자기 분리 및 철광석 선광: 효율적 철 농축을 위한 첨단 기술

자기 분리와 철광석 선광

자기 분리는 철광석 농축과 트램프 아이언(tramp iron) 제거를 위한 오래된 기술입니다. 1849년 이후 미국에서 다수의 자기 분리 특허가 발급되었으며, 1910년 이전 특허들에는 광물 처리를 위한 다양한 자기 분리기들이 기술되어 있습니다.

자기 분리 방법은 철광석과 비자성 수반 뇌물(gangue) 물질 간의 자기적 특성 차이를 이용해 분리합니다. 자기 분리는 건식 또는 습식 환경에서 수행 가능하나, 습식 시스템이 더 널리 사용됩니다.

자기 분리는 세 가지 힘의 경쟁에 기반한 이산 입자의 물리적 분리입니다: (i) 인력(자력), (ii) 중력, 유체역학적 항력, 마찰력, 관성력, (iii) 입자 간 인력 또는 반발력. 이 힘들이 공급 원료 내 서로 다른 자기적 특성을 가진 입자들에 차별적으로 작용합니다. 그림 1은 자기 분리의 원리를 보여줍니다.

그림 1 자기 분리의 원리

자기 분리기 내에서 자력과 경쟁하며 분리기 통과 입자 전체에 작용하는 힘들은 중력, 유체역학적 항력, 마찰력, 관성력입니다. 자기 분리기 유형에 따라 특정 힘의 중요도가 달라집니다.

중력은 큰 입자에, 유체역학적 항력은 작은 입자에 유의미합니다. 따라서 건식 대형 입자 처리 자기 분리기에서는 공급 원료가 중력을 따라 통과하며, 자력은 중력에 맞서 자성 입자를 잡아줄 만큼 강해야 합니다. 미립 처리 습식 분리기에서는 자력이 슬러리 흐름이 포착된 입자에 가하는 유체역학적 항력보다 커야 합니다.

힘의 경쟁과 분리 효율

자기 분리기 내 자력과 경쟁 힘 간의 경쟁은 자성 입자가 포착/회수될 가능성을 결정합니다. 자성/비자성 입자 간 입자간 힘은 자기 분리 생성물의 농도를 결정합니다. 입자간 힘이 자력과 경쟁 힘보다 크면 다수 비자성 입자가 자성 입자와 함께 포착될 가능성이 높습니다. 반대로 많은 자성 입자가 비자성 입자와 함께 운반되어 포착되지 않을 수 있습니다.

자성 입자의 높은 회수를 위해서는 자기 분리력이 경쟁 힘의 합보다 커야 합니다. 그러나 자력이 경쟁 힘보다 훨씬 크면 분리 선택성이 나빠집니다. 다양한 자화 가능 입자 간 구분이 없기 때문입니다. 공정 선택성은 자력과 경쟁 힘의 상대적 크기에 의해 결정되며, 이는 적절한 분리기 선택과 운전 파라미터에 의해 영향을 받습니다.

작동하는 자력, 경쟁 힘, 입자간 힘이 분리기 성능을 결정합니다. 이 힘들은 분리 대상 원료의 특성과 자기 분리기 특성 양쪽에 의존합니다. 원료 특성에는 크기와 다양한 힘에 영향을 주는 물리적 특성이 포함됩니다. 자기 분리기 특성에는 설계와 가변 파라미터, 특히 자기장과 공정 속도가 포함됩니다. 이 파라미터들 간에는 일반적인 관계가 존재합니다. 또한 자기 분리기 내 자력은 자기장 구배를 입자 크기에 맞춰 최대화할 수 있습니다.

자기 분리기은 철광석 공급 원료를 두 개 이상의 성분으로 분리합니다. 목적이 자성 정광 철광석 생산이면 비자성 성분은 테일링이 됩니다. 경우에 따라 약자성 제3성분인 미들링(middlings) 분리가 가능하기도 합니다. 각 물질 스트림은 분리기 내로, 내부를 통해, 밖으로 수송되어야 합니다.

자력과 경쟁 힘(중력, 마찰, 유체역학적 항력, 관성)은 입자들을 분리하려 하고, 인력적 입자간 힘은 분리도를 낮추려 합니다. 실제 상황에서는 자성/비자성 입자가 모두 테일링이나 미들링에서 발견되며, 극한 경우에만 완전 자기 분리가 가능합니다. 자기 분리 효율은 통상 회수율(정광 내 자성 물질 비율 대 공급 원료 내 자성 물질 비율)과 품위(정광 내 자성 물질 비율)로 표현됩니다. 이는 자기 분리기 효과성의 두 가지 독립적 척도입니다. 이 척도들은 인력 자력, 중력, 유체역학적 항력, 마찰/관성력, 인력/반발 입자간 힘의 상대적 크기에 의존합니다.

