철광석 선광: 핵심 공정 및 기술

철광석 선광 공정

철은 지구 지각에 풍부한 원소로, 퇴적암에서 2~3%, 현무암·반려암에서 8.5%를 차지합니다. 철이 많은 지역에 분포하므로 상대적으로 가치가 낮아, 광상이 광석 등급이 되려면 높은 금속 함량이 필요합니다. 일반적으로 Fe 25% 이상이어야 경제적 채굴이 가능합니다.

300종 이상의 광물이 철을 함유하지만 주요 철광석 공급원은 ① 자철석(Fe₃O₄), ② 적철석(Fe₂O₃), ③ 괴철석(Fe₂O₃·H₂O), ④ 시데라이트(FeCO₃), ⑤ 황철석(FeS₂) 다섯 광물입니다. 철광석 채광에는 천공, 발파, 파쇄, 선별, 혼합 공정이 포함됩니다.

파쇄·선별은 광산 생산 설비의 필수 공정입니다. 파쇄는 보통 1차 크러셔와 진동 스크린과 폐회로로 운전되는 2차 크러셔로 이루어집니다. 장비 선택은 광석의 파쇄성에 크게 좌우됩니다. 고품위 광석의 선별은 대부분 건식이나, 미분 분율이 탈니로 효과적으로 업그레이드될 수 있는 경우는 예외입니다.

철광석 등급 분류

철광석은 보통 세 범주로 나뉩니다. ① 직접 출하(고품위) 광석: 제철로에 직접 장입할 만큼 충분한 철을 함유하며 파쇄·선별·혼합만 필요. ② 고품위 광석 주변에 산출되는 저품위 상업 광석: 고품위 광석과 동시에 채굴 가능하며 세척으로 철 함량을 약간 높이는 정도. ③ 저품위 광석: 광범위한 파쇄·분쇄·농축을 거쳐 허용 가능한 정광을 생산. 이 세 범주에 속하는 철광석은 전혀 다른 가공 요건을 가집니다. 균일 제품을 얻기 위해 서로 다른 품위·조성·크기의 광석을 보통 혼합합니다.

'선광(beneficiation)'이란 철광석의 화학적·물리적·야금적 특성을 개선하여 제철로에 더 바람직한 원료로 만드는 모든 방법을 포괄합니다. 파쇄·분쇄, 세척, 여과, 선별, 입도 분류, 중력 농축, 자기 분리, 부유 선광, 응집 등이 포함됩니다. 선광 결과 두 산물, 즉 ① 정광(concentrate)과 ② 폐미(tailing, 폐기물)가 생성됩니다.

파쇄 및 분쇄

선광은 채굴 광석의 파쇄·분쇄와 습식/건식 분류로 시작하여 후속 공정을 위한 철 함량 향상 준비를 합니다. 파쇄·분쇄는 다단계 공정으로 건식 또는 습식 원료를 사용할 수 있습니다. 광석 경도에 따라 2~4단계 파쇄로 ROM 광석을 요구 입도로 줄입니다. 1·2차 파쇄는 일반적으로 자이로 크러셔나 콘 크러셔로 수행합니다. 조 크러셔는 광석이 예외적으로 연하지 않는 한 1차 파쇄기로는 용량과 내구성이 부족합니다. 3차 파쇄로 최대 25mm 입도를 만들며, 보통 쇼트헤드 크러셔를 스크린과 폐회로로 운전합니다. 일반적으로 1차 파쇄, 2차 파쇄, 선별은 광산 현장에서 이루어집니다.

파쇄·분쇄의 자본 투자와 운영 비용은 상당하므로, 경제성이 장비 사용과 파쇄·분쇄 정도 결정에 중요한 역할을 합니다. 기타 중요 요소로는 광석의 가치 농도, 광물학, 경도, 수분 함량 등이 있습니다.

