중력 분리 및 광석 선광: 고대 금 채취부터 현대 채광 솔루션까지

중력 분리와 광석 선광

중력 분리는 가장 오래된 광석 선광 기술로, 자연계에서 광범위하게 일어나는 현상입니다. 중력 분리의 최초 기록된 인간 활용은 기원전 1900년경 고대 이집트인들이 나일 강 상류에서 팬닝(panning) 방식으로 금을 회수한 것입니다.

중력 분리는 광석 내 서로 다른 광물 종류를 비중 차이에 기반해 중력을 이용해 분리하는 물리적 공정입니다. 이때 원심력, 유체(공기, 물 등)에 의한 운동 저항 등 다른 힘이 중력에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 중력 외에도 입자 크기, 형상 등의 요인도 상대 운동에 영향을 주어 분리 효율에 관여합니다. 원심 작용이 중력에 미치는 영향은 그림 1에 나와 있습니다. 중력이 증가할수록 미세 입자의 침강 속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있습니다.

그림 1 원심력이 중력에 미치는 영향

중력에 의한 광석 입자 분리는 두 가지 요소에 의존합니다: (i) 입자의 침강 속도, (ii) 분리 매질과의 비중 차이. 이는 차등 침강 속도를 만들어 '농축 기준(Concentration Criteria)'이라 부릅니다. 입자의 침강 속도는 '스토크스 법칙(Stoke's law)'에 따라 kd²g(Ds-Df)로 결정되며, 여기서 k는 상수, d는 입자 직경, g는 중력 가속도, Ds는 고체의 비중, Df는 유체 매질의 비중입니다.

'농축 기준(CC)'은 (Dh-Df)/(Dg-Df)로 표현되며, Dh는 광석의 무거운 성분 비중, Df는 유체 매질 비중, Dg는 가벼운 성분 비중입니다. 일반적으로 이 몫이 2.5보다 크면(양수/음수 무관) 중력 분리가 비교적 용이합니다. 값이 감소하면 분리 효율이 떨어지며, 1.25 미만이면 중력 분리는 비현실적입니다.

주요 중력 분리 방법

중력 분리 방법에는 여러 유형이 있으며, 주요 방법은 다음과 같습니다: (i) 지그(jig), (ii) 핀치드 슬루이스(pinched sluices), (iii) 나선형 선별기(spirals), (iv) 진동 테이블(shaking tables), (v) 미립자 분리기(예: 다중 중력 분리기 MGS), (vi) 중력/크기 분리기(예: 하이드로사이저, 하이드로사이클론).

지깅에 의한 분리 방법은 별도 기사에서 설명하고 있습니다.

핀치드 슬루이스(Pinched Sluices)

핀치드 슬루이스형 중력 분리기는 신세대 나선형 선별기가 등장하기 전까지 일부 지역에서 널리 사용되었습니다. 핀치드 슬루이스는 기본적으로 경사진 슬로프로, 서로 다른 비중의 입자를 포함한 슬러리를 흐르게 합니다. 중력과 마찰력, 슬루이싱 데크의 좁아짐(핀칭) 현상으로 인해 세립의 무거운 입자는 흐르는 필름 바닥으로, 조립의 가벼운 입자는 상부로 분리됩니다. 슬루이스 끝부분 근처의 슬롯(정광 배출구)을 통해 미세 무거운 입자를 제거하고, 가벼운 조립 입자 스트림은 슬롯을 넘어 끝단에서 배출됩니다. 핀치드 슬루이스에는 (i) 트레이(trays)와 (ii) 라이헤르트 콘(Reichert cone) 두 종류가 있습니다. 트레이와 라이헤르트 콘의 분리 원리는 그림 2에 나타냈습니다.

