朱本飛，葉成華

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

引 言

鋁土礦是生產(chǎn)氧化鋁的重要原料。氧化鋁是生產(chǎn)電解鋁的中間產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于航空航天業(yè)、汽車(chē)業(yè)、消費(fèi)品加工、半導(dǎo)體工業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域。據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料顯示，全球鋁土礦已探明儲(chǔ)量約 270億t，可滿(mǎn)足鋁工業(yè)約130年的開(kāi)采需求。但是，鋁土礦資源分布不平衡，幾內(nèi)亞和澳大利亞兩國(guó)的儲(chǔ)量總和約占全球總儲(chǔ)量的近50 %[1]。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)鋁土礦的需求也越來(lái)越大。隨著國(guó)家一帶一路政策的推進(jìn)，中資企業(yè)逐步向非洲等海外市場(chǎng)尋求鋁土礦原料供應(yīng)，國(guó)外豐富的鋁土礦資源成為目標(biāo)市場(chǎng)之一。在此背景下，逐步形成了由鋁土礦礦區(qū)、裝船碼頭、海上運(yùn)輸線(xiàn)至國(guó)內(nèi)進(jìn)口碼頭等國(guó)際運(yùn)輸線(xiàn)路。隨著鋁礦石出口份額的逐年增加，鋁土礦出口國(guó)落后的礦石出口基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平已成為未來(lái)鋁礦石出口的關(guān)鍵限制條件。因此，擴(kuò)大鋁土礦出口裝船碼頭規(guī)模、改善鋁土礦出口條件是保障鋁土礦國(guó)際供應(yīng)鏈穩(wěn)定的重要工程。本項(xiàng)目著眼于新建若干鋁土礦裝船泊位，以完成每年一定量的鋁土礦裝船的生產(chǎn)任務(wù)，并配套建設(shè)相應(yīng)的引堤、陸域堆場(chǎng)等配套設(shè)施。

鋁土礦的物料特性與煤炭和鐵礦石等傳統(tǒng)干散貨不同。鋁土礦的堆積密度為1.4～1.7 t/m3，靜安息角約35°～50°，動(dòng)安息角約 30°～40°，物料粒度在 1～10 mm，表面含水率為13 %～16 %。鐵礦石的動(dòng)安息角15°，表面含水率小于10 %；煤炭的動(dòng)安息角15°～20°，表面含水率為8 %～13 %[2]。可以看出，鋁土礦的含水量較大，安息角大，粘連性較強(qiáng)，運(yùn)輸過(guò)程中容易出現(xiàn)粘料、堵料的現(xiàn)象，從而影響了鋁土礦的裝卸作業(yè)效率。本文重點(diǎn)研究鋁土礦在碼頭前沿和堆場(chǎng)兩個(gè)主要環(huán)節(jié)的裝卸工藝方案，分析了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為碼頭建設(shè)提供參考。

1 碼頭前沿區(qū)域的裝船方案

碼頭前沿區(qū)域是主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。針對(duì)該區(qū)域的裝卸工藝方案，結(jié)合鋁土礦出口國(guó)的生產(chǎn)作業(yè)的現(xiàn)狀及其經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，本次研究提出三種主要的裝船工藝方案。即：

1）碼頭裝船方案1：自卸汽車(chē)+裝載機(jī)+固定式起重機(jī)抓斗裝船工藝；

2）碼頭裝船方案 2：帶式輸送機(jī)+圓弧軌道式裝船機(jī)裝船工藝；

3）碼頭裝船方案 3：帶式輸送機(jī)+移動(dòng)式裝船機(jī)裝船工藝。

1.1 碼頭裝船方案1

在當(dāng)?shù)匾堰\(yùn)營(yíng)的一個(gè)鋁土礦裝船碼頭中，采用了固定式起重機(jī)的抓斗裝船工藝。自卸汽車(chē)將鋁土礦運(yùn)輸至碼頭前沿，卸至前沿的臨時(shí)堆場(chǎng)上。碼頭前沿配置帶抓斗的固定式起重機(jī)。船舶靠泊后，通過(guò)固定式起重機(jī)的抓斗將鋁土礦抓取后卸料至駁船上?？紤]到鋁土礦的堆高及輔助作業(yè)的需要，配置必要的裝載機(jī)，配合固定式起重機(jī)的裝卸作業(yè)。這種方案的裝卸作業(yè)流程為：后方堆場(chǎng)/礦區(qū)—自卸汽車(chē)—臨時(shí)堆場(chǎng)—帶抓斗的固定式起重機(jī)—駁船。