초기 파쇄 후 미분쇄로 광석 입자를 325메시(0.44μm) 수준의 미세 분말까지 줄입니다. 분쇄 회로 선택은 분쇄할 광석의 밀도와 경도에 기반합니다. 봉밀·볼밀 분쇄가 일반적이지만, 일부 설비는 자력·반자력 분쇄 시스템을 사용합니다. 자력 분쇄는 광석 자체의 거친 조각을 분쇄 매체로 사용합니다. 반자력 분쇄는 금속 볼/봉으로 광석 조각의 분쇄 작용을 보완합니다. 자력 분쇄는 약간 시멘트화된, 일부 단단한 물질을 포함한 광석에 가장 적합합니다. 자본·노동 집약도가 낮다는 장점이 있습니다. 반자력 분쇄는 2차 파쇄 회로가 필요 없습니다. 기존 분쇄기의 주요 유지비인 봉·볼 마모도 이 방식에서 사라집니다.

봉밀은 보통 -35mm 투입물을 -3메시까지 분쇄하도록 설계됩니다. 길이-직경 비 1.5~2.0의 회전 밀입니다. 분쇄 매체는 직경 100mm까지의 강봉입니다. 고형분 68~80%로 습식 분쇄합니다. 제품 크기는 투입 속도, 봉 충전 특성, 밀 회전 속도, 슬러리 밀도·점도로 제어합니다.

볼밀은 철광석 미분쇄의 주된 수단입니다. 봉밀과 같은 회전 밀이나 길이-직경 비가 1.5 이하로 더 작습니다. 분쇄 매체는 강봉 대신 강구입니다. 분쇄 효율은 분류 효율과 밀 속도, 매체 충전, 슬러리 밀도·점도 등 운전 파라미터에 크게 영향을 받습니다.

자갈밀도 미분쇄에 사용됩니다. 강구 대신 25~100mm 자갈을 충전합니다. 강 분쇄 매체가 필요 없고 밀 라이너 마모가 줄어드는 것이 장점이나, 보통 동력 소모가 높습니다.

각 분쇄 단위 조작 사이에 하이드로사이클론을 사용하여 조립 입자를 분류합니다. 조립 입자는 분쇄기로 재순환되어 추가 크기 축소를 거칩니다. 슬러리 형태의 분쇄 광석은 다음 선광 단계로 이송됩니다. 분쇄 광석이 부유 선광용인 경우 공정용 화학 시약을 이 단계에서 슬러리에 첨가합니다.

부유 선광(Flotation)

부유 선광은 미세(-100메시) 철광석 농축에 효과적입니다. 미세 분쇄된 철광석 수현탁액에 특정 시약을 첨가하면 산화철 광물이나 맥석 입자가 공기에 대한 친화성을 선택적으로 나타냅니다. 이 친화성을 가진 광물은 기포에 부착하여 현탁액을 통과한 후 거품 제품으로 분리·제거됩니다. 부유 선광 성공의 중요 요소로는 입도 균일성, 광석과 호환되는 시약 사용, 시약-광석 또는 시약-기포 부착을 방해하지 않는 수질 조건이 있습니다.

부유 선광에 일반적으로 사용되는 네 가지 화학 시약 유형:

• 포집제/아민: 공기에 대한 선택적 친화성을 유도하는 시약. 고체 입자와 기포 간 부착을 유도.
• 기포제: 안정적인 기포/거품 형성을 유도하는 물질. 표면 장력을 낮춰 기포를 안정화, 셀 상부에서 유가 물질을 스키밍 수집 가능하게 함.
• 소포제: 부유 셀 내 입자 표면과 반응하여 물질이 거품에 남지 않게 하고 바닥으로 침전시켜 폐미로 배출.
• 기타 물질: pH 조정, 분산·응집 개선 등 제어 목적의 첨가제로 변성제, 분산제, 억제제 등이 있음.

화학 시약으로 광석을 조제할 때 중요한 요소로는 펄프 내 시약의 철저한 혼합·분산, 시약과 모든 관련 광석 입자 간의 반복 접촉, 시약-광석 입자 접촉이 원하는 반응을 일으킬 수 있는 시간 확보가 있습니다.

시약은 고체, 비혼화성 액체, 에멀젼, 수용액 등 여러 형태로 첨가할 수 있습니다. 시약 농도는 조제 과정에서 엄격히 제어됩니다. 필요 이상 시약을 첨가하면 반응이 지연되고 효율이 떨어집니다.

