철광석 완벽 가이드: 종류, 분포 및 채굴 방식

철광석의 이해와 채광

철(Fe)은 지구 지각에 풍부하고 널리 분포된 원소로, 퇴적암에서 평균 2~3%, 현무암과 반려암에서는 8.5%를 차지합니다. 철의 공급은 전 세계 거의 모든 지역에서 사실상 무한합니다.

그러나 이 철의 대부분은 현재의 제철 공정에서 사용할 수 있는 형태가 아닙니다. 따라서 지구 지각의 총 철 중에서 철강 산업이 경제적·공간적으로 이용할 수 있는 부분만이 정확하게 철광석이라 부를 수 있습니다. 하지만 무엇이 철광석을 구성하는지는 장소와 시기에 따라 크게 다릅니다. 철 함유 광물이 철광석으로 분류될 수 있는지를 결정하는 요소는 많지만, 기본적으로 경제성의 문제입니다. 이 개념을 바탕으로 철광석의 상업적 정의를 내리면 '특정 장소와 시기에 당시의 비용 및 시장 가격 조건 하에서 경제적으로 이용 가능한 철 함유 물질'이 됩니다.

철이 많은 지역에 존재하기 때문에 상대적으로 가치가 낮아, 광상이 광석 등급으로 간주되려면 높은 Fe 함량을 가져야 합니다. 선광, 농축, 응집 기술이 향상되면서 이제 이용 가능한 철 함유 물질의 종류가 확대되었고, 한때 비경제적이었던 저품위 원료들도 철광석으로 간주되고 있습니다. 일반적으로 Fe 25% 이상을 함유해야 경제적 채굴이 가능합니다.

300종 이상의 광물이 철을 함유하지만, 철광석의 주요 공급원은 다음 다섯 광물입니다. ① 자철석(Fe₃O₄), ② 적철석(Fe₂O₃), ③ 괴철석(Fe₂O₃·H₂O), ④ 시데라이트(FeCO₃), ⑤ 황철석(FeS₂). 앞의 세 가지는 대규모 경제적 채굴 광상에서 발견되므로 가장 중요합니다. 그러나 전 세계적으로 채굴되는 철광석의 대부분은 자철석과 적철석 두 종류에 속합니다.

적철석(Hematite)

화학 조성 Fe₂O₃, 철 69.94%, 산소 30.06%. 색상은 강철 회색에서 둔한 적색 또는 선홍색까지 다양하며, 토상·치밀·결정질 형태로 나타납니다. 비중 5.26. 주요 변종으로는 결정질, 거울광, 마르타이트(자철석의 가상형), 마그헤마이트(자성 산화철), 토상, 오커, 치밀형 등이 있습니다. 적철석은 가장 중요한 철광석 중 하나로, 다양한 암석 유형에서 광범위하게 산출되며 기원이 다양합니다. 맥상 퇴적물, 화성암, 변성암, 퇴적암과 연관되어 나타나며, 자철석의 풍화 생성물로도 생성됩니다. 저품위 치밀 결정질 적철석 일부는 중력 및 부유 선광으로 고품질 정광을 생산하는 데 성공했습니다.

자철석(Magnetite)

화학 조성 Fe₃O₄, 철 72.36%, 산소 27.64%. 색상 암회색~흑색, 비중 5.16~5.18. 강하게 자성을 띠며 때로는 극성을 가져 천연 자석 역할을 합니다. 화성암, 변성암, 퇴적암에서 산출됩니다. 자철석의 자성은 자기 탐사 및 맥석 물질로부터 자철석을 자기 분리하여 고품질 정광을 얻는 데 중요합니다. 자기 농축 기술의 지속적 개선과 고품위 제품의 확대 사용으로 자철석의 중요성이 커지고 있습니다.

철광석 채광

채광(추출), 선광, 가공을 통해 철과 강철을 얻습니다. 채광은 광상에서 광석 물질을 제거하는 것으로, 선광 이전의 모든 활동을 포함합니다. 고품위 철광석(Fe 62% 이상)은 단순히 파쇄·선별 후 제철로(예: 고로)로 직접 출하됩니다. 저품위 철광석은 파쇄·선별·세척 외에 Fe 함량을 높이기 위한 선광 공정이 필요합니다. 경쟁력을 갖추려면 철광석 채광은 대규모로 이루어져야 합니다. 주로 두 가지 채굴 방식이 사용됩니다. ① 표천 채굴, ② 지하/갱도 채굴.