그림 2 트레이와 라이헤르트 콘의 분리 원리

트레이(Trays)는 가장 먼저 도입되었으며 여러 변형이 있습니다. 일반적으로 유닛당 다중 공급 지점과 여러 단계(예: 조광/정광/스캐빈저)를 갖습니다. 장점: (i) 육안 검사, 조정, 청소가 용이함, (ii) 높은 공급 밀도(63% 고형분)로 저용량 펌핑 필요. 단점: (i) 넓은 공간 필요로 다루기 어려움, (ii) 낮은 업그레이드 비율(통상 3:1), (iii) 공급 비중 제어 필요, (iv) 미립 회수율 저조, (v) 공급 선별 필요, (vi) 슬라임 내성 낮음, (vii) 다중 공급 지점과 분리면 존재, (viii) 정광 단계에서 밀도 제어를 위한 세척수 필요.

라이헤르트 콘(Reichert Cones)은 트레이의 개선형으로 원뿔 모양에 중앙 단일 공급 지점을 가집니다. 일반적으로 다단계가 수직으로 적층됩니다. 일반적인 구성: (i) 4DS(4 더블/싱글 단계), (ii) 2DSS.DS(2 더블/싱글/싱글 단계 + 더블/싱글 단계). 전자는 조광용, 후자는 정광용으로 사용. 공정 변수: (i) 공급 속도(최적 이상 증가 시 성능 저하), (ii) 공급 밀도(60~63% 고형분 유지 필요), (iii) 인서트 설정(1~9단계, 개방도 증가 시 회수율 상승하나 품위 저하). 장점: (i) 바닥 면적 대비 높은 처리량, (ii) 높은 공급 밀도(63% 고형분)로 저용량 펌핑. 단점: (i) 낮은 업그레이드 비율(통상 3:1), (ii) 공급 비중 제어 필요, (iii) 미립 회수율 저조, (iv) 공급 선별 필요, (v) 슬라임 내성 낮음, (vi) 콘 하부 분리면 육안 확인/접근 곤란, (vii) 정광 단계 밀도 제어용 세척수 필요.

나선형 선별기(Spirals)

나선형 농축기는 서로 다른 비중의 광물로 구성된 광석 처리에 사용됩니다. 흐르는 필름 분리 방식 장비로, 복잡한 단면의 경사 슈트가 중앙 기둥을 감싸는 구조입니다. 원리는 서로 다른 비중의 입자에 작용하는 중력과 원심력의 조합으로 미세 무거운 입자와 조립 가벼운 입자가 분리되는 것입니다(그림 3). 이 힘들은 콘보다 강하며, 일반적으로 더 낮은 슬러리 밀도와 결합해 핀치드 슬루이스보다 높은 업그레이드 비율(통상 5:1)과 더 나은 미립 회수율을 달성합니다. 나선형 선별기는 다양한 경사도로 제작되며, 각도는 분리 비중에 영향을 주나 정광 품위와 회수율에는 큰 영향이 없습니다.

나선형 유닛은 중앙 기둥을 중심으로 나선형으로 감긴 프로파일 채널로 구성됩니다. 일반적으로 3~7회전, 직경 0.4~1m 범위입니다. 일반적인 작동은 경사면에서의 연속 중력 층류 흐름입니다. 분쇄 광석과 물의 혼합물인 슬러리를 트러프 상단에서 중력 공급합니다. 하강 과정에서 고밀도 입자는 일반적으로 안쪽으로, 저밀도 입자는 트러프 외측으로 이동합니다. 분리 메커니즘은 1차 및 2차 흐름 패턴을 포함합니다. 1차 흐름은 중력 하에 트러프를 따라 내려가는 슬러리 흐름입니다. 2차 흐름 패턴은 트러프를 가로지르는 방사상 흐름입니다(그림 3). 이 흐름 설명이 나선형 분리 이론의 핵심입니다. 슬러리 필름이 트러프를 따라 흐를 때, 고밀도 입자는 더 빨리 침강해 2차 흐름 하층에 의해 안쪽으로 운반되고, 저밀도 입자는 고밀도 물질 위에 머물다 2차 흐름 상층에 의해 외측으로 운반됩니다. 이 메커니즘은 주로 나선형 초기 3회전에서 발생합니다. 초기 분리 후 대부분의 물은 외측 가장자리에, 최대 70% 고형분의 고밀도 물질 밴드가 중앙 기둥 근처에 형성되어 중간 회수 장치나 트러프 끝단의 스플리터로 제거됩니다. 유속은 트러프 설계와 작동에 따라 달라지며, 트러프 대부분에서 방사 방향으로 0.1~0.3m/s 범위, 최외측에서 더 빠른 흐름이 나타납니다.