최근 추세는 더 크고 에너지 효율적인 부유 셀 개발로 향하고 있습니다. 분쇄 광석, 부유 시약, 물을 포함한 펄프를 부유 셀에 공급합니다. 일반적으로 조선(rougher)~정선(scavenger)까지 10~14개 셀을 직렬 배치합니다. 조선은 철 함유 금속 광물(유가물)을 맥석에서 조대 분리합니다. 정선은 펄프에 남은 소량 유가물을 회수합니다. 펄프는 유가물이 제거되면서 조선 셀에서 정선 셀로 이동합니다. 조선·정선 셀의 거품에서 회수된 정광은 정제 셀로 보내 최종 철 함유 금속 광물 정광을 생산합니다.

부유 포집제는 크게 ① 음이온성, ② 양이온성 두 유형으로 나뉩니다. 음이온 포집제는 용액에서 이온화되어 활성종(양전하 광물 표면에 부착하는 것)이 음전하를 띱니다. 반면 양이온 포집제의 활성 이온종은 양전하를 띱니다.

음이온 부유의 주 용도는 철 함유 광물을 맥석에서 분리 부유시키는 것입니다. 가장 흔한 포집제는 지방산이나 석유술포네이트입니다. 연료유를 포집제와 함께 첨가하여 약 10μm 이하 미세 산화철 입자 회수를 촉진하기도 합니다. 반대로 양이온 부유는 미세 분쇄 조광석에서 맥석을 부유 분리하거나 일부 정광에서 소량 맥석을 제거하는 데 사용합니다. 양이온 포집제는 주로 지방족 아민/디아민, 베타-아민, 에테르 아민 등을 아세테이트 형태로 사용합니다.

부유 셀 폐기물은 폐미 오버플로 위어에서 회수합니다. 거품 등급에 따라 추가 철 단위 회수를 위해 재순환하거나 폐미로 배출합니다. 폐미에는 잔류 맥석, 미회수 철 광물, 화학 시약, 공정 폐수가 포함됩니다. 일반적으로 폐미는 농축기를 거쳐 폐미 댐으로 이송됩니다. 슬러리 고형분 함량은 30~60% 범위입니다. 농축 후 폐미는 댐으로 펌핑되고 고형물은 추가 선광을 위해 재활용되며, 맑은 물은 파쇄·분쇄 공정으로 돌아갑니다. 폐미 댐에서 고형물이 현탁액에서 침전되고 액체 성분은 분쇄기로 재순환됩니다. 부유 선광용 화학 시약은 일반적으로 폐미 입자에 부착되어 폐미 댐에 남습니다.

농축/여과

농축기는 슬러리 정광과 폐슬러리(폐미)에서 대부분의 액체를 제거하는 데 사용됩니다. 농축 기술은 철광석 생산의 두 단계에서 주로 사용됩니다. ① 정광 농축으로 수분 함량 감소 및 물 회수, ② 슬러리 폐미 농축으로 물 회수. 설비는 보통 여러 농축기를 동시에 운영합니다.

철광석 조업에서는 보통 갈퀴 장치를 갖춘 연속 농축기를 사용하여 고형물을 제거합니다. 농축기에는 여러 형태의 갈퀴가 사용됩니다. 정광 농축 시 농축기 언더플로(정광)를 모아 세라믹 디스크 진공 여과기로 추가 처리합니다. 여과기는 정광 잔여 수분의 대부분을 제거합니다. 농축 과정에서 제거된 액체 성분에는 부유 시약, 용해·부유 광물 생성물이 포함될 수 있습니다. 이 액체는 보통 저장조로 재순환되어 분쇄기에서 재사용됩니다. 정광 농축 시 이들 조작에서 나온 고체 물질은 응집 및 후속 가공을 위한 최종 정광으로 회수됩니다. 농축된 폐미는 폐미 댐으로 배출됩니다.