采用這種裝卸工藝方案時(shí)，碼頭除在后方設(shè)置鋁土礦的堆場(chǎng)外，在前沿區(qū)域也應(yīng)設(shè)置臨時(shí)堆場(chǎng)。汽車(chē)運(yùn)輸過(guò)來(lái)的鋁土礦全部堆積在前沿平臺(tái)上，要求碼頭設(shè)計(jì)時(shí)需考慮前沿的堆貨荷載。這種方式比較適合于碼頭前沿與后方堆場(chǎng)布置在一起的連片式布置。這種作業(yè)方式，鋁土礦的水平運(yùn)輸全部采用自卸汽車(chē)，因而碼頭需要配置較多的自卸汽車(chē)。相對(duì)于其他碼頭，它增加了碼頭前沿區(qū)域的二次倒運(yùn)，一定程度上會(huì)帶來(lái)鋁土礦對(duì)碼頭平臺(tái)的污染。尤其對(duì)于采用較長(zhǎng)引堤延伸至外海的碼頭，這種作業(yè)方式下引橋及碼頭的污染會(huì)較嚴(yán)重。

1.2 碼頭裝船方案2

為減小自卸汽車(chē)運(yùn)輸帶來(lái)的碼頭前沿的交通組織以及環(huán)境污染等問(wèn)題，可以采用帶式輸送機(jī)用于鋁土礦的水平運(yùn)輸。碼頭的裝船作業(yè)采用圓弧軌道式裝船機(jī)。這種連續(xù)式裝船設(shè)備比較適用于碼頭前沿的散貨駁船裝船作業(yè)，常與后方帶式輸送機(jī)系統(tǒng)銜接。裝船機(jī)的支承旋轉(zhuǎn)中心與碼頭供料帶式輸送機(jī)的落料點(diǎn)處于同一垂線(xiàn)上。供料皮帶機(jī)落下的物料通過(guò)裝船機(jī)上的帶式輸送機(jī)輸送至臂架頭部，進(jìn)而通過(guò)裝船溜筒落入船艙。這種方案的裝卸作業(yè)流程為：后方堆場(chǎng)—帶式輸送機(jī)—圓弧軌道式裝船機(jī)—駁船。

這種裝船工藝方案采用圓弧軌道式裝船機(jī)。碼頭前沿設(shè)置圓弧形軌道，裝船機(jī)可以在弧形軌道上行走。借助于大車(chē)行走機(jī)構(gòu)、臂架伸縮結(jié)構(gòu)等工作，裝船機(jī)可以實(shí)現(xiàn)裝船作業(yè)范圍在船艙長(zhǎng)度方向和寬度方向的覆蓋，以實(shí)現(xiàn)裝料的均勻和裝載的平穩(wěn)。依靠臂架俯仰和溜筒伸縮功能，它可以適應(yīng)不同的裝船水位以及船舶物料的堆高的變化。

這種裝船工藝方案的主要特征有：

1）碼頭前沿的長(zhǎng)寬尺寸僅需要滿(mǎn)足船舶靠泊和裝船機(jī)的正常工作要求即可。因而，為了降低碼頭建設(shè)投資，常采用墩式碼頭布置形式，即碼頭由若干靠船墩、系纜墩以及裝船工作平臺(tái)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 墩式碼頭布置