나선형 선별기는 광석 세척을 돕기 위해 나선형 하단 여러 지점에서 물을 추가합니다. 즉, 조립 가벼운 입자를 미세 무거운 입자에서 분리해 운반합니다. 세척수 양과 분포는 운전 요구사항에 맞춰 조정 가능합니다. 포인트 제어는 가장 효과적인 각도로 흐르는 슬러리에 물을 효율적으로 공급해 총 물 소요량을 최소화합니다. 적용 입자 크기 범위는 0.3~1mm입니다. 나선형 선별기는 일반적으로 25~30% 고형분 슬러리 밀도에서 운전됩니다.

그림 3 나선형 선별기의 분리 원리

진동 테이블(Shaking Tables)

진동 테이블은 오래전부터 사용된 중력 분리 장비로, 설계 변경은 적으나 다층 테이블(최대 3층)로 단위 면적당 처리량을 늘렸습니다. 일반적으로 용량이 낮아 정광 단계에만 사용됩니다.

분리 원리는 경사진 테이블 위에서 슬러리(습식 테이블 경우) 내 입자가 비중과 크기에 따라 이동하며, 테이블이 경사와 직각으로 왕복 진동하고 리플(riffle)이 데크에 가까운 입자를 잡아주는 구조입니다. 이 운동과 구성으로 미세 고비중 입자는 데크에 가장 가까이 이동해 리플을 따라 정광 측으로 배출되고, 저비중 조립 입자는 슬러리 표면 근처에 머물다 리플을 넘어 최하단 모서리로 배출됩니다(그림 4).

그림 4 진동 테이블의 분리 원리

습식 테이블의 경우 조립/미립 공급용 다양한 유형이 있습니다. 변수: (i) 데크 각도(경사질수록 정광 중량 감소), (ii) 스트로크 길이(길수록 횡방향 운동 증가, 정광 중량 증가하나 최대치 존재), (iii) 스트로크 빈도(빈번할수록 횡방향 운동 증가, 최대치까지), (iv) 스플리터 위치(정광 로의 스플리터 위치가 정광 취출 중량 결정), (v) 공급 속도와 밀도(일반적으로 풀사이즈 테이블 기준 2톤/시간, 밀도 40% 고형분 초과 시 분리 저하), (vi) 세척수(테이블 상단에 공급해 고형분 흐름 보조, 저밀도 유지, '드라이 스팟' 방지, 슬라임 테일링 배출), (vii) 리플 높이(낮은 리플이 미립 공급에 유리).

건식 테이블(에어 테이블)은 이름 그대로 공급과 분리가 건식으로 이루어지며, 저압 공기를 캔버스 데크를 통해 불어 입자층을 유동화합니다. 데크 경사, 리플 부재, 테이블 진동 운동이 결합해 미세 경량 입자는 층 상부로, 조립 중량 입자는 데크 최하단으로 이동해 배출됩니다.

광물 처리용 에어 테이블은 곡물 산업에서 개발되었으며, 건식 중력 분리가 타 방법보다 선호되는 특정 용도에 적용됩니다. 일반적으로 건식 공장의 정광 단계에 사용됩니다. 변수: (i) 습식 테이블과 동일(데크 경사, 스트로크 길이/빈도, 스플리터), (ii) 유동화 공기 유량(유량 증가 시 베드 이동성 유지, 최대치까지). 에어 테이블은 전후 공정이 건식일 때 유리하며 추가 열건조 공정이 불필요합니다.

진동 테이블의 장점: (i) 올바르게 사용 시 높은 선택성, 높은 업그레이드 비율, (ii) 분리 관찰 및 조정 용이. 단점: (i) 낮은 처리량, (ii) 넓은 바닥 면적 필요, (iii) 빈번한 운전원 주의, 점검, 조정 필요, (iv) 공급 선별 필요.