중력 농축

중력 농축은 적철석 철광석 선광에 널리 사용됩니다. 이 기술은 비중이 가벼운 맥석을 무거운 유가 광물로부터 현탁·수송하여 분리합니다. 분리 공정은 주로 물질 간 비중 차이와 분리 대상 입자 크기 차이에 기반합니다. 입자 크기가 다르면 밀도 차이에도 불구하고 유가 광물이 맥석(폐미)과 함께 제거될 수 있습니다. 이 잠재적 문제 때문에 분류기(스크린, 하이드로사이클론 등)를 사용해 입자 크기를 균일하게 유지해야 합니다. 철광석에 역사적으로 사용된 세 가지 중력 분리법: ① 세척, ② 지깅, ③ 중매체 분리. 나선형 분류기와 라이허트 콘도 중력 분리법입니다.

중력 농축 폐기물은 조립·미립 맥석 입자와 공정수로 구성된 폐미입니다. 이 물질은 슬러리 형태로 폐미 연못으로 펌핑됩니다. 슬러리 고형분 함량은 조업마다 다르며 30~60% 범위입니다. 폐미 연못에서 고형물 분리 후 폐미수는 재활용하거나 방류합니다.

세척(Washing)

세척은 가장 간단한 철광석 농축 공정으로, 철 함유 광물의 높은 비중과 상대적으로 조대한 입도를 이용해 더 미세하고 가벼운 규산질 맥석(주로 석영과 점토 광물)으로부터 분리합니다. 광석은 1~2단계 파쇄로 50mm 미만으로 준비되어 로그 와셔로 공급됩니다. 패들(최신 퍼그밀과 유사)의 격렬한 교반과 역류수가 미세 실리카를 효율적으로 분쇄·제거하여 조대 철 풍부 잔여물을 남깁니다. 로그 와셔 오버플로는 레이크나 나선 분류기에서 재처리되어 추가 미세 철을 회수하기도 합니다. 일부 세척 플랜트는 끈적한 점토 맥석이 적은 광석에 로그 와셔 없이 1~2단계 나선 분류기만 사용하기도 합니다. 방해 침강 분류기도 미세 철 회수에 가끔 사용됩니다.

지깅(Jigging)

지깅은 단순 세척보다 복잡한 선광법으로, 맥석 풍부 층을 깨기 위해 파쇄가 필요한 더 단단한 광석에 사용됩니다. 철광석 선광용 지그는 기본적으로 150~250mm 깊이의 광석 층을 실은 수평 스크린입니다. 광석은 한 쪽 끝에서 투입되고, 물의 맥동 작용(진동 펌프 또는 지그 스크린 자체의 상하 운동)으로 성층됩니다. 광석이 데크를 따라 이동하면서 맥동에 의해 가벼운 입자가 층 상부로, 무거운 철 풍부 입자가 바닥으로 분리됩니다. 두 산물은 지그 끝에서 분리됩니다. 가벼운 입자는 배출 위어 위로, 철광석 정광은 바닥으로 배출됩니다. 철광석 지그는 1mm~25mm 입자에서 가장 잘 작동합니다.

중매체 분리(Heavy Media Separation)

중매체 분리 장치는 1950년대 지깅보다 더 효과적인 철광석 업그레이드 대안으로 개발되었습니다. 싱크-플로트 원리로 작동합니다. 미세(-200메시) 페로실리콘을 물에 현탁시켜 비중 약 3.0의 유체 매체를 만듭니다. 비중 ~2.6의 규산 풍부 입자는 표면에 뜨고, 비중 4.0 이상인 조대하고 무거운 철광석 입자는 바닥으로 가라앉습니다. 조대 광석 농축용 통상 매체는 15% Si, 85% Fe의 페로실리콘입니다. 미세 분쇄 페로실리콘 64~85%를 함유한 수현탁액의 비중은 2.2~3.6 범위입니다.

조대 광석(+9mm) 분리조로는 나선 분류기, 레이크 분류기, 회전 드럼이 흔히 쓰입니다. 9mm 미만 3mm 초과 광석은 중매체 사이클론에서 분리 가능하며, 높은 원심력으로 무거운 철광석 입자 침강을 가속화합니다. 사이클론 분리용 중매체로는 미세 분쇄 자철석을 사용합니다. 사이클론 역학이 자철석의 낮은 비중에도 불구하고 필요한 밀도와 매체 유동성을 생성합니다. 또한 자철석 비용이 분쇄 페로실리콘보다 훨씬 저렴합니다.

