圆弧轨道式装船机装船工艺；

3）码头装船方案 3：带式输送机+移动式装船机装船工艺。

1.1 码头装船方案1

在当地已运营的一个铝土矿装船码头中，采用了固定式起重机的抓斗装船工艺。自卸汽车将铝土矿运输至码头前沿，卸至前沿的临时堆场上。码头前沿配置带抓斗的固定式起重机。船舶靠泊后，通过固定式起重机的抓斗将铝土矿抓取后卸料至驳船上。考虑到铝土矿的堆高及辅助作业的需要，配置必要的装载机，配合固定式起重机的装卸作业。这种方案的装卸作业流程为：后方堆场/矿区—自卸汽车—临时堆场—带抓斗的固定式起重机—驳船。

采用这种装卸工艺方案时，码头除在后方设置铝土矿的堆场外，在前沿区域也应设置临时堆场。汽车运输过来的铝土矿全部堆积在前沿平台上，要求码头设计时需考虑前沿的堆货荷载。这种方式比较适合于码头前沿与后方堆场布置在一起的连片式布置。这种作业方式，铝土矿的水平运输全部采用自卸汽车，因而码头需要配置较多的自卸汽车。相对于其他码头，它增加了码头前沿区域的二次倒运，一定程度上会带来铝土矿对码头平台的污染。尤其对于采用较长引堤延伸至外海的码头，这种作业方式下引桥及码头的污染会较严重。

1.2 码头装船方案2

为减小自卸汽车运输带来的码头前沿的交通组织以及环境污染等问题，可以采用带式输送机用于铝土矿的水平运输。码头的装船作业采用圆弧轨道式装船机。这种连续式装船设备比较适用于码头前沿的散货驳船装船作业，常与后方带式输送机系统衔接。装船机的支承旋转中心与码头供料带式输送机的落料点处于同一垂线上。供料皮带机落下的物料通过装船机上的带式输送机输送至臂架头部，进而通过装船溜筒落入船舱。这种方案的装卸作业流程为：后方堆场—带式输送机—圆弧轨道式装船机—驳船。

这种装船工艺方案采用圆弧轨道式装船机。码头前沿设置圆弧形轨道，装船机可以在弧形轨道上行走。借助于大车行走机构、臂架伸缩结构等工作，装船机可以实现装船作业范围在船舱长度方向和宽度方向的覆盖，以实现装料的均匀和装载的平稳。依靠臂架俯仰和溜筒伸缩功能，它可以适应不同的装船水位以及船舶物料的堆高的变化。

这种装船工艺方案的主要特征有：

1）码头前沿的长宽尺寸仅需要满足船舶靠泊和装船机的正常工作要求即可。因而，为了降低码头建设投资，常采用墩式码头布置形式，即码头由若干靠船墩、系缆墩以及装船工作平台构成，如图1所示。

图1 墩式码头布置

2）所采用的圆弧轨道式装船机往往难以完全覆盖到全部船舱，尤其是船舱长度方向难以全覆盖，而增加工作幅度会导致设备造价快速的上涨。因而，为解决船舱覆盖面不足的问题，一方面对于大型船舶常常采用2台甚至多台设备，另一方面可以借助拖轮采取移船的作业方式。

3）水平运输采用带式输送机。通过设置带式输送机罩扣，以及在接料漏斗处设除尘设施，可较大程度上降低采用自卸汽车作业时的环境污染。

4）在铝土矿含水率较大时，可能存在皮带机粘料问题。

1.3 码头装船方案3

为解决圆弧轨道式装船机的装船覆盖面问题，装船码头可采用移动式装船机。水平运输同样采用固定带式输送机给码头装船机供料。装船设备采用移动式装船机。移动式装船机具有伸缩、回转、俯仰等功能，可以实现不同工况下的装船作业需求。移动式装船机可沿着码头前沿布置的轨道行走，因而在船舱长度方向可以覆盖全部船舱，在宽度方向的覆盖通过控制移动装船机的外伸距来实现。移动式装船机在国内大型干散货装船码头应用较广泛。这种方案的装卸作业流程为：后方堆场—带式输送机—移动式装船机—驳船。

