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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 경제적 가치가 낮은 저품위 철광석의 자원화 가능성에 대하여 가늠해 보고자 하였다. 이를 위하여 광물의 표면성질의 차이를 이용한 체질, 분급, 비중선광, 자력선광과 부유선광 등 광물의 단체분리 (Mineral liberation)를 목적으로 행하여지는 전처리 공정에 초점을 맞추어 점하중강도, 파쇄율 및 분급도 측정실험을 수행하였으며, 분쇄 효율을 규명하고자 파쇄 율에 중점을 두고 실험을 진행하였다5-7).
- 본 연구에서는 자원고갈에 따른 저품위 철광석의 자원화 가능성에 대한 연구를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 철광석 원광을 열처리한 후 급속냉각 시켜 철광석을 구성하는 철산화물과 맥석 구성 광물간의 열팽창률 차이에 따른 균열을 야기 시켜 이에 따른 파쇄거동 특성을 알아보고자 2종의 철광석 A와 B를 대상으로 실험하였다. 열처리 실험조건은 700°C로 가열된 상태의 전기로(Front door Box Type, 10 kw)내에 철광석 A와 B를 신속히 장입하고 1시간동안 가열한 후다시 신속히 꺼내어 대기중에서 급랭 하였다.
- 본 연구에서는 흡착에 의한 표면적 측정 방법으로 분체 입자의 표면적뿐만 아니라, 입자 내부의 기공 부피까지 측정 가능한 BET 측정을 하였다. BELSORP社의 BELSORP-mini 모델을 이용하여 측정하였으며, 먼저 시료용기와 시료의 무게를 측정하고 시료장입 후 이미 흡착되어있는 수분이나 다른 가스에 의한 측정 불확도를 최소화하기 위하여, 전처리 과정에 해당하는 시료의 탈가스화를 300°C 온도에서 6시간동안 실시하였다.
제안 방법
- BELSORP社의 BELSORP-mini 모델을 이용하여 측정하였으며, 먼저 시료용기와 시료의 무게를 측정하고 시료장입 후 이미 흡착되어있는 수분이나 다른 가스에 의한 측정 불확도를 최소화하기 위하여, 전처리 과정에 해당하는 시료의 탈가스화를 300°C 온도에서 6시간동안 실시하였다.
- X선 회절분석(X-ray diffraction)을 위해 본 연구에 사용된 기기는 Rigaku사의 D/max 2500으로 −500 μm 입도의 철광석 A 및 B의 원광과 열처리한 시료의 XRD분석을 각각 행하였다.
- jaw crusher (150 mm × 200 mm, SW0J01)에서 ±5 mm입도로 파쇄된 철광석 A 및 B의 파면을 관찰 면으로 하고 백금 코팅후 SEM분석을 행하였으며, 원광 상태와 열처리 후의 상태로 나누어 분석하였다.
- 각각의 시간대 별로 분쇄된 시료의 breakage rate와 입도분포를 확인하기 위하여 Sieve shaker (haver&boecker, EML 200 digital plus T)에 500, 400, 300, 200, 100 및 53 μm의 sieve(haver & boecker社, DIN ISO 3310-1 standard sieve)를 장착하고 진폭 (amplitude)3.0으로 3분간 체질하였다.
- 두 광석 시험편의 성분분석을 위해 ICP(Inductively Coupled Plasma)분석을 행하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 이를 보면 두 광석의 Fe 함량은 각각 64.
- 이를 위하여 광물의 표면성질의 차이를 이용한 체질, 분급, 비중선광, 자력선광과 부유선광 등 광물의 단체분리 (Mineral liberation)를 목적으로 행하여지는 전처리 공정에 초점을 맞추어 점하중강도, 파쇄율 및 분급도 측정실험을 수행하였으며, 분쇄 효율을 규명하고자 파쇄 율에 중점을 두고 실험을 진행하였다5-7). 또한 광석의 조직학적 특성 파악을 위하여 XRD와 SEM 분석 시험도 병행하였다.
