저품위 철광석 최적화: 효과적 선광을 위한 지깅 기술

저품위 철광석 선광과 지깅 공정

철강 생산 증가로 철광석 자원이 가속화되어 소비되면서 고품위 철광석 가용성이 감소하고, 제철소향 고품위 철광석 공급이 급격히 줄고 있습니다. 이에 따라 수년간 광산 현장에 적치된 저품위 철광석과 슬라임(slimes) 활용으로 패러다임이 이동하고 있습니다. 이 적치 슬라임도 사실상 저품위 철광석 범주에 속합니다. 또한 일부 철광석은 복잡한 광물 조성을 가져 통상적 선광 기술에 반응하지 않습니다. 현대 선광 공정은 이런 광석의 럼프(lump), 분광(fines), 초미분광(ultra-fines)을 효과적 저비용으로 업그레이드할 수 있게 합니다. 철광석은 다양한 조성, 광물학, 형상, 크기를 가지므로 선광에 '만능 접근법'은 없습니다.

대부분 '광산산출광(Run-of-Mine, ROM)' 철광석은 선광 공정을 통해 제거해야 할 타 물질이 다량 포함돼 있어, 광석이 사용 사양을 충족하기 전까지 선광이 필요합니다. 선광 기술 적용 정도는 희석 물질 수준/성질과 광석 구조 내 뇌물/불순물 분포 형태에 따라 달라집니다. 광석 해리(liberation)는 선광 기술 반응성을 위한 필수 단계입니다. 적정 기술 선정을 위해 먼저 광석 광물학적 평가를 수행해 광석 통찰, 뇌물 연관성, 입도 등을 파악해야 합니다.

저품위 철광석 분류와 선광에는 여러 이슈가 있습니다. 저품위 철광석 처리/활용 주 어려움은 주로 광물학적 특성, 일부 광석의 연질(soft) 특성, 높은 실리카/알루미나 함량(또는 둘 다) 때문입니다. 기타 문제로는 열악한 해리와 고함량 수산기 함유 광물(고사이트, 리모나이트 등)에 따른 높은 소실점화량(LOI) 등이 있습니다. 열악한 해리 관련 철광석의 경우, 원하는 철 광물과 뇌물 성분의 적정 해리도를 얻기 위해 미분쇄가 필요합니다.

선광 처리 선택은 존재하는 뇌물 성질과 광석 구조와의 연관성에 따라 달라집니다. 지깅(jigging), 세척(washing), 자기 분리, 중력 분리, 부선(flotation) 등 여러 방법/기술이 철광석 철 함량 증대와 뇌물 함량 저감을 위해 사용되며, 이들은 철광석 선광을 위해 다양한 조합으로 활용됩니다.

중력 농축 기술과 지깅

철광석은 일반적으로 중력, 부선, 자기 방법의 물질 분리 원리를 이용해 선광됩니다. 중력 농축법을 이용한 광석 농축은 가장 오래되고 경제적인 기술 중 하나입니다. 이후 부선, 자기 분리 등 타 기술도 광석 선광에 사용되나, 중력 농축 기술을 부분적으로 대체했을 뿐 폐기시키지는 않았습니다. 중력 분리 기반 공정은 저비용, 용이한 조작, 친환경 특성으로 철광석 선광에 광범위하게 사용됩니다. 중력 농축 기술은 광석 구성 상이한 입자들의 차등 침강 속도에 기반합니다. 입자 침강 속도는 중량(부피와 밀도), 부력, 항력이 공동으로 지배합니다. 철광석 선광에 가장 흔히 쓰이는 중력 기술은 진동 테이블, 지그, 나선형입니다. 중력 농축법의 대표적 운전 범위는 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1 중력 농축법의 대표적 운전 범위

일부 지역에서는 저품위 적철석 광석을 자기 분리법 적용 전 자성 광석으로 변환하기 위해 환원 로스팅을 수행합니다. 또 다른 방법으로는 가스-고체 유동층에서 밀도 매체(dense medium)를 사용해 철광석을 농축하는 것입니다. 선정된 밀도 매체와 유동화용 가스 압력은 농축 대상 철광석 특성에 따라 달라집니다.