지표 채굴과 지하 채굴 선택은 광체의 지표 근접 여부에 따라 결정됩니다. 전 세계 철광석의 대다수는 표천 채굴로만 생산됩니다. 그러나 일부 지하 철광산도 운영 중입니다. 표천 광상에서 철광석을 채굴하는 두 가지 기본 표천 채굴법은 노천굴(open pit)과 노천굴(open cut) 방식입니다. 세계 대부분의 대형 철광산은 노천굴 방식으로 운영됩니다.

채광 장비 및 자원

철광석 채광에는 막대한 자원이 필요합니다. 대형 산업용 채광 장비와 숙련된 인력이 포함됩니다. 장비로는 불도저, 스크레이퍼, 운반 트럭(대형 운반차), 덤퍼, 프론트엔드 로더, 유압 굴착기, 유압/전기 삽(스트리핑 삽, 적재 삽), 드래그라인, 버킷휠 굴착기, 준설선, 살수차, 천공기(다이아몬드 비트 회전 드릴), 중량 컨베이어 등이 있습니다. 이외에도 파쇄기와 스크린 등 관련 설비가 필요합니다.

계획 및 개발

철광석 채광은 광상 발견부터 채굴, 최종적으로 토지 복원까지 여러 단계로 이루어집니다. 첫 단계는 탐사·탐광을 통한 철광석 광상 발견으로, 광체의 범위·위치·가치를 정의합니다. 이어 수학적 자원 추정을 통해 매장량과 품위를 산출합니다.

채광은 지표에서 시작됩니다. 수 미터 간격의 그리드상으로 다이아몬드 코어 시추를 통해 광석을 확인합니다. 철광석 암석은 상당량의 철과 알루미나, 실리카 등 불순물로 구성됩니다. 시료를 분석·분류하여 채광 엔지니어가 채광 계획을 수립합니다.

광산 개발에는 경제적 채굴 가능 부분 평가, 광석의 야금적 특성, 회수율, 엔지니어링 문제, 파쇄, 인프라 요구 사항 등을 포함한 채광 계획이 포함됩니다. 경제적 채굴 가능 비율은 해당 지역의 광석 농집 계수에 따라 달라집니다.

광물 광상에 접근하려면 종종 당장 관심 밖인 폐석(웨이스트)을 채굴하거나 제거해야 합니다. 광석과 폐석의 총 이동량이 채광 공정을 구성합니다. 광체 성격과 위치에 따라 광석보다 폐석 채굴량이 더 많을 수 있습니다. 폐석 제거와 배치는 채광 운영의 주요 비용입니다.

철광석 광상의 일반적인 발생 상태, 크기, 형태는 탐사 단계에서 결정됩니다. 개발 작업을 통해 더 상세한 정보가 확보됩니다. 광산 개발 시 광석 분포와 가용성에 영향을 미치는 지질 구조의 위치와 성격을 자세히 파악해야 하는 경우가 많습니다.

충분한 상세 정보를 얻으면 지도와 단면도를 이용해 다양한 운영 계획을 연구합니다. 여기에는 광체 크기·형태, 광석 조성, 실험실 시험 결과가 표시됩니다. 이러한 그래픽 표현을 통해 체적·중량 계수를 적용해 광석과 폐석 물량을 산출합니다. 컴퓨터는 매장량 추정과 상세 채광 계획 수립에 널리 사용됩니다. 이를 통해 다양한 채광 방식과 계획을 비교 평가하여 각 광상에 가장 유리한 계획을 결정하고 채광 일정을 수립합니다.

따라서 목표 품위에 근접한 일정한 조성의 철광석을 지속적으로 생산할 수 있도록 채광 생산을 계획해야 합니다. 이 필요성이 탐사 유망 광상을 실행 가능한 채광 프로젝트로 발전시키는 동력이 됩니다. 광체 조성은 채광 전에만 조잡하게 시료 채취할 수 있고, 경제·금융 조건은 변동이 심하므로 어떤 채광 계획도 잠정적일 뿐이며, 채광 과정에서 광체가 점진적으로 드러나면서 새로운 지식이 생기면 수정해야 합니다.

채광이 시작된 후에도 광산 개발과 계획은 멈추지 않습니다. 채굴이 진행되면서 더 많은 시추공이 광체 부피 전반에 분포하여 새로운 분석 자료가 생성되므로, 변화하는 조건에 대응해야 합니다.