这种装船工艺方案的特征有：

1）移动装船机的轨道沿着码头长度方向布置，整机可以沿着码头运行，码头前沿区域应该整体连片布置。因而码头水工结构的投资相对会较大。

2）移动式装船机作业方式灵活，机动性好，对船型的适应性非常好，且装船作业的效率高。它可以满足码头大运量、高效率和频繁作业的需要。

3）码头前沿区域具有较大的工作空间，可以满足消防及检修车辆等工作要求，码头运营期间的日常维修保养等工作较为方便。

4）采用带式输送机输送铝土矿同样存在带式输送机的粘料和堵料问题。

2 堆场区域的物料装卸方案

堆场环节是连接矿区和码头前沿的货物中转场所。由于矿区至码头的水平运输已确定采用公路运输的方式，因而堆场中铝土矿的进堆场已经明确为自卸汽车方式。因而，对于铝土矿堆场，拟结合自卸汽车的方式提出四种堆取料作业方案。即：

1）堆场作业方案1：自卸汽车+装载机+移动皮带机+自卸汽车工艺；

2）堆场作业方案2：自卸汽车+装载机+移动皮带机+漏斗+带式输送机工艺；

3）堆场作业方案 3：自卸汽车+带式输送机栈桥堆料+卸料孔卸料+带式输送机工艺；

4）堆场作业方案4：自卸汽车+受料坑+堆料机+取料机+带式输送机工艺。

2.1 堆场作业方案1

对于码头前沿采用的带抓斗的固定式起重机的装船作业方式，堆场的堆取料方案为：自卸汽车将铝土矿运输至指定的堆放位置，再借助于单斗装载机和移动皮带机进行铝土矿的堆高作业。取料时，单斗装载机将铝土矿直接装载至自卸汽车上，或借助于移动皮带机进行必要的转接。自卸汽车再将铝土矿运输至码头前沿区域。这种方案的堆取料作业流程为：矿区—自卸汽车—（装载机—移动皮带机）—堆场—单斗装载机—自卸汽车—码头前沿。

这种作业方式下，堆场均采用装载机、移动皮带机等流动机械，装卸设备的投资较少，设备的配置可根据实际需要逐步购买。堆场的土建工程也相对比较简单，直接进行场地平整后就可作为堆场使用，甚至无需进行场地硬化等土建工程。因此，这种作业方式比较适合于码头工程的前期投资额度有限、对装卸作业效率要求不高的情况下采用。

2.2 堆场作业方案2

对于使用带式输送机给码头前沿供料的作业方式，堆场的装卸工艺拟结合装载机的使用考虑如下方案：自卸汽车将铝土矿自卸至指定料堆处，并配置若干台装载机和移动皮带机对铝土矿进行堆高作业。堆场中配置若干台铝土矿专用漏斗。取料作业时，单斗装载机将堆场中的铝土矿装载至漏斗中。漏斗下方为固定带式输送机。通过控制漏斗的落料实现对带式输送机的给料。物料落入带式输送机后被送往码头前沿区域。当堆场的范围较大时，可以配置若干台移动带式输送机搭配单斗装载机为接料漏斗供料，以缩短单斗装载机的行驶距离。这种方案的堆取料作业流程为：矿区—自卸汽车—（单斗装载机—移动皮带机）—堆场—单斗装载机—（移动带式输送机）—漏斗—带式输送机—码头前沿。

这种堆取料作业方式，既采用了自卸汽车和装载机的堆料作业功能，又与码头前沿的带式输送机的运输方式兼容，同时具备了流动机械的周期性作业和连续性装船设备作业的特征。它需要配备数量较多的装载机用于堆场作业。相对于国内散货堆场常见的堆取料机的作业方式，它的作业效率相对不高，且要求港区劳动定员多，运营期间的运营成本较高。但是，铝土矿出堆场的方式是采用带式输送机，较好的匹配了码头前沿装船机的作业方式。

2.3 堆场作业方案3

为了降低堆场运营期间的成本，提出采用带式输送机栈桥堆料、卸料孔卸料的作业方案。自卸汽车将铝土矿运输至堆场，卸至受料坑。卸下的铝土矿通过卸料坑下的带式输送机输送至堆场。堆场上方设置带式输送机栈桥。如图2所示，受料坑输送过来的铝土矿被提升至一定的高度，再通过栈桥上的卸料小车将铝土矿卸至栈桥两侧的料堆。在栈桥的两侧分别设置两条地下皮带机廊道。沿皮带机廊道布置若干个卸料孔，每个卸料孔下面均配置震动给料机。铝土矿通过卸料孔落料至廊道皮带机，进而输送至码头前沿的装船机。这种作业方式的断面图如图所示。这种方案的堆取料作业流程为：矿区—自卸汽车—受料坑—带式输送机—卸料小车—堆场—卸料孔+震动给料机—地下廊道皮带机—码头前沿。