효과적 선광 처리는 1단계로 효과적 파쇄, 분쇄, 선별이 필요합니다. 이는 철 농축 입자 해리의 필수 단계입니다. 이를 위해 적절한 파쇄, 분쇄, 선별 기술을 적용해야 합니다. 분쇄와 재분쇄 목적은 가치 광물 해리와 회수에 충분히 작은 크기로 광석을 줄이는 것입니다. 철광석 선광용 파쇄/분쇄/선별 시스템은 하류 선광 공정 요건을 고려해 설계해야 합니다. 파쇄 유닛은 1차, 2차, 3차, 4차 파쇄 유닛을 포함할 수 있습니다. 조 크러셔, 회전 크러셔, 콘 크러셔, 롤 크러셔가 광석 파쇄에 사용됩니다. 반자동 분쇄(SAG)와 자동 분쇄(AG) 회로가 일반적으로 광석 분쇄에 사용됩니다. 봉밀(rod mill)과 볼밀(ball mill) 둘 다 사용됩니다. 분쇄 설비 투자비와 운전비는 높으므로, 경제성이 광석 선광 준비용 파쇄/분쇄 정도 계획에 주요 역할을 합니다. 파쇄/분쇄 정도 결정 시 고려되는 기타 요소로는 광석 가치 농도, 광물학, 경도, 수분 함량 등이 있습니다. 폐회로 분쇄는 매우 부서지기 쉬운 광석의 과분쇄를 최소화합니다. 순환 부하가 클수록 입자 과분쇄는 적습니다.

지깅 공정(Jigging Process)

지깅 공정은 입상 광물 입자의 밀도 차이에 효과가 의존하는 유체 내 농축 공정입니다. 서로 다른 비중의 층으로 입자 분리 후 분리된 층 제거로 구성됩니다. 지깅 농축 공정은 중매체 분리(heavy media separation)처럼 직접 분리하는 타 중력 농축 공정과 다릅니다. 지깅 농축 공정에서 베드 입자 성층(stratification)은 점진적으로 달성되며, 일정 시간 후 생성물로 분리가 실현됩니다.

지깅 공정은 입자들이 보통 유사 크기(지그 베드 공급 전 파쇄/선별됨)인 중력 분리 방법 중 하나입니다. 지그 설계에 많은 변형이 있으나 기본 원리는 동일합니다. 지깅 공정은 물을 분리 매체로 사용하며, 원하는 성분과 원치 않는 성분 간 밀도 차이가 있는 광물, 광석, 슬래그 등 모든 물질에 적용 가능합니다. 컷 밀도(cut density) 차이가 4.0g/cc 초과 시 특히 효과적입니다.

지깅은 수직면에서 유체 맥동(pulsation)에 의해 간헐적으로 유동화되는 입자 베드 움직임을 기반으로, 유체 내 광석 내 상이한 물질을 성층(stratification)에 의해 분류하는 공정입니다. 성층으로 입자들이 상단에서 하단으로 밀도 증가 순으로 층을 이루게 배열됩니다. 이 입자 배열은 입자들에 작용하는 여러 지속적 변화 힘들에 의해 발달하며, 타 중력 농축법보다 입자 밀도와 더 밀접한 관련이 있습니다.

철광석 선광용 지깅은 수십 년간 실천되어 왔습니다. 철광석 선광에 지깅을 타 공정보다 선택하는 이유: (i) 비교적 쉬운 분리, (ii) 밀도 매체 공정 대비 운전비와 수율 감소를 감수한 유익한 트레이드오프, (iii) 밀도 4.0 초과 컷 밀도 필요 광석 처리 능력, (iv) 중매체 분리에 부적합한 광석 물리적 특성(예: 거대 기공에서 용인 불가한 매체 손실). 철광석 선광에 에어 펄스 지그(air-pulsed jigs) 사용이 대중적입니다. 이는 에어 펄스 지그가 무거운 광석, 특히 럼프 철광석의 깊은 베드 유동화에 필요한 큰 펄스 진폭 생성이 가능하기 때문입니다.

지깅 공정에서 입자들은 지그 베드(보통 스크린)에 투입돼 맥동하는 물 기둥/물체에 의해 상향 추진돼 물 속에 부유합니다. 펄스 소멸 시 수위가 초기 낮은 위치로 돌아가고 입자들이 다시 지그 베드에 안착합니다. 입자들이 물 속 부유 상태에서 중력 에너지에 노출되면, 고밀도 입자가 저밀도 입자보다 빨리 침강해 지그 베드 바닥, 즉 지그 베드에 고밀도 물질이 농축됩니다. 입자들은 이제 밀도에 따라 농축돼 지그 베드에서 별도 추출 가능합니다. 철광석 선광 시 고밀도 물질이 원하는 농축 광석이고, 나머지는 플로트(또는 테일링)로 폐기됩니다. 지깅 공정 원리는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 지깅 공정의 원리

지그는 조작이 단순하나, 지깅 공정 전체는 여러 상호연관 요인(상호작용 변수/파라미터)에 강하게 영향을 받는 복잡한 공정입니다. 이 요인들은 지깅 공정이 나눌 수 있는 여러 하위 공정과 직접 연관됩니다. 주요 하위 공정: 예정된 스트로크 패턴을 제공하는 지그 본체와 구동 유닛, 공급, 공급 분배, 성층 물질 배출, 지그로부터 이송 메커니즘. 많은 지깅 요인은 본질적으로 제어 가능(조작 변수)이나, 일부 비제어 요인(교란 변수)도 처리 대상 광석과 연관돼 분리 공정에서 중요한 역할을 합니다. 이는 지그 성능에 영향을 주는 기본적 이유들입니다. 지그 베드는 보통 두 구역으로 나뉩니다. 정광 구역은 하부 층들로, 중량 광석 함량이 95% 초과해야 합니다. 이 한계는 일정 정광 품질을 나타냅니다.