미립자 분리기(Fine Particle Separators)

중력 회로의 활용도 증대와 더 미세한 입자 회수 필요성으로, 나선형 선별기 등으로 효율적 회수가 어려운 미립자를 타겟으로 한 전용 장비가 개발되었습니다. 대표적으로 팰컨 농축기(Falcon Concentrator)와 모즐리 다중 중력 분리기(MGS)가 있습니다(그림 5).

그림 5 미립자 분리기

팰컨 농축기는 슬루이스와 연속 원심분리기의 결합체로, 고속 회전이 가능해 미세 입자의 비중 차이에 따른 분리를 가능케 합니다. 회전 볼의 형상은 공급 슬러리가 볼을 타고 올라갈 때 무거운 입자가 가벼운 입자보다 작용하는 힘에 더 강하게 반응하도록 설계되었습니다. 이로 인해 무거운 입자는 볼과 접하는 슬러리 표면으로, 가벼운 입자는 물과 함께 슬러리 상부로 이동합니다. 분리는 슬러리 하부(고비중 부분)를 회수 립/슬롯을 통해 제거함으로써 이루어지며, 여러 오리피스가 제어된 방식으로 개폐하며 정광을 주 스트림에서 분리하고 나머지는 테일링으로 배출됩니다.

변수: (i) 회전 속도(증가 시 중력 가속도 상승, 분리력 증대), (ii) 정광 오리피스 펄스 빈도(최대치까지 증가 시 정광 중량 증가), (iii) 공급 속도와 밀도(일정 최대치 초과 시 분리 저해). 장점: (i) 15~20μm 입자 처리 가능, (ii) 기계 구조 단순하고 견고, (iii) 상대적으로 높은 처리량, (iv) 운전원 주의 요건 낮음. 단점: (i) 낮은 업그레이드 비율(통상 2:1), (ii) 분리면 가시성 부재, (iii) 오리피스 개구부 크기 미만으로 공급 선별 필요(블라인딩 방지).

MGS(다중 중력 분리기)는 미세 입자 크기 범위 분리를 위한 장비로, 최대 약 0.5mm 입자 처리에 적합합니다. 원리는 기존 진동 테이블의 수평면을 드럼 형태로 말고 수평축을 따라 회전시키는 것으로 시각화할 수 있습니다. 이로 인해 광물 입자에 정상 중력의 수십 배에 달하는 강화된 중력장이 작용해, 진동 테이블 등 기존 분리기 대비 미립 처리가 개선됩니다.

MGS는 경사진 회전 드럼의 원심 운동과 진동 테이블의 진동 운동을 결합해 미립자에 특히 적합한 강화 중력 분리를 제공합니다. 분리 원리는 슬러리 스트림으로 공급되어 드럼 내면 위에 분포되는 입자들에 앞서 언급한 힘들이 작용하는 것입니다. 스크레이퍼와 세척수의 도움으로 고비중 입자는 드럼 상부로 이동해 상단 립으로 배출되고, 저비중 입자는 반대 방향으로 흐르다 하단 드럼 립으로 배출됩니다.

변수: (i) 드럼 회전 속도(증가 시 원심 중력 증가, 입자의 상부 이동 어려워져 정광 중량 감소 및 품위 향상), (ii) 드럼 스트로크 길이와 빈도(한도 내 증가 시 입자 상부 이동력 증가, 정광 중량 증가하나 품위 저하), (iii) 드럼 세척수(입자 상부 이동 시 세척 강화, 정광 품위 향상), (iv) 드럼 기울기 각도(증가 시 정광 품위 향상). 장점: (i) 미세 입자(-75μm ~ +10μm)에 대한 높은 선택적 분리, (ii) 높은 업그레이드 비율(통상 20:1). 단점: (i) 면적/공간 대비 낮은 용량(대용량 장비 출시됨), (ii) 기계적으로 복잡하고 고가, (iii) 일반적으로 밀폐형으로 분리면 관찰 불가, (iv) 상당한 운전원 주의 필요, (v) 조립 재료 처리 부적합(공급 선별 필요).

