攀枝花800万t/a钒钛磁铁矿选矿厂设计开题报告

1 目的及意义（含国内外研究现状）

(1) 钒钛磁铁矿资源的现状分析：

全球钒钛磁铁矿储量比较丰富，公开报道的资料统计，资源总量在400亿吨以上，较为集中地分布在少数几个国家，主要资源国为中国、俄罗斯、加拿大、南非、美国、巴西、芬兰、挪威等。次生砂矿床多分布于澳大利亚、印度、非洲沿海诸国。各国钒钛磁铁矿的资源差异较大，根据钛含量不同可分为低钛型和高钛型两类。由于各国的资源特性有差异，各国的资源利用策略也不尽一致，以铁、钒、钛三种主要元素为例，部分国家重点开发利用铁和钒；部分仅开发利用钒；我国和俄罗斯则是采取铁、钒、钛全利用的策略。

(2) 国外钒钛磁铁矿资源有关情况

南非钒钛磁铁矿属低钛、高钒型，集中分布于德兰士瓦(Transvaal)东部的布什维尔德(Bushveld)杂岩中。钒以固溶体形式存在于磁铁矿一钛铁晶石中，钒的品位相当稳定，钒基础储量为1200万吨，占世界钒总基础储量的31%，居世界第一位。钛主要以固溶体存在于富钛磁铁矿相中，很少以钛铁矿存在，钛磁铁矿的这种矿物组成使得它即使细磨至﹣320目后也仅有5%一6%的钛能被强磁选设备分选，很难选出单独的钛矿物。马波茨(MaPochs)矿山是南非极具代表性的钒钛磁铁矿矿山，露天矿储量2亿吨以上，俄罗斯钒钛磁铁矿有低钛型和高钛型两种，俄罗斯拥有全世界约50%的钒钛磁铁矿储量，在俄罗斯全境发现了40多个钛磁铁矿矿床，主要矿物是钛磁铁矿、钛铁矿，有的矿点是钙钛矿和磁铁矿，矿物构成从带有钛铁矿、钛磁铁矿的钛磁铁矿逐渐变为带有磁铁矿、钛磁铁矿的钛铁矿。俄罗斯钒钛磁铁矿实现了铁、钒、钛的全面回收利用。加拿大的钒钛磁铁矿主要分布于马格皮、摩林、拉克圣乔等几个矿床。加拿大钒钛磁铁矿以魁北克(Quebec)省七星岛东北部的马格皮矿床为代表，矿石主要是含钛磁铁矿，钒以固溶体形式存在于磁铁矿中。加拿大钒钛磁铁矿除回收利用了钒、钛、铁的外，还实现了铬的回收利用，生铁中富集了矿石中绝大部分钒和铬，采用炼钢前吹炼钒铬渣的方法回收钒铬。芬兰钒钛磁铁矿(高钛、低钒型)主要有奥坦马基和木斯塔瓦拉两个重要矿床。奥坦马基矿石主要为颗粒状致密矿石，矿石的矿物成分主要为钛铁矿及磁铁矿；木斯塔瓦拉矿为钛磁铁矿，奥坦马基钒钛磁铁矿开发研究较早，早在1954年就已研究其选矿及铁、钛、钒的回收工艺，并投入了生产，主要回收利用铁、钛，木斯塔瓦拉开发利用稍晚一些，主要回收利用钒，挪威的钒钛磁铁矿主要是特尔尼斯矿和勒德萨德矿。挪威钒钛磁铁矿主要以利用铁、钛为主，并且浮选出含Cu、Ni的硫化精矿，实现了这两种元素的利用，挪威是欧洲主要的钛矿石生产国^［1］。

（3）国内国内其它类似资源

我国钒钛磁铁矿储量丰富，居世界第三位，主要分布于四川攀枝花、西昌地

区和河北承德地区，还有部分零星分布于陕西汉中、湖北勋阳、兴阳、广东兴宁

及山西代县等地区。西昌的钒钛磁铁矿在西昌太和镇、德昌县及与攀枝花红格矿区毗邻的会理县境内，拥有钒钛磁铁矿资源17.4亿吨，与攀枝花矿同属攀西矿带，属于高钛低钒型钒钛磁铁矿。承德钒钛磁铁矿目前资源量3.57亿吨，超贫矿78.25亿吨^[2］。

（3）攀枝花钒钛磁铁矿资源有关情况

攀枝花拥有世界罕见的超大型复杂多金属伴生钒钛磁铁矿矿床，被誉为富甲天下的聚宝盆，全市已查明钒钛磁铁矿矿区(矿段)20个，其中大型以上13个，集中分布在白马、红格、攀枝花三个大矿区及米易县、盐边县境内的一些小矿区。攀枝花钒钛磁铁矿资源有以下三个显著特点：