노천굴 광산의 계획·개발·운영은 보통 직사각형 블록 모델을 기반으로 합니다. 이 모델은 최소 채굴 단위에 해당하는 치수(예: 수평 50m × 수직 10m)의 직사각형 블록 집합으로 구성됩니다. 각 블록마다 품위(철 및 알루미나, 실리카, 인 등 오염물질)가 추정됩니다.

블록 모델은 진화하고 적응하는 정보 시스템입니다. 초기에는 탐사 시추 시료 데이터의 보간을 기반으로 합니다. 개발 및 운영 과정에서 심도 시추, 발파공 데이터, 파쇄·분석된 채굴 광석의 분석값으로 지속적으로 갱신됩니다. 모든 운영 단계에서 채광 순서와 선정 결정은 현재 이용 가능한 불완전한 블록 모델 정보를 바탕으로 목표 품위 허용 오차 내의 선적용 광석을 생산하도록 내려집니다.

노천굴 채광

표천 채굴법은 지표 광상에서 광석을 채굴하도록 설계되었습니다. 광상은 때로는 불과 몇 미터 두께의 표토층을 벗겨내 노출시킵니다. 제거해야 할 이 물질을 '과부하(overburden)'라 부릅니다. 과부하는 비고결 물질, 암석, 점토, 자갈, 저품위 광석 등으로 구성됩니다. 노천굴 채굴 깊이는 광석 품위, 과부하 성격, 박리비에 따라 달라집니다. 박리비는 채굴된 광석 단위당 처리해야 할 과부하와 폐석의 양입니다. 채굴된 조광석 단위당 제거해야 할 과부하 단위로 표현됩니다. 박리비는 채굴 광석 품질과 선광·수송 관련 비용 요인에 따라 증가합니다.

경제적 박리비는 광산마다 여러 요인에 따라 크게 다릅니다. 직접 출하 광석의 경우 6:1 또는 7:1까지 높을 수 있습니다. 저품위 광석의 경우 1.5:1 미만이 경제적 한계로 간주되는 경우가 많습니다.

철광석 채굴을 위해서는 먼저 과부하를 벗겨내 채굴 구역을 노출시켜야 합니다. 과부하는 대형 유압 삽으로 생산 트럭에 적재되어 윤곽 덤프장으로 운반됩니다. 이 덤프장은 주변 환경과 조화를 이루도록 설계됩니다.

노천굴 채굴에서 과부하 제거는 갱벽을 깎아내어 바닥의 광석을 회수할 수 있도록 갱을 깊게 하는 과정에서 광산 수명의 상당 기간 동안 계속될 수 있습니다. 비고결 물질은 현지 조건에 따라 파워 쇼벨, 드래그라인, 파워 스크레이퍼로 굴착합니다. 기타 물질은 일반적으로 파워 쇼벨로 굴착합니다.

광석은 계단(벤치)을 따라 점진적으로 채굴되는 대형 노천굴에서 채취됩니다. 벤치는 상부 광석이 제거됨에 따라 점점 더 깊은 광석에 접근할 수 있게 해줍니다. 표토와 덮개 암석을 제거한 후 광석을 천공·발파합니다. 발파 목적은 채굴을 위해 광체를 노출시키거나, 광체에 접근할 수 있는 갱도(수평 통로)를 만들거나, 광석을 파쇄하는 것입니다.

천공·발파는 고결 물질을 채광 장비와 파쇄·선별 설비가 처리할 수 있는 크기로 파쇄하기 위해 수행됩니다. 또한 파워 쇼벨 앞의 광석 벙커를 느슨하게 하여 적재 효율을 높이기 위해 수행되기도 합니다.

제거할 광체 부분은 특정 패턴으로 먼저 천공합니다. 대형 기계식 천공 장비로 천공합니다. 천공 작업의 주 목적은 발파를 위해 폭약을 장전할 적절한 직경, 깊이, 방향의 구멍을 암반에 만드는 것입니다. 일반적으로 발파공 직경 400mm, 깊이 10~12m이며, 한 발파 패턴에 약 400공이 천공됩니다.

발파 전 천공공에 폭약 혼합물을 장전합니다. 광산 발파용 폭약의 주요 요구 사항은 외부 산소 공급 없이 완전 연소하는 능력입니다. 과거에는 니트로글리세린, 탄소질 물질, 산화제로 구성되었으나, 현재 가장 흔한 폭약은 질산암모늄 비료와 연료유의 혼합물(ANFO)입니다. 폭약은 고폭발 뇌관과/또는 프라이머로 기폭됩니다. 경우에 따라 에멀젼 또는 젤 폭약 카트리지를 사용하기도 합니다.