2）所采用的圓弧軌道式裝船機(jī)往往難以完全覆蓋到全部船艙，尤其是船艙長(zhǎng)度方向難以全覆蓋，而增加工作幅度會(huì)導(dǎo)致設(shè)備造價(jià)快速的上漲。因而，為解決船艙覆蓋面不足的問(wèn)題，一方面對(duì)于大型船舶常常采用2臺(tái)甚至多臺(tái)設(shè)備，另一方面可以借助拖輪采取移船的作業(yè)方式。

3）水平運(yùn)輸采用帶式輸送機(jī)。通過(guò)設(shè)置帶式輸送機(jī)罩扣，以及在接料漏斗處設(shè)除塵設(shè)施，可較大程度上降低采用自卸汽車(chē)作業(yè)時(shí)的環(huán)境污染。

4）在鋁土礦含水率較大時(shí)，可能存在皮帶機(jī)粘料問(wèn)題。

1.3 碼頭裝船方案3

為解決圓弧軌道式裝船機(jī)的裝船覆蓋面問(wèn)題，裝船碼頭可采用移動(dòng)式裝船機(jī)。水平運(yùn)輸同樣采用固定帶式輸送機(jī)給碼頭裝船機(jī)供料。裝船設(shè)備采用移動(dòng)式裝船機(jī)。移動(dòng)式裝船機(jī)具有伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰等功能，可以實(shí)現(xiàn)不同工況下的裝船作業(yè)需求。移動(dòng)式裝船機(jī)可沿著碼頭前沿布置的軌道行走，因而在船艙長(zhǎng)度方向可以覆蓋全部船艙，在寬度方向的覆蓋通過(guò)控制移動(dòng)裝船機(jī)的外伸距來(lái)實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)式裝船機(jī)在國(guó)內(nèi)大型干散貨裝船碼頭應(yīng)用較廣泛。這種方案的裝卸作業(yè)流程為：后方堆場(chǎng)—帶式輸送機(jī)—移動(dòng)式裝船機(jī)—駁船。

這種裝船工藝方案的特征有：

1）移動(dòng)裝船機(jī)的軌道沿著碼頭長(zhǎng)度方向布置，整機(jī)可以沿著碼頭運(yùn)行，碼頭前沿區(qū)域應(yīng)該整體連片布置。因而碼頭水工結(jié)構(gòu)的投資相對(duì)會(huì)較大。

2）移動(dòng)式裝船機(jī)作業(yè)方式靈活，機(jī)動(dòng)性好，對(duì)船型的適應(yīng)性非常好，且裝船作業(yè)的效率高。它可以滿(mǎn)足碼頭大運(yùn)量、高效率和頻繁作業(yè)的需要。

3）碼頭前沿區(qū)域具有較大的工作空間，可以滿(mǎn)足消防及檢修車(chē)輛等工作要求，碼頭運(yùn)營(yíng)期間的日常維修保養(yǎng)等工作較為方便。

4）采用帶式輸送機(jī)輸送鋁土礦同樣存在帶式輸送機(jī)的粘料和堵料問(wèn)題。

2 堆場(chǎng)區(qū)域的物料裝卸方案

堆場(chǎng)環(huán)節(jié)是連接礦區(qū)和碼頭前沿的貨物中轉(zhuǎn)場(chǎng)所。由于礦區(qū)至碼頭的水平運(yùn)輸已確定采用公路運(yùn)輸?shù)姆绞?，因而堆?chǎng)中鋁土礦的進(jìn)堆場(chǎng)已經(jīng)明確為自卸汽車(chē)方式。因而，對(duì)于鋁土礦堆場(chǎng)，擬結(jié)合自卸汽車(chē)的方式提出四種堆取料作業(yè)方案。即：