중력/크기 분리기(Gravity/Sizing Separators)

다음 두 가지 분리기인 (i) 하이드로사이저(hydrosizer), (ii) 하이드로사이클론(hydrocyclone)을 소개합니다(그림 6). 이들은 중력 분리기보다는 크기 분류 장비에 가깝지만, 입자 비중과 크기를 결합해 분리합니다.

그림 6 하이드로사이저와 하이드로사이클론의 원리

하이드로사이저(Hydrosizer)는 티어 컬럼 분류기(teeter column classifier)에서 발전한 것으로, 탱크 하부 2/3 지점 매니폴드를 통해 주입되는 상승 수류 환경에서 미세/경량 입자와 조립/중량 입자 간 분리를 입자 침강 원리로 달성합니다. 이로 인해 전자는 오버플로, 후자는 언더플로로 배출됩니다. 충분한 비중과 크기를 가진 입자는 저비중/소형 입자보다 유체에서 더 빨리 침강합니다. 상승 유속이 일정 수준이면 경량/소형 입자의 침강 속도를 초과하지만 중량/조립 입자는 초과하지 않아 분리가 일어납니다.

변수: (i) 주입 수량(증가 시 오버플로로 보고되는 입자 비중/크기 증가), (ii) 컬럼 밀도(주입 매니폴드와 오버플로 위어 사이 컬럼 내 슬러리 비중 증가 시 오버플로 중량 증가), (iii) 언더플로 배출(배출 유량 증가 시 컬럼 고형분 밀도 감소, 상승 흐름 감소, 오버플로 고형분 비중/크기 감소), (iv) 공급 질량 유량(최적 이상 증가 시 분리 예리도 저하). 장점: (i) 컬럼 헤드 비중 측정에 기반한 정밀 자동 제어(언더플로 밸브와 제어 루프), (ii) 양쪽 생성물 관찰 및 제어 메커니즘 용이 조정, (iii) 회전 부품 없음, (iv) 습식/건식 공급 가능. 단점: (i) 깨끗하고 일정하며 조절 가능한 전용 주입 수펌프 필요, (ii) 높은 물 소요량, (iii) 용량 대비 큰 부피 필요, (iv) 안정된 공급 속도 필요.

하이드로사이클론(Hydrocyclones)은 내부 원심 흐름이 입자에 작용해 조립/고비중 입자와 미세/저비중 입자를 분리합니다. 슬러리가 압력 하에 사이클론의 파이프형 본체에 접선 방향으로 공급되면, 원심력이 무거운 입자를 바깥쪽으로 밀어냅니다. 외측 입자는 압력 하에 콘을 따라 내려가 언더플로 스피곳으로 배출되고, 내부 와류의 가벼운 입자(와 물)는 보텍스 파인더를 통해 오버플로로 배출됩니다.

변수: (i) 공급 압력(분리 구동력, 압력 높을수록 더 미세한 크기 분리), (ii) 보텍스 파인더 직경(클수록 오버플로 증가, 압력 낮아져 분리 더 조립), (iii) 스피곳 직경(클수록 유량 증가, 언더플로 더 미세/습윤), 가변 스피곳 사용 가능, (iv) 사이포닝(오버플로가 언더플로보다 낮게 배출되면 사이포닝 효과로 오버플로 고형분/유량 증가, 진공 브레이크로 해결), (v) 공급 밀도(너무 높으면, 통상 35% 고형분 초과 시 분리 영향), (vi) 콘 부 각도와 길이(길이 증가, 각도 완만할수록 컷 사이즈 감소), (vii) 배럴 직경(클수록 용량 증가, 압력 낮아짐, 컷 사이즈 조립). 장점: (i) 소요 부피/바닥 면적 대비 높은 용량, (ii) 회전 부품 없음, (iii) 제한된 운전원 주의. 단점: (i) 변화하는 공급/생성물 요구사항에 쉽게 조정 불가, (ii) 압력 공급 및 안정된 속도 필요.