자기 분리에서 효율적 분리 조건은 명확히 정의되나, 힘의 상대적 중요도가 주로 입자 크기에 의해 결정되는 점이 복잡성을 더합니다. 이는 경쟁 힘이 입자 크기 의존성을 가지기 때문입니다. 건식 자기 분리에서 항력은 보통 입자 크기에 미미한 영향을 주어 분리 효율에 큰 영향을 주지 않습니다. 반면 입자 크기는 건식 자기 분리 중 자력과 중력에 유의미한 의존성을 가집니다. 한편 습식 분리에서는 유체역학적 항력이 중요해지며, 입자 크기 분포가 분리 선택성에 상당한 영향을 미칩니다. 입자 크기 감소에 따라 유체역학적 항력의 상대적 중요성이 자력 대비 증가합니다.

자기 분리기 설계와 분류

자기 분리기 설계 시 자기장뿐만 아니라 자기장 강도의 구배(gradient)도 제공해 입자가 원하는 방향으로 이동하도록 해야 합니다. 균일한 자속 밀도장에서는 자성 입자가 자속에 수렴해 자체 내에 농축되나 이동하지 않습니다. 반면 수렴장을 생성하면 입자가 높은 자속 영역으로 당겨집니다.

모든 자기 분리기에서 입자에 작용하는 자기장과 자기장 구배는 다양한 방식으로 생성되며, 크게 다른 장 형상과 강도를 초래합니다. 영구자석이 직접 장을 생성하기도 하고, 코일과 철 자석 회로를 사용해 강자성 구조를 자화해 그 장 구배가 자성 입자를 끌어당기기도 합니다.

광석 선광 요건과 기타 기준에 따라 필요한 자기장을 구현하도록 다양한 자기 분리기들이 설계되었습니다. 자기 분리기는 크게 (i) 저강도, (ii) 고강도 두 그룹으로 분류되며, 두 그룹 모두 습식/건식 운전 유형이 가능합니다. 일반적으로 사용되는 자기 분리기 유형: (i) 습식/건식 저강도 자기 분리(LIMS), (ii) 고구배 자기 분리(HGMS), (iii) 습식 고강도 자기 분리(WHIMS), (iv) 약자성 광석 처리용 롤 자기 분리기, (v) 건식 광석 농축용 유도 롤 자기 분리(IRMS). 자기장은 보통 (i) 영구자석, (ii) 철 요크 전자석, (iii) 솔레노이드, (iv) 초전도 자석 등으로 생성됩니다.

자기 분리 작업은 보통 저강도/고강도로 분류됩니다. 저강도 분리기는 0.1~0.3 테슬라 자기장을 사용하며, 자철석 광석에 저렴하고 효과적인 방법으로 사용됩니다. 고강도 분리기는 1~2 테슬라까지 강한 장을 사용하며, 적철석 등 약자성 철광석을 비자성/저자성 뇌물에서 분리하는 데 사용됩니다. 입자 크기와 광석 슬러리 공급의 고형분 함량도 분리기 시스템 선정에 중요한 요소입니다.

자기 분리기는 일반적으로 건식/습식 저강도, 건식/습식 고강도, 고구배 자기 분리기로 그룹화됩니다. 자기장 강도 기준 그룹화는 그림 2에 나타냈습니다. 이에 더해 건식 고강도 그룹에 속하는 분리기들도 있습니다: 영구 롤 자기 분리기, 아이소다이나믹 분리기, 개방 구배 자기 분리기, 진동 고구배 자기 분리기/필터, 초전도 고구배 자기 분리기. 고강도 건식 자기 분리기는 영구자석 또는 유도 자기장으로 더 높은 자기장 강도를 부여해 입자의 자화율 차이에 따라 분리합니다.

그림 2 자기장 강도 기준 자기 분리기 그룹화

대표적 자기 분리기 원리

여러 자기 분리기 그룹 중 두 유형(드럼, 고강도)의 분리 원리를 설명합니다. 드럼 분리는 통상적 저구배 자기 분리를 대표합니다. 이런 분리기에서(그림 3) 건식 공급 원료가 회전 드럼 상부에 투입됩니다. 광석 입자는 중력과 마찰력의 결합 작용으로 드럼 회전이 입자에 전달되며 드럼을 따라 하강합니다. 드럼 내 고정 자석이 생성하는 자력이 고자성 입자를 회전 드럼에 붙들어 둡니다. 이 입자들은 드럼이 자석 끝을 지나며 우측으로 퇴적됩니다. 비자성 입자는 드럼에서 자유낙하해 좌측으로 떨어집니다. 이런 분리기은 영구자석 또는 전자석 사용 가능합니다. 이런 유형의 자기 분리기는 자철석 함유 철광석 선광에 널리 사용됩니다.