1）堆場(chǎng)作業(yè)方案1：自卸汽車(chē)+裝載機(jī)+移動(dòng)皮帶機(jī)+自卸汽車(chē)工藝；

2）堆場(chǎng)作業(yè)方案2：自卸汽車(chē)+裝載機(jī)+移動(dòng)皮帶機(jī)+漏斗+帶式輸送機(jī)工藝；

3）堆場(chǎng)作業(yè)方案 3：自卸汽車(chē)+帶式輸送機(jī)棧橋堆料+卸料孔卸料+帶式輸送機(jī)工藝；

4）堆場(chǎng)作業(yè)方案4：自卸汽車(chē)+受料坑+堆料機(jī)+取料機(jī)+帶式輸送機(jī)工藝。

2.1 堆場(chǎng)作業(yè)方案1

對(duì)于碼頭前沿采用的帶抓斗的固定式起重機(jī)的裝船作業(yè)方式，堆場(chǎng)的堆取料方案為：自卸汽車(chē)將鋁土礦運(yùn)輸至指定的堆放位置，再借助于單斗裝載機(jī)和移動(dòng)皮帶機(jī)進(jìn)行鋁土礦的堆高作業(yè)。取料時(shí)，單斗裝載機(jī)將鋁土礦直接裝載至自卸汽車(chē)上，或借助于移動(dòng)皮帶機(jī)進(jìn)行必要的轉(zhuǎn)接。自卸汽車(chē)再將鋁土礦運(yùn)輸至碼頭前沿區(qū)域。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車(chē)—（裝載機(jī)—移動(dòng)皮帶機(jī)）—堆場(chǎng)—單斗裝載機(jī)—自卸汽車(chē)—碼頭前沿。

這種作業(yè)方式下，堆場(chǎng)均采用裝載機(jī)、移動(dòng)皮帶機(jī)等流動(dòng)機(jī)械，裝卸設(shè)備的投資較少，設(shè)備的配置可根據(jù)實(shí)際需要逐步購(gòu)買(mǎi)。堆場(chǎng)的土建工程也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，直接進(jìn)行場(chǎng)地平整后就可作為堆場(chǎng)使用，甚至無(wú)需進(jìn)行場(chǎng)地硬化等土建工程。因此，這種作業(yè)方式比較適合于碼頭工程的前期投資額度有限、對(duì)裝卸作業(yè)效率要求不高的情況下采用。

2.2 堆場(chǎng)作業(yè)方案2

對(duì)于使用帶式輸送機(jī)給碼頭前沿供料的作業(yè)方式，堆場(chǎng)的裝卸工藝擬結(jié)合裝載機(jī)的使用考慮如下方案：自卸汽車(chē)將鋁土礦自卸至指定料堆處，并配置若干臺(tái)裝載機(jī)和移動(dòng)皮帶機(jī)對(duì)鋁土礦進(jìn)行堆高作業(yè)。堆場(chǎng)中配置若干臺(tái)鋁土礦專(zhuān)用漏斗。取料作業(yè)時(shí)，單斗裝載機(jī)將堆場(chǎng)中的鋁土礦裝載至漏斗中。漏斗下方為固定帶式輸送機(jī)。通過(guò)控制漏斗的落料實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)的給料。物料落入帶式輸送機(jī)后被送往碼頭前沿區(qū)域。當(dāng)堆場(chǎng)的范圍較大時(shí)，可以配置若干臺(tái)移動(dòng)帶式輸送機(jī)搭配單斗裝載機(jī)為接料漏斗供料，以縮短單斗裝載機(jī)的行駛距離。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車(chē)—（單斗裝載機(jī)—移動(dòng)皮帶機(jī)）—堆場(chǎng)—單斗裝載機(jī)—（移動(dòng)帶式輸送機(jī)）—漏斗—帶式輸送機(jī)—碼頭前沿。

這種堆取料作業(yè)方式，既采用了自卸汽車(chē)和裝載機(jī)的堆料作業(yè)功能，又與碼頭前沿的帶式輸送機(jī)的運(yùn)輸方式兼容，同時(shí)具備了流動(dòng)機(jī)械的周期性作業(yè)和連續(xù)性裝船設(shè)備作業(yè)的特征。它需要配備數(shù)量較多的裝載機(jī)用于堆場(chǎng)作業(yè)。相對(duì)于國(guó)內(nèi)散貨堆場(chǎng)常見(jiàn)的堆取料機(jī)的作業(yè)方式，它的作業(yè)效率相對(duì)不高，且要求港區(qū)勞動(dòng)定員多，運(yùn)營(yíng)期間的運(yùn)營(yíng)成本較高。但是，鋁土礦出堆場(chǎng)的方式是采用帶式輸送機(jī)，較好的匹配了碼頭前沿裝船機(jī)的作業(yè)方式。