준비가 완료되면 작업자와 장비를 현장에서 철수시키고 발파를 실행합니다. 각 구멍은 불과 몇 밀리초 간격으로 기폭되어 2m × 2m 이하 크기로 파쇄된 조철광석 더미가 생성됩니다. 천공, 발파, 광석 제거로 생긴 넓은 구멍을 '노천굴(open pits)'이라 부릅니다.

발파 후 파쇄된 광석을 '광산 원광(Run-of-Mine, ROM)'이라 합니다. ROM 광석은 대형 전기 쇼벨, 유압 굴착기, 프론트엔드 로더로 대용량 덤프 트럭에 적재되어 파쇄·선별장으로 운반됩니다.

파쇄 및 선별

상품 등급의 철광석은 고로 장입 전 적절한 크기로 선별되어야 합니다. 현 고로 기술은 일반적으로 직접 장입 덩어리 광석의 경우 10mm 미만, 30mm 초과 크기를 요구합니다. 구체적 크기는 광석 특성에 따라 결정되며, 높은 투과도 유지와 조대 물질의 환원 시간 확보를 위해 지정됩니다. 따라서 파쇄·선별은 광산 생산 설비의 필수 공정입니다.

많은 광산에서 2~3단계 파쇄를 수행합니다. 일부 광산은 1차 파쇄기를 광산 내에 두고 컨베이어로 2·3차 파쇄기나 바로 제련소로 이송합니다. 파쇄 단계를 거치며 1차에서 수 피트 직경이던 광석이 최종 제품으로 6인치에서 1/2~3/8인치까지 줄어듭니다. 파쇄기 제품은 제분 공정으로 이송되어 추가 입도 조정을 거칩니다.

파쇄는 일반적으로 1차 조 크러셔와 진동 스크린과 폐회로로 운전되는 2차 크러셔로 이루어집니다. 장비 선택은 주로 광석의 파쇄성에 따라 결정됩니다. 고품위 광석의 선별 작업은 대부분 건식으로 수행되나, 미분 분율이 탈니로 효과적으로 업그레이드될 수 있는 경우는 예외입니다.

파쇄·선별로 생성된 10mm 미만 미분은 주로 소결로 응집하거나, 때로는 펠렛화를 위해 분쇄됩니다.

개별 광산의 채광 프로그램은 균일한 제품을 생산하도록 개발됩니다. 대부분의 적재·출하 시스템에는 여러 취급 단계가 있지만, 크기 일관성과 화학 기준이 모두 지정되는 경우 특히 강철 공장이 요구하는 품질 보증 기준을 충족할 만큼 충분한 혼합을 제공하지 못하는 경우가 많습니다. 정교한 혼합·출하 설비가 이제 철광산에 거의 보편적으로 갖춰져 있습니다.

적재·회수 시스템이 자주 사용됩니다. 적재 과정에서 철광석이 층을 이루며 쌓입니다. 각 층은 인접 층과 크기 일관성이나 화학 조성이 다를 수 있습니다. 길쭉한 파일은 적재 기계의 적재 능력 한계까지 높게 쌓입니다. 이후 버킷휠 굴착기, 프론트엔드 로더, 스크레이퍼 크로스 컨베이어 등으로 회수하여 사용합니다. 파일 표면에서 광석을 제거하면 모든 층의 광석이 균일하게 혼합된 물질 흐름이 생성됩니다. 혼합된 광석은 고객에게 출하됩니다.

채광의 여러 단계는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 철광석 노천굴 채광 단계

환경 이슈

노천굴 채광으로 발생하는 물질에는 과부하, 폐석, 광산수가 포함됩니다. 기타 폐기물로는 채굴 중 유출된 소량의 오일과 그리스가 있습니다. 광산수에는 광체 자체에서 발견되는 것과 유사한 용해·부유 성분이 포함되며, 알루미늄, 안티모니, 비소, 베릴륨, 카드뮴, 크롬, 구리, 망간, 니켈, 셀레늄, 은, 황, 티타늄, 아연 등의 미량 원소가 포함될 수 있습니다.

물은 철광석 채광 작업에서 다양한 문제를 일으킵니다. 산정 채굴이나 사막 조건 채굴 같은 드문 경우를 제외하고, 물은 수미, 우물, 지하 갱도에서 집수되어 광산 밖으로 퍼 올려야 합니다. 이러한 배수는 농축 작업의 물 손실을 보충하는 데 직접 활용되기도 합니다.