그림 3 두 종류의 자기 분리기 예시

그림 3은 고강도 자기 분리기 개요도도 보여줍니다. 이 고구배 자기 분리기에서는 용기 부피 내 강하고 조절 가능한 자기장을 생성하는 자석을 사용합니다. 이 부피는 필라멘트형 강자성 물질 매트릭스로 채워집니다. 필라멘트 가장자리의 높은 장 구배에서 생성되는 강한 자력은 매우 미세한(100μm 미만) 약자성 물질 입자조차 포착하는 데 효과적입니다. 이 필라멘트들은 공급 입자 크기에 맞춰 선택돼 자력을 최적화합니다. 철광석 슬러리(유체, 보통 물)가 용기를 통과합니다. 유체와 비자성 입자는 매트릭스의 상대적으로 열린 구조를 쉽게 통과합니다. 포착된 자성 입자는 인가 장을 0으로 낮추면 쉽게 세척 배출됩니다. 이런 유형 자기 분리기는 펠릿 피드용 철광석 처리 시 미세 자성 입자 농축 또는 제거에 유용합니다.

자기 분리기는 저품위 철광석 선광 시스템의 필수 요소입니다. 저품위 철광석 로스팅으로 자화율 증가(적철석→자철석 변환) 시 통상적 자기 분리기 적용 범위가 확대됩니다. 자기 분리기는 특정 철 재활용 용도에도 사용됩니다.

자기 분리기 유형

철광석 선광에 사용되는 여러 자기 분리기 유형 중 가장 일반적인 것은 건식/습식 드럼 분리기입니다. 유도 롤 분리기는 약자성 철 함유 광석 처리에, 풀리 분리기는 다양한 공급 원료에서 트램프 아이언 제거에 주로 사용됩니다. 이 분리기는 영구자석 또는 전자석을 사용하며 연속 운전합니다. 드럼 분리기와 고구배 자기 분리기를 상세히 설명합니다.

드럼 분리기(Drum Separators)

드럼 분리기는 가장 일반적인 자기 분리기 유형으로, 풀리, 건식 드럼, 습식 드럼, 유도 동시/역회전/대향류형 롤 분리기 등이 있습니다.

건식 드럼, 유도 롤, 풀리 분리기는 그림 3과 앞선 설명과 유사하게 작동합니다. 건식 공급 원료는 드럼 또는 풀리 양측으로, 자력/원심력/중력의 상대적 크기에 따라 배출됩니다. 이 유형들로는 미들링 분획 회수도 가능합니다. 미들링 입자는 정광 입자보다 자력에 약하게 끌려 정광과 테일링 빈 사이 빈으로 떨어집니다. 미들링은 일반적으로 자성/비자성 성분을 모두 포함한 부분 해리 입자들로 구성됩니다. 광석 분쇄 비용이 비싸므로, 초기 건식 드럼 분리로 처리하고 미들링 분획을 재분쇄 후 자기 재처리하는 것이 경제적으로 매력적일 때가 많습니다.

건식 드럼 분리기는 100μm 크기 입자까지 처리합니다. 이 분리기의 정광 생산 성능은 공급 광석 수분 함량에 크게 영향을 받습니다. 수분 함량이 높으면 미세 입자가 큰 입자에 달라붙어 분리가 불완전해집니다. 그림 1의 비자성 드럼이 드럼 내 고정 자석 극을 지나 회전하므로, 드럼 표면을 타는 자성 입자는 자력 크기 변화를 경험합니다. 이 자력 강도 변화는 포착된 입자의 텀블링 운동을 유발해 불필요한 비자성 입자 분리를 돕습니다. 자석 극 간 자기장 반전은 잔류 모멘트를 가진 입자의 회전도 유발합니다. 입자 특정 운동은 입자 크기에 강하게 의존합니다.

습식 드럼 분리기는 세 가지 주요 유형(그림 4)이 있습니다: (i) 동시류(concurrent), (ii) 역회전(counter-rotating), (iii) 대향류(counter-current). 드럼 내 자석은 그림 3과 유사하며 회전 화살표와 비슷한 호를 커버합니다.