2.3 堆場(chǎng)作業(yè)方案3

為了降低堆場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期間的成本，提出采用帶式輸送機(jī)棧橋堆料、卸料孔卸料的作業(yè)方案。自卸汽車(chē)將鋁土礦運(yùn)輸至堆場(chǎng)，卸至受料坑。卸下的鋁土礦通過(guò)卸料坑下的帶式輸送機(jī)輸送至堆場(chǎng)。堆場(chǎng)上方設(shè)置帶式輸送機(jī)棧橋。如圖2所示，受料坑輸送過(guò)來(lái)的鋁土礦被提升至一定的高度，再通過(guò)棧橋上的卸料小車(chē)將鋁土礦卸至棧橋兩側(cè)的料堆。在棧橋的兩側(cè)分別設(shè)置兩條地下皮帶機(jī)廊道。沿皮帶機(jī)廊道布置若干個(gè)卸料孔，每個(gè)卸料孔下面均配置震動(dòng)給料機(jī)。鋁土礦通過(guò)卸料孔落料至廊道皮帶機(jī)，進(jìn)而輸送至碼頭前沿的裝船機(jī)。這種作業(yè)方式的斷面圖如圖所示。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車(chē)—受料坑—帶式輸送機(jī)—卸料小車(chē)—堆場(chǎng)—卸料孔+震動(dòng)給料機(jī)—地下廊道皮帶機(jī)—碼頭前沿。

圖2 “棧橋堆料+卸料孔+地下廊道”作業(yè)方式示意

這種作業(yè)方式在砂石料堆場(chǎng)中偶有使用。相對(duì)于方案一和方案二，它最大的特點(diǎn)是利用物料的重力自由落入卸料孔，而不是采用裝載機(jī)來(lái)取料。它在一定程度上降低了堆場(chǎng)的取料耗能和運(yùn)營(yíng)成本。但是，堆場(chǎng)上需要增加進(jìn)場(chǎng)的皮帶機(jī)棧橋及卸料小車(chē)等設(shè)施，同時(shí)也要增加廊道皮帶機(jī)等設(shè)備和土建投資等。

這種方案最大的缺點(diǎn)是在物料經(jīng)卸料孔進(jìn)入廊道皮帶機(jī)的過(guò)程中，存在粘料和堵料的可能性。鋁土礦的含水量較大，粘連性較強(qiáng)，物料的流動(dòng)性較差。在堆場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，發(fā)生堵料的可能性較大。這種情況一旦發(fā)生，堆場(chǎng)的取料作業(yè)將不得不停止。且由于此時(shí)堆場(chǎng)上的鋁土礦的庫(kù)存量非常大，疏通卸料孔也將會(huì)是一個(gè)難題。為了降低堵料發(fā)生的概率，可采取一些措施。例如，考慮在堆場(chǎng)上方設(shè)置防雨棚，可有效地避免當(dāng)?shù)赜昙鹃L(zhǎng)時(shí)間的降雨導(dǎo)致的堆場(chǎng)無(wú)法作業(yè)。此外，卸料孔的內(nèi)壁的斜度盡可能在要陡，且卸料孔的下面均配置震動(dòng)給料機(jī)。這些措施一定程度上可以降低堵料發(fā)生的概率。