1、资源储量大

攀枝花辖区内累计探明钒钛磁铁矿资源储量73.37亿吨，，截止2008年底保有储量为66.67亿吨。攀枝花钒钛磁铁矿潜在资源量巨大，被称为天量资源。按TFe≥15%测算，攀枝花范围内拥有钒钛磁铁矿矿石资源共计226.83亿吨，其中伴生的TiO₂资源量为19.8亿吨^{[3 ]}，攀枝花——西昌地区的铁储量占全国的20%，是仅次于鞍本地区的我国第二大铁矿区，其伴生的各种金属的储量也较大。截止至2009年底，攀枝花境内钛保有资源储量(以TiO₂计)4.22亿吨，占全国储量的93%，为全球的32%，居世界第一位；钒的保有资源储量(以V₂O₅计)1031万吨^{[4 ]}，占全国储量的63%为全球的11.6%，居世界第三位；铬(Cr₂0₃)的保有储量为696万吨；钴(Co)的保有储量为74.58万吨； 镓(Ga)的保有储量为11.36万吨，仅攀枝花、红格、白马三矿区伴生在表内矿中的镓就相当于55个大型镓矿床的储量；钪的保有储量为10.96万吨^[5]。

2、经济价值高

攀枝花钒钛磁铁矿除铁外，还共生钛，伴生钒、铬、抗、 镓、钴、镍等元素，按现有保有贮量计算，直接经济价值约为3.4万亿元。钛及其合金由于密度小、强度高、比强度大、耐腐蚀、高低温性能优异等，而广泛应用于航空、航天、航海、化工、军工及民用领域。钒主要用作钢铁的合金化元素，在航空、航天、激光防护、核反应堆、超导、玻璃、陶瓷、医药等领域的应用也日渐广泛。随着科学技术的进步，钒钛在国防军工及民用领域的地位都将越来越重要^{[6 ]}。

3、易开采、难选冶

攀枝花钒钛磁铁矿资源分布集中，矿山水文、工程地质条件较好，大多宜于露天开采。红格、白马、攀枝花三大矿区的矿物成份略有差异，但矿物特性相似，有利于保持生产的稳定和研发工作的延续性。攀枝花矿属高钛型铁矿，矿体范围大，矿石类型为致密块状、浸染状， 典型矿相组成化学成分见表1、表2

表1 攀枝花钒钛磁铁矿的矿物组成

表2攀枝花钒钛磁铁矿原矿的化学成分

攀枝花钒钛磁铁矿石中的钛矿物主要为粒状钛铁矿、钛铁晶石和少量片状钛铁矿。在目前技术水平下，粒状钛铁矿可以单独回收，而钛铁晶石和片状钛铁矿不能单独回收。原矿结构致密，固溶了较高的MgO，因此，选出的铁精矿和钛一精矿品位不高，钛精矿中MgO和CaO含量高，给提取冶金带来一定困难。攀枝花钒钛磁铁矿单独以矿物中的铁、钒、钛计算，都是低品位矿，规模大、品位低，丰而不富。虽大多可以露天开采，但矿石结构复杂，铁钒钛等元素相互共生，钛品位虽然较高，但铁钛致密结合，其工艺矿物学特点决定了仅靠选矿手段难以分离，铁精矿中钛含量高，难以用普通工艺冶炼^{[7 ]}。现有工艺下，钒渣在铁水中提取，钛矿在选铁尾矿中选取，钒钛利用规模取决于钒钛磁铁矿资源的开采规模。攀枝花钛精矿成分稳定、酸溶性好、无放射性，但钙镁含量高，深加工利用技术难度大，这也是资源优势难以转化为经济优势的关键所在。攀枝花钒钛磁铁矿中伴生的抗、镓、铬等有价元素资源储量大，但品位较低，又属多金属共生岩矿，受现有技术条件和开发成本的限制，开发利用难度较大^[8]。

（4）钒钛磁铁矿资源利用现状

1.传统高炉冶炼钒钛磁铁矿流程

在目前处理钒钛磁铁矿的工艺中，高炉炼铁占主导地位。 我国的攀钢、承钢以及国外的俄罗斯邱索夫工厂和下塔吉尔厂均使用此法进行钒钛磁铁矿的冶炼^［9］。高炉法冶炼钒钛磁铁矿一般与提钒转炉相结合，具体而言，就是原矿经选矿后的钒钛磁铁精矿经烧结和球团作业，形成钒钛烧结矿和钒钛球团矿进入高炉冶炼。 高炉过程中钒的氧化物大部分被还原而富集于铁水，钛则以TiO₂的形式进入高炉渣。高炉流程产出的含钒铁水进入转炉提钒，铁水中大部分的钒被氧化进入炉渣中形成含钒炉渣，钒渣经湿法工艺处理，最终成为合格的钒产品。 半钢通过炼钢转炉的进一步吹炼而成为钢水。

2 直接还原

直接还原是指在低于矿石熔化温度下，通过固态还原，把铁矿石炼制成铁的工艺过程。 其产品为直接还原铁（DRI），也称海绵铁。 直接还原铁可代替废钢用作炼钢原料，因此直接还原法后续工段通常是电炉炼钢。