동시류 드럼 자기 분리기에서 공급 슬러리는 드럼 회전과 같은 방향으로 트러프를 통과합니다. 자성 입자는 드럼 내 고정 자석에 의해 비자성 드럼 회전 표면으로 끌립니다. 비자성 입자는 트러프 최저점으로 가라앉아 테일링으로 배출됩니다. 자성 정광은 회전 드럼에 실려 위어 위로 우측 배출됩니다. 이 유형은 수mm 직경 입자에 대해 고품위 정광을 생산합니다. 분리는 비교적 깨끗한데, 자성 입자가 드럼 둘레 전체에서 경쟁 자력과 유체역학적 항력 영향을 받기 때문입니다. 이 세척은 드럼 내 교대 극에 의한 힘 변화가 건식 분리기에서처럼 같은 정도의 입자 운동을 생성하지 않음(슬러리 점성력 부재)에도 발생합니다. 동시류 탱크 분리기은 상당량 자성 물질이 남은 테일링을 생산하므로, 테일링을 역회전 드럼 분리기에서 재처리하는 경우가 많습니다.

역회전 분리기는 그림 4에 나와 있습니다. 공급은 드럼 회전 반대 방향으로 트러프를 통과합니다. 자성 입자는 드럼 표면에서 포착돼 좌측 상부로 운반됩니다. 이 분리기는 높은 회수율을 보이지만 일반적으로 저품위 정광을 생산합니다. 대부분의 자성 입자가 드럼 짧은 구간에서 포착돼 포착 물질 내 혼입 비자성 입자 방출 기회가 적기 때문입니다. 높은 회수율은 하류에서 드럼에 포착돼 정광으로 환원되는 입자 기회에서도 기인합니다. 이 분리기는 보통 100μm까지 입자 처리합니다. 즉시 포착되지 않은 자성 입자도 포착할 수 있어 동시류형보다 큰 용량을 가집니다.

대향류 드럼은 세 번째 습식 드럼 분리기 유형으로, 약 70μm까지 입자에 대해 극히 청정한 정광을 양호한 회수율로 생산해 마무리 분리기로 자주 사용됩니다. 이 분리기는 동시류와 역회전형 특징을 모두 가집니다. 그림 4에 3드럼 탠덤 분리기로 표시돼 있습니다. 이 분리기에선 공급이 드럼 자석 구간 중간 지점쯤에 투입됩니다. 공급 슬러리 흐름은 드럼 회전 반대 방향이나, 혼입 입자는 같은 방향으로 이동합니다. 이 혼입 입자들은 탱크 좌측에서 주입되는 물로 세척됩니다. 정제된 정광은 좌측으로 오버플로됩니다.

모든 습식 드럼 분리기의 공통 특징은 탱크 끝단에서 정광 슬러리 오버플로입니다. 이는 자성 입자가 공기-물 계면을 통과하며 손실되는 것을 방지합니다. 일부 탈수 정광을 원하는 분리기에선 자성 입자가 슬러리 표면 위로 끌어올려져 드럼에서 스크레이핑됩니다. 이런 경우 손실된 자성 입자 회수를 위해 슬러리 재순환이 필요합니다.

습식 드럼 분리기 주요 경쟁 힘은 유체역학적 항력입니다. 이는 슬러리나 세척수가 포착 입자 옆을 지나가는 상대 속도에서 기인합니다. 동시류 분리기에서 이 속도는 주변 속도 정도이고, 역회전 분리기에서는 두 속도가 더해집니다. 일반적으로 드럼 주변 속도가 슬러리 속도보다 훨씬 높습니다. 드럼 속도는 상대 항력 속도 영향 외에도 드럼 분리기 용량에 영향을 줍니다. 저속은 용량 감소, 고속은 높은 항력 속도로 회수율 감소 및 드럼 표면 마모 증가 초래.

일부 자기 분리기는 고강도 분리기라 불립니다. 이는 통상적 설계이나 평소보다 강한 자석을 사용해 고강도 자기장을 생성하며, 저강도 자기 분리기에서 반응하지 않는 입자 제거가 가능합니다.

그림 4 자기 드럼 분리기 유형

고구배 자기 분리기(High Gradient Separators)

높은 자기장 구배가 큰 자력을 생성할 수 있다는 사실에 기반해 여러 고구배 자기 분리기가 개발되었습니다. 이들은 자기장을 적절히 배향된 가장자리(그리드, 스크린, 홈난 판, 강철 울)에 유도극을 생성하기 위해 비교적 균일한 배경 자기장을 강자성 구조에 인가하기 때문에 '유도극(induced pole)' 분리기라고도 불립니다. 큰 자기장 구배는 일반적으로 작은 부피에서만 존재하므로 이 분리기는 소형 자성 입자 분리를 위해 설계됩니다. 실용적 입자 수를 포착할 만큼 충분히 큰 표면적에서 높은 구배와 큰 자력을 생성하는 것이 주요 과제입니다. 인가 장과 평행한 축을 가진 바늘들은 비교적 낮은 장에서 높은 구배를 생성하나 포착 표면적이 매우 제한적입니다. 반면 장축에 수직으로 자화된 필라멘트들은 큰 탈자화 인자를 가지나 훨씬 넓은 표면적을 가집니다.