2.3 堆場(chǎng)作業(yè)方案4

這種方案是國(guó)內(nèi)煤炭和礦石等專(zhuān)業(yè)化干散貨碼頭比較常見(jiàn)的堆場(chǎng)作業(yè)方式。鋁土礦進(jìn)堆場(chǎng)的作業(yè)采用自卸車(chē)+受料坑+帶式輸送機(jī)的方式。即，自卸汽車(chē)將運(yùn)輸過(guò)來(lái)的鋁土礦卸至受料坑。卸下的鋁土礦通過(guò)受料坑下面的帶式輸送機(jī)輸送至堆場(chǎng)。堆料機(jī)將進(jìn)入堆場(chǎng)的鋁土礦堆料至兩側(cè)的堆場(chǎng)。取料作業(yè)采用斗輪式取料機(jī)。取料機(jī)取得的物料通過(guò)堆場(chǎng)帶式輸送機(jī)被輸送至碼頭前沿。這種方案的堆取料作業(yè)流程為：礦區(qū)—自卸汽車(chē)—受料坑—帶式輸送機(jī)—堆料機(jī)—堆場(chǎng)—取料機(jī)—帶式輸送機(jī)—碼頭前沿。

這種堆取料工藝方案中，盡管鋁土礦的進(jìn)港是采用自卸汽車(chē)，但是它通過(guò)卸料坑的設(shè)置，進(jìn)而很好地與堆料機(jī)和取料機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。這種作業(yè)方式的裝卸作業(yè)效率較高，碼頭的自動(dòng)化程度較高。但是，它的前期工程投資較大。除了堆料機(jī)、取料機(jī)、帶式輸送機(jī)等裝卸設(shè)備的投資外，還包括設(shè)備基礎(chǔ)以及供電等必要的配套設(shè)施等。因而，這種作業(yè)方式一般用于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的國(guó)家，或者是用于裝卸那些經(jīng)濟(jì)附加值較高的貨種。

3 鋁土礦裝船工藝方案對(duì)比分析

以上章節(jié)分析了三種碼頭前沿區(qū)域的裝船方案和四種堆場(chǎng)區(qū)域的堆取料方案。針對(duì)這些方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合性分析，得出如表1和表2所示的性能分析。

表1 裝船區(qū)域工藝方案對(duì)比分析

表2 堆場(chǎng)區(qū)域工藝方案對(duì)比分析

從表1和表2的分析對(duì)比可以看出，每種裝卸作業(yè)方式均有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中，裝船區(qū)域的方案一與堆場(chǎng)環(huán)節(jié)的方案一的組合方案，即裝船作業(yè)采用“自卸汽車(chē)+裝載機(jī)+固定式起重機(jī)抓斗”方式，堆場(chǎng)作業(yè)采用“自卸汽車(chē)+裝載機(jī)+移動(dòng)皮帶機(jī)+自卸汽車(chē)”方式，它的系統(tǒng)可靠性最高，且工程前期投資較低，但是運(yùn)營(yíng)能耗較高，環(huán)境污染較嚴(yán)重。而裝船區(qū)域的方案三與堆場(chǎng)環(huán)節(jié)的方案四的組合方案的作業(yè)效率高，但是工程投資大。其中，就堆場(chǎng)環(huán)節(jié)工藝方案而言，方案三的運(yùn)營(yíng)能耗最低，但它的系統(tǒng)可靠性沒(méi)有其他方案的高。

4 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)鋁土礦碼頭多以進(jìn)口碼頭為主，鋁土礦裝船碼頭并不多見(jiàn)。非洲為鋁土礦重要產(chǎn)區(qū)，隨著當(dāng)?shù)劁X土礦資源的逐步開(kāi)發(fā)，裝船碼頭的建設(shè)也日益增多。目前，非洲區(qū)域的鋁土礦裝船工藝主要有“自卸車(chē)水平運(yùn)輸+固定式起重機(jī)抓斗裝船”的方式，也出現(xiàn)了“帶式輸送機(jī)+圓弧軌道式簡(jiǎn)易裝船機(jī)”的作業(yè)方式。鋁土礦的物料粘性較大，運(yùn)輸過(guò)程中存在著堵料的可能性。針對(duì)這種情況，本研究分別討論了碼頭前沿區(qū)域和堆場(chǎng)區(qū)域可能存在的幾種裝卸工藝方案，并分析了不同裝卸作業(yè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為鋁土礦裝船碼頭的建設(shè)提供參考。