매체(페로실리콘, 자철석)는 싱크/플로트 제품에서 세척 트로프와 물 분무가 장착된 미세 스크린으로 세척 제거하고, 세척수에서 자기 분리기로 회수해 재활용합니다.

나선형 분류기(Spirals)

나선형 분류기는 원래 해변 모래 처리를 위해 개발되었으나, 철광석 농축에서 -6메시(3.36mm)~100메시(0.149mm) 광석 처리에 사용됩니다. 100메시 이하에서는 효율이 급격히 떨어지며 더 미세한 물질에는 비효과적입니다. 보통 펄프 밀도 25~30% 고형분으로 운전합니다.

나선형 분류기는 상업 광석 유형에서 미세 철의 보충 회수에 널리 쓰이며, 라브라도 트로프의 거울 적철석 광석 등 20메시 이하 분쇄로 해리 가능한 광석의 주 농축 장치로 사용됩니다.

나선 농축기는 흐르는 막 분리 장치입니다. 기본 조작은 기울어진 표면에서 중력 하에 연속적인 층류 흐름입니다. 분리 메커니즘은 1차·2차 흐름 패턴을 포함합니다. 1차 흐름은 중력 하에 슬러리가 나선형 홈 아래로 흐르는 것입니다. 2차 흐름 패턴은 홈 횡단 방향입니다. 여기서는 높은 밀도 입자를 포함한 상층 유체층이 중심에서 멀어지고, 높은 밀도 입자를 포함한 하층 농축층이 중심으로 이동합니다. 나선형 분류기는 나선형 홈의 여러 지점에 세척수를 공급하여 가벼운 맥석을 조대한 광석에서 씻어내는 데 도움을 줍니다. 세척수량과 홈 내 분포는 운전 요구에 맞게 조절 가능합니다. 포인트 제어로 총 물 소요량을 최소화하며 가장 효과적인 각도로 흐르는 펄프에 물을 유도합니다.

나선 농축기는 수직축을 중심으로 나선형으로 감긴 곡면 바닥 홈입니다. 상부에서 철광석·맥석 슬러리를 공급하면, 덜 조대한 맥석이 물에 더 쉽게 현탁되어 철 광물보다 큰 접선 속도를 얻어 나선 홈 바깥쪽 가장자리로 이동합니다. 안쪽 가장자리를 따라 공급된 세척수가 가벼운 맥석을 씻어냅니다. 몇 바퀴 돌면 철 광물 밴드가 안쪽 가장자리에, 맥석 밴드가 바깥쪽 가장자리에 형성됩니다. 안쪽 가장자리를 따라 배치된 포트를 통해 철 광물을 회수·제거합니다. 맥석은 나선형에 남아 바닥으로 배출됩니다.

라이허트 콘(Reichert Cone)

라이허트 콘의 주요 장점은 처리 용량과 나선형 분류기보다 더 미세한 약 325메시까지 미세 중광물을 효율적으로 회수할 수 있다는 점입니다. 단일 라이허트 콘의 용량은 최대 100톤/시간이며, 거울 적철석 미세입 회수에 효과적입니다.

라이허트 콘은 흐르는 막 농축기입니다. 중량 기준 약 60% 고형분 슬러리의 흐르는 막 바닥에서 더 조대한 입자가 농축됩니다. 분리 메커니즘은 조대한 입자의 방해 침강과 미세 입자의 간극 트리클링의 결합입니다. 라이허트 유닛의 분리 요소는 내경 1.9m의 내향 경사 콘입니다. 공급 펄프가 콘 주변부에 고르게 분배됩니다. 펄프가 중력으로 중심으로 흐르면서 미세하고 무거운 입자가 바닥에 농축되어 콘 정점 근처의 환상 슬롯으로 제거됩니다. 폐미는 슬롯을 넘어 콘 정점 또는 중심에서 수집됩니다. 이 분리 공정 효율이 상대적으로 낮아, 단일 적층 콘 배열 내에서 여러 번 반복하여 회수율을 높입니다. 일반적으로 최고 등급 정광은 1차 분리 콘에서 생산됩니다.

