철광석 선광(Beneficiation): 제강용 고품위 원료 확보 기술

철광석 선광 개요

철광석은 채굴·가공 후 철강 생산 원료로 사용됩니다. 주 광물은 Fe₂O₃(헤마타이트, Fe 70%)와 Fe₃O₄(마그네타이트, Fe 72%)입니다. 광석은 보통 불필요한 맥석(gangue)과 혼재합니다. 철광석 품위는 총 Fe 함량으로 판정합니다. 건/습식 선별 후 Fe 62% 이상이면 '천연광(natural ore)' 또는 '직선광(DSO, Direct Shipping Ore)'이라 해 제철 직접 투입 가능합니다. 그 외 광석은 선광·가공 필수입니다.

저품위 철광석 업그레이드 필요성

저품위 철광석은 그대로 제철 불가하므로 맥석 감소·Fe 함량 증대 위해 선광(Iron Ore Beneficiation, IOB) 공정을 거칩니다. 그러나 광산별 고유 광물학적 특성으로 최적 선광·야금 처리가 다릅니다. 효과적 선광을 위해 적절한 파쇄·분쇄·선별 기술 적용이 선행되어야 하며, 맥석 종류와 광석 구조와의 결합 상태에 따라 선광 공정 선택이 달라집니다. 세척, 지깅, 자기 분리, 중력 분리, 부선 등 다양한 기법을 단독/조합 사용해 Fe 함량 증대·맥석 감소를 도모합니다. 특정 철광석 선광 시 파쇄·분쇄·선별·선광 기법을 비용 효율적으로 조합한 플로시트 개발이 핵심입니다. 그림 1은 일반적인 철광석 선광 플랜트 플로시트입니다.

주요 선광 기법

파쇄·분쇄·선별 기술

분쇄·재분쇄 목적은 유가 광물 해리·회수 가능한 입도까지 광석 크기 축소입니다. IOB 플랜트 파쇄·분쇄·선별 시스템은 후속 선광 공정 요구사항 고려해 설계합니다. 파쇄기는 1차~4차까지 구성되며, 조 크러셔, 자이어러토리 크러셔, 콘 크러셔, 롤 크러셔 사용. 반자력 분쇄(SAG)와 자력 분쇄(AG) 회로, 로드 밀과 볼 밀 사용. 분쇄 설비 투자비·운영비 고가이므로 파쇄·분쇄 정도는 경제성 고려해 결정. 광석 가치 농도, 광물학, 경도, 수분 함량도 고려 요소. 폐쇄 회로 분쇄는 극파쇄성 광석(우리 지역 광체 흔함) 과분쇄 최소화. 순환 부하 클수록 입자 과분쇄 적음.

세척 및 습식 스크러빙(Washing and Wet Scrubbing)

덩어리 철광석 처리에 원시적이나 널리 쓰이는 공정. 부서지기 쉽고 부드러운 라테라이트 물질, 미세 물질, 점토질 리모나이트 입자가 광석에 부착된 것 제거. 단단하고 다공성 광석의 공동/기공 충전 점토질 물질 실질적 제거에도 유용.

중력 분리(Gravity Separation)

철 함유 광물이 맥석과 자유로울 때 적용. 유가 광물 비중 > 맥석 비중 이용. 효율은 적정 파쇄·입도 분류로 중력 분리 장비 적정 피드 보장과 슬라임 제거에 크게 의존. 중력 분리 원리 장비/공정 다수 존재. 주요 것들은 다음과 같습니다.