3.回转窑冶炼工艺

回转窑工艺的主要原理是铁精矿与固体燃料（还原剂）与入窑料混合。 窑头装有空气或燃料烧嘴进行供热，沿窑身长度方向安装有不同型式的喷嘴喷入空气和补充燃料，以调整 CO/CO₂比和温度。其目的是将 Fe₂O₃在较低温度下还原成富氏体，在较高温度和较高 CO/CO₂比值下完成还原^[10]。

新西兰钢铁公司和南非海威尔德钢钒公司均采用回转窑直接还原—电炉熔分—提钒工艺，20世纪70~80 年代，我国组织了钒钛磁铁矿钢铁冶炼新流程科技攻关，以期实现铁、钒、钛资源综合回收利用，但由于当时工艺、设备水平和市场条件的限制，没有实现工业化生产^[11]。

4.转底炉冶炼工艺

与其它直接还原方法相比，转底炉冶炼流程的特点有是物料与炉底相对静止不动，可避免还原过程中严重的膨胀粉化和粘结问题。 该工艺还原温度高，达到相同金属化率所需时间短；不仅可以还原高品位铁精矿粉，也可以处理低品位铁矿粉^[12]。我国攀钢研究院刘功国等研究了转底炉直接还原工艺流程，并开展了实验室和工业试验。 全流程铁、钒、钛元素回收率分别达到 90.77%、43.82%和 72.65%^[13]。

5.微波处理钒钛磁铁矿

微波是指频率在 0.3～300 GHz 范围的电磁波，具有可以整体加热物体，且加热速度快、无污染和易于控制等特点。我国在 20 世纪 80 年代开始了微波加热在冶金行业的应用的研究，目前微波加热已用于冶金行业的多个领域^[14]。

6.钒钛磁铁矿钙化焙烧

钙化焙烧反应的实质为低价钒氧化物的氧化并与钙化剂发生反应，生成酸溶性或碱溶性的钒钙盐^[15]。本实验中钒钛磁铁精矿钙化焙烧时，钒在钙化焙烧过程中除了会生成钒酸钙盐，可能还会有Ca、Mn、Fe 的复合钒酸盐相生成。但因为后者复合钒酸盐含量较少，难以确定相关物相和定量检测，故在研究过程中只考虑钒酸钙盐单一物相。钙化焙烧过程大致分为3个阶段：钒矿物的组织结构被破坏；低价钒氧化物氧化生成 V₂O₅；V₂O₅与 Ca SO₄结合，生成钒酸钙 x Ca O·V₂O₅（x=1，2，3）。这 3 种钒酸钙在水中的溶解度都很小，正钒酸钙[Ca₃(VO₄)₂]与焦钒酸钙（Ca₂V₂O₇）溶解度相近，偏钒酸钙[Ca(VO₃)₂] 相对高些， 25 ℃时其溶解性为Ca(VO₃)₂ (0.012 mol/L) Ca₂V₂O₇ (0.0035 mol/L) Ca₃(VO₄)₂ (0.0022 mol/L)。3 种钒酸钙均为酸溶性物质，且在 60℃酸性溶液（p H1.35）中几乎都溶解^[16]。

(5)选矿厂设计的目的：

选矿厂设计的目的是：设计出体现国家工业建设有关方针政策、切合实际、技术设备先进可靠、经济效益好的选矿厂。也就是说，根据矿石特性、选矿试验成果和要求：确定合理的工艺流程；选择适宜的工艺设备；进行合理的设备配置；设计合理的工艺厂房；配备必要的劳动定员。

这几项既是设计的目的，也是设计的任务和主要内容。此外，对综合回收、环境保护、辅助设施、厂房结构等进行精心设计，使选矿厂基建投资发挥最大的效益，并为新建选矿厂生产获得较高的技术经济指标创造良好的条件。

2、基本内容和设计方案

一、选矿厂设计的主要内容

设计一个处理能力为800万t/a钒钛磁铁矿选矿厂，并进行设备选型和计算，按初步设计的内容及深度编写说明书和绘制图纸。

二、选矿厂设计的具体方案

选矿厂设计具体方案分为三部分：

第一部分：计算

（1）选矿工艺流程的计算，完成物料数质量流程及水量平衡计算

（2）破碎车间设备选型计算

（3）磨矿设备选型计算

（4）磁选设备选型计算

（5）脱水、过滤车间设备选型计算

（6）辅助设备的选型计算

第二部分：绘图（CAD作图）

（1）工艺流程图

（2）数质量流程图与矿浆（包括水量）量流程图

（3）设备形象联系图

（4）破碎厂房配置图

（5）半自磨厂房配置图

（6）浓缩厂房配置图

（7）主厂房配置图

（8）总平面布置图

第三部分：设计说明书

设计说明书的编写按：总论、原矿、试验及产品方案、工艺、工程概算等篇章编写。工艺篇主要包括破碎比、作业率、原矿仓、过渡矿仓、及工艺流程计算，工艺设备选型计算，工艺流程说明、设备选型依据、工艺设备配置依据和说明等。