자기 분리(Magnetic Separation)

자기 분리는 천연 자성 철광석(자철석)을 다양한 저자성/비자성 물질로부터 분리하는 데 일반적으로 사용됩니다. 적철석은 약자성이므로 선광 중 상당량의 철 단위가 폐미로 손실됩니다.

자기 분리는 건식 또는 습식 환경에서 수행됩니다. 습식 시스템이 더 일반적입니다. 철광석 자기 분리는 저강도와 고강도로 분류됩니다. 저강도 분리기: 1000~3000가우스 자기장 사용. 자철석 광석에 주로 사용되며 저렴하고 효과적. 강한 자성 물질(자철석)만 포집. 고강도 분리기: 20,000가우스까지 강한 자기장 사용. 약자성 철 광물(적철석)을 비자성/저자성 맥석에서 분리. 입자 크기와 광석 슬러리 고형분 함량도 분리기 유형 선정에 중요한 요소입니다.

사용되는 자기 분리 기술:

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

기타 메커니즘으로 자기 풀리, 유도 롤 분리기, 크로스 벨트 분리기, 링 타입 분리기 등이 있습니다.

일반적으로 자기 분리는 ① 코빙(cobbing), ② 정선/조선(cleaning/roughing), ③ 피니싱(finishing) 3단계로 이루어집니다. 각 단계는 여러 드럼을 직렬로 사용하여 분리 효율을 높입니다. 각 단계는 이전 단계에서 조대 입자가 제거됨에 따라 더 미세 입자를 처리합니다. 코버는 큰 입자(9mm) 처리, 투입물의 ~40%를 폐미로 배출. 저강도 건식 분리를 코빙 단계에 쓰기도 합니다. 정선기/정선기는 48메시(0.32mm) 범위 입자 처리, 투입물의 10~15%만 폐미로 배출. 피니셔는 100메시(0.149mm) 미만 입자 처리, 이 단계에서 원료가 고농축되어 나머지 5% 맥석 제거.

저강도 습식 공정은 보통 컨베이어와 영구 자석을 사용한 회전 드럼 분리기로, 9mm 이하 광석 입자에 주로 사용. 컨베이어로 분리기에 광석 공급, 자철석 입자가 드럼 측면에 부착되어 자기장 밖으로 나올 때까지 유지된 후 정광 수취기로 이송. 비자성/저자성 맥석은 남아 폐미 연못으로. 일부 조업에서는 여러 드럼을 직렬 배치해 회수율 극대화.

고강도 습식 분리기는 형상 철 조각 매트릭스를 이용해 상자성 입자 수집 부위를 만들어 높은 자기장 구배를 생성. 구형, 봉, 홈 플레이트, 익스팬디드 메탈, 섬유 등 형태 가능.

이 유형 조업의 주요 폐기물은 조립·미립 맥석 입자로 된 폐미와 습식 분리의 경우 폐수 슬러리. 건식 분리 입자상 폐기물도 슬러리화될 수 있음. 농축기나 침전지에서 고형물 분리 후 고형물은 폐미 댐으로, 액체 성분은 수질 기준 충족 시 분쇄기로 재순환 또는 방류.

습식 고강도 자기 분리(WHIMS)는 비자성 철 단위 회수를 위해 개발. 사용 매트릭스에 따라 10메시(2mm)~500메시까지 넓은 입도 범위에서 효과적. WHIMS 적용: 천연 광석 미분에서 철 회수, 나선 정광 업그레이드, 폐미에서 적철석 회수. WHIMS에서 전자석이 매우 강한 자기장을 생성하여 강구, 홈 플레이트, 강모, 익스팬디드 메탈 조각 등으로 구성된 매트릭스에 인가. 매트릭스는 환상 링에 담겨 고강도 자석 사이를 회전. 철광석 슬러리는 매트릭스가 자기장 내에 있을 때 주입. 매트릭스 주변에 발달한 높은 자기 구배가 적철석을 붙잡고 맥석은 씻겨 나감. 적철석 정광은 매트릭스가 자기장에서 벗어날 때 방출·배출.

그림 1은 나선형 분류기와 WHIMS의 개략도입니다.

그림 1 나선형 분류기와 WHIMS 개략도