• 중매체 분리(Dense Media Separation, Heavy Media Separation): 조광석(3~50mm) 대상. -300 메쉬 분쇄 페로실리콘 현탁액으로 3.0~3.2 분별 밀도 형성, 맥석 부상 분리. 현탁액은 저강도 자기 분리기(LIMS)로 회수. 피드는 단단·치밀하고 비다공성 맥석이어야 함.
• 중매체 사이클론(Heavy Media Cyclone): 미분광석(0.2~6mm) 대상. 원심력+중력 이용. -325 메쉬 페로실리콘 매체 사용.
• 지깅(Jigging): 맥동 수류로 경질/중질/중간 밀도 분획 분리. 입도 0.5~30mm.
• 스파이럴(Spirals): 박막 유동 분리 장치. 경사면 위 연속 중력 층류 유동. 1차 유동(중력 방향 슬러리 하강), 2차 유동(트로프 횡방향). 상층 고밀도 입자 중심에서 멀어지고, 하층 고밀도 입자 중심으로 이동. 세척수 다점 공급으로 경질 맥석 이송. 세척수량·분포 조절로 운전 조건 맞춤. 포인트 제어로 총 용수량 최소화. 피드 입도 0.3~1mm, 펄프 농도 25~30% 고형분.
• 테이블(Tables): 철광석 중력 처리에 광범위 적용. 정광·스캐벤징 회로용. 피드 입도 0.3~1mm, 펄프 농도 25~30%.
• 다중 중력 농축기(Multi-gravity Concentrator): 개발 단계. 미립/극미립 철광석 처리. 슬라임/테일링서 유가 회수용.
• 사이클론(Cyclones): 수력 사이클론, 스텁 사이클론, 중매체 사이클론 등 다양. 저비용, 구조 단순. 주요 부품: 사이클론 직경, 입구 노즐, 보텍스 파인더, 원통부, 원뿔부. 기하학적 관계(직경, 입구 면적, 보텍스 파인더, 아펙스 오리피스, 체류 시간 확보 길이) 중요. 피드 유입 시 슬러리 회전→원심력→입자 외벽 가속 이동. 입자 나선형 하향 이동→원통부→원뿔부. 소질량 입자 중심 나선 상승→보텍스 파인더→오버플로 파이프 배출(오버플로, 미립자+대부분 수분, 대기압 근방 배출). 대질량 입자 벽면 나선 하향→아펙스 오리피스 배출(언더플로, 대기압 근방 배출).

자기 분리(Magnetic Separation)

자기적 성질 차이 이용해 철광석-비자성 맥석 분리. 건식/습식 모두 가능하나 습식 일반적. 자기장 강도에 따라 저강도/고강도 구분.

• 저강도 자기 분리(LIMS): 1,000~3,000 가우스. 마그네타이트 광석에 저비용·고효율로 적용.
• 고강도 자기 분리: 20,000 가우스까지. 약자성 철광석(헤마타이트 등) 비자성/저자성 맥석서 분리.

입자 크기, 슬러리 고형분 함량도 분리기 선정에 중요. 통상 3단계: ①코블링(Cobbling) ②정광/조광(Cleaning/Roughing) ③피니싱(Finishing). 각 단계 다수 드럼 직렬로 효율 향상. 후속 단계는 전단계 과대 입자 제거로 더 미세 입자 대상. 코블러는 대입자 대상, 피드 상당 부분 테일링으로 배출.

주요 자기 분리 기술:

• 습식/건식 저강도 자기 분리(LIMS)
• 고기울기 자기 분리(HGMS)
• 습식 고강도 자기 분리(WHIMS)
• 약자성 광석용 롤 자기 분리기
• 건식 광석 농축용 유도 롤 자기 분리(IRMS)

부선 공정(Flotation Process)

화학 시약으로 목표 광물 입자가 기포에 선택 부착되게 하는 기술. 시약이 목표 광물에 선택적 반응해 실현. 성공 요인: 입도 균일성, 광물 호환 시약, 시약-광물/기포 부착 방해 않는 수질 조건.

현재 부선은 주로 자기 분리 정광 추가 업그레이드용. 단독 선광법으론 드물게 사용. 주요 시약 3군: ①콜렉터/아민 ②포서 ③소포제. 고체, 비혼합성 액체 에멀전, 수용액 등 다양한 형태 첨가. 시약 농도 컨디셔닝 중 엄격 제어 필요(과량 시 반응 지연·효율 저하). 컨디셔닝 영향 요소: 시약 펄프 내 완전 혼합·분산, 시약-전체 관련 광석 입자 반복 접촉, 시약-광석 입자 접촉·반응 시간 확보.