图2 “栈桥堆料+卸料孔+地下廊道”作业方式示意

这种作业方式在砂石料堆场中偶有使用。相对于方案一和方案二，它最大的特点是利用物料的重力自由落入卸料孔，而不是采用装载机来取料。它在一定程度上降低了堆场的取料耗能和运营成本。但是，堆场上需要增加进场的皮带机栈桥及卸料小车等设施，同时也要增加廊道皮带机等设备和土建投资等。

这种方案最大的缺点是在物料经卸料孔进入廊道皮带机的过程中，存在粘料和堵料的可能性。铝土矿的含水量较大，粘连性较强，物料的流动性较差。在堆场的运营过程中，发生堵料的可能性较大。这种情况一旦发生，堆场的取料作业将不得不停止。且由于此时堆场上的铝土矿的库存量非常大，疏通卸料孔也将会是一个难题。为了降低堵料发生的概率，可采取一些措施。例如，考虑在堆场上方设置防雨棚，可有效地避免当地雨季长时间的降雨导致的堆场无法作业。此外，卸料孔的内壁的斜度尽可能在要陡，且卸料孔的下面均配置震动给料机。这些措施一定程度上可以降低堵料发生的概率。

2.3 堆场作业方案4

这种方案是国内煤炭和矿石等专业化干散货码头比较常见的堆场作业方式。铝土矿进堆场的作业采用自卸车+受料坑+带式输送机的方式。即，自卸汽车将运输过来的铝土矿卸至受料坑。卸下的铝土矿通过受料坑下面的带式输送机输送至堆场。堆料机将进入堆场的铝土矿堆料至两侧的堆场。取料作业采用斗轮式取料机。取料机取得的物料通过堆场带式输送机被输送至码头前沿。这种方案的堆取料作业流程为：矿区—自卸汽车—受料坑—带式输送机—堆料机—堆场—取料机—带式输送机—码头前沿。

这种堆取料工艺方案中，尽管铝土矿的进港是采用自卸汽车，但是它通过卸料坑的设置，进而很好地与堆料机和取料机等自动化设备进行有机的结合。这种作业方式的装卸作业效率较高，码头的自动化程度较高。但是，它的前期工程投资较大。除了堆料机、取料机、带式输送机等装卸设备的投资外，还包括设备基础以及供电等必要的配套设施等。因而，这种作业方式一般用于经济发展水平较高的国家，或者是用于装卸那些经济附加值较高的货种。

3 铝土矿装船工艺方案对比分析

以上章节分析了三种码头前沿区域的装船方案和四种堆场区域的堆取料方案。针对这些方案的优缺点进行综合性分析，得出如表1和表2所示的性能分析。

表1 装船区域工艺方案对比分析

表2 堆场区域工艺方案对比分析

从表1和表2的分析对比可以看出，每种装卸作业方式均有其优缺点。其中，装船区域的方案一与堆场环节的方案一的组合方案，即装船作业采用“自卸汽车+装载机+固定式起重机抓斗”方式，堆场作业采用“自卸汽车+装载机+移动皮带机+自卸汽车”方式，它的系统可靠性最高，且工程前期投资较低，但是运营能耗较高，环境污染较严重。而装船区域的方案三与堆场环节的方案四的组合方案的作业效率高，但是工程投资大。其中，就堆场环节工艺方案而言，方案三的运营能耗最低，但它的系统可靠性没有其他方案的高。

4 结 语

国内铝土矿码头多以进口码头为主，铝土矿装船码头并不多见。非洲为铝土矿重要产区，随着当地铝土矿资源的逐步开发，装船码头的建设也日益增多。目前，非洲区域的铝土矿装船工艺主要有“自卸车水平运输+固定式起重机抓斗装船”的方式，也出现了“带式输送机+圆弧轨道式简易装船机”的作业方式。铝土矿的物料粘性较大，运输过程中存在着堵料的可能性。针对这种情况，本研究分别讨论了码头前沿区域和堆场区域可能存在的几种装卸工艺方案，并分析了不同装卸作业方案的优缺点，以期为铝土矿装船码头的建设提供参考。