지그 성능에 영향을 주는 두 주요 파라미터: (i) 펄스 형상(pulse shape), (ii) 광석이 펄스되는 시간(주거 시간). '펄스 형상'은 여러 것을 포괄하는 광의 용어입니다: (i) 펄스 진폭, (ii) 펄스 주파수, (iii) 펄스 예리도(통상 펄스 초반 물 기둥 가속도나 정현파로부터의 편차 지칭). '주거 시간'은 광석이 지그 베드에 머무는 시간입니다. 최적 성층 속도를 위한 펄스 형상 설정 후에도, 어려운 물질(미립 및 근중력 물질)이 베드 내 예상 층으로 이동할 시간을 보장할 충분한 주거 시간(지그 폭, 깊이, 길이에 의존)이 필요합니다.

펄스 형상 변경이 분리 속도와 품질에 영향을 준다는 것이 밝혀졌습니다. 보통 속도와 품질 변화는 서로 상충하며, 성공적 지그 설계는 경제적으로 실행 가능한 주거 시간 내 수용 가능한 분리를 주는 펄스 형상을 사용합니다. 따라서 지그 설계 시 적절히 크기가 정해지고 최대 성능과 유연성을 보장하는 적절한 펄스 형상을 제공하는 지그 기술을 확신을 가지고 선정하는 것이 과제입니다.

철광석 선광에 에어 펄스 지그 사용이 더 대중적입니다. 에어 펄스 지그가 무거운 광석, 특히 럼프 철광석의 깊은 베드 유동화에 필요한 큰 펄스 진폭 생성이 가능하기 때문입니다. 에어 펄스 지깅 기본 원리는 저압 공기(1기압 미만)를 개방 바닥 챔버에 주입해 지깅 대상 물질 베드를 통과하는 물 기둥을 가속하는 것입니다. 이 원리 구현에 두 가지 방식이 있습니다. 에어 포켓이 지그 스크린 데크 하부 폭 방향으로 뻗어 있거나, 지그 베드 한쪽에 위치합니다. 전자를 '베드 하부 펄스형(under-bed pulsated)' 지그, 후자를 '측면 펄스형(side pulsated)' 지그라 부릅니다. 기계식 시스템 대신 공기를 사용하는 이유는, 기계식 시스템의 경우 물 기둥을 단시간에 필요 속도까지 가속하는 데 순간 출력이 매우 높기 때문입니다. 공기를 수신기에 공급하는 블로어는 합리적 평균 전력 소모로 연속 운전합니다. 주어진 동력 요건에서 블로어가 컴프레서나 유압 팩보다 유지보수가 쉽습니다.

에어 펄스 지그는 지그 베드를 지지하고 에어 챔버에서 생성된 물 펄스가 특정 물질과 허치 물(hutch water)에 적합한 높이로 베드를 들어올릴 수 있게 하는 스크린 데크로 구성됩니다. 허치 물은 일정한 비율로 베드를 통과해 분리 효율을 돕고 베드를 더 오래 유동화 상태로 유지합니다. 지그 끝단에서 플로트가 베드 스트로크를 측정하고 제품 베드 높이를 지시합니다. 제품 베드 높이는 PLC(프로그래머블 로직 컨트롤러)에 설정값 주변 좁은 밴드 내 제품 베드 높이 제어를 위해 제품 게이트를 미세 개폐하도록 신호 줍니다. 테일링은 지그 끝단 위어 위로 흐르고, 정광은 지그 하부 호퍼에 모입니다. 고/저 레벨 프로브가 피더를 시작/정지해 정광 추출을 제어합니다. 펄스는 스크린 데크 하부 에어 챔버로 공기가 유입/배출되며 생성됩니다. 공기가 에어 챔버 내 물을 내려보내 광석 베드에 펄스를 만들고, 공기를 배출해 다음 펄스 시작 전 광석 베드가 지그 스크린 데크에 안착하게 합니다. 공기는 블로어가 생성해 작업용 에어 베슬에 저장됩니다. 팝펫 밸브가 에어 챔버 유입/배출 공기를 제어합니다. 에어 챔버 내 공기/물 계면 레벨은 레벨 프로브로 측정돼 팝펫 밸브 타이밍을 제어해 에어 챔버 스트로크를 일정하게 유지합니다. 에어 펄스 작동 지그 대표 개략도는 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 에어 펄스 작동 지그 대표 개략도