- 본 연구에서는 JEOL社의 JSM-840A를 이용하여 주사전자현미경(SEM)분석을 행하였다. jaw crusher (150 mm × 200 mm, SW0J01)에서 ±5 mm입도로 파쇄된 철광석 A 및 B의 파면을 관찰 면으로 하고 백금 코팅후 SEM분석을 행하였으며, 원광 상태와 열처리 후의 상태로 나누어 분석하였다.
- 분석 조건은 Cu target, Kα=1.54059 Å, 전압 40 kV, 전류 300 mA, scan speed 0.06o/sec, divergence and scattering slit 1° 로 θ-2θ scan방식으로 θ는 5 ~ 45°범위로 산란강도를 측정하였다.
- 열처리 실험조건은 700°C로 가열된 상태의 전기로(Front door Box Type, 10 kw)내에 철광석 A와 B를 신속히 장입하고 1시간동안 가열한 후다시 신속히 꺼내어 대기중에서 급랭 하였다.
- 열처리가 광석의 강도에 미치는 영향을 확인해 보고자 열처리 전(원광)과 후로 나누어 점하중강도 값을 비교 측정하였다. 우선 점하중강도 측정을 위하여 시험편의 가공이 필요하지만, 본 연구에서는 별도의 가공을 거치지 않고 50 mm에 근접한 lump형태의 광석을 선정하여, 점하중강도 시험을 수행하였다.
- 열처리가 광석의 강도에 미치는 영향을 확인해 보고자 열처리 전(원광)과 후로 나누어 점하중강도 값을 비교 측정하였다. 우선 점하중강도 측정을 위하여 시험편의 가공이 필요하지만, 본 연구에서는 별도의 가공을 거치지 않고 50 mm에 근접한 lump형태의 광석을 선정하여, 점하중강도 시험을 수행하였다. 준비된 시험편 각각의 W(너비)및 D(두께)를 측정한 후 시험편을 장착하고, 장착한 시험편이 10 ~ 60초 사이에 파괴가 일어날 수있도록 서서히 하중을 가하여, 시험편이 파괴되는 순간의 최대 하중 값(kgf/cm2)을 측정하였으며, 이를 다음의 점하중 강도 계산식에 대입하여 값을 산출하였다8).
- 본 연구에서는 이러한 경제적 가치가 낮은 저품위 철광석의 자원화 가능성에 대하여 가늠해 보고자 하였다. 이를 위하여 광물의 표면성질의 차이를 이용한 체질, 분급, 비중선광, 자력선광과 부유선광 등 광물의 단체분리 (Mineral liberation)를 목적으로 행하여지는 전처리 공정에 초점을 맞추어 점하중강도, 파쇄율 및 분급도 측정실험을 수행하였으며, 분쇄 효율을 규명하고자 파쇄 율에 중점을 두고 실험을 진행하였다5-7). 또한 광석의 조직학적 특성 파악을 위하여 XRD와 SEM 분석 시험도 병행하였다.
- BELSORP社의 BELSORP-mini 모델을 이용하여 측정하였으며, 먼저 시료용기와 시료의 무게를 측정하고 시료장입 후 이미 흡착되어있는 수분이나 다른 가스에 의한 측정 불확도를 최소화하기 위하여, 전처리 과정에 해당하는 시료의 탈가스화를 300°C 온도에서 6시간동안 실시하였다. 이후 시료를 장치에 고정하고 액체질소 온도인 77 K로 분석을 행하였다.
- 우선 점하중강도 측정을 위하여 시험편의 가공이 필요하지만, 본 연구에서는 별도의 가공을 거치지 않고 50 mm에 근접한 lump형태의 광석을 선정하여, 점하중강도 시험을 수행하였다. 준비된 시험편 각각의 W(너비)및 D(두께)를 측정한 후 시험편을 장착하고, 장착한 시험편이 10 ~ 60초 사이에 파괴가 일어날 수있도록 서서히 하중을 가하여, 시험편이 파괴되는 순간의 최대 하중 값(kgf/cm2)을 측정하였으며, 이를 다음의 점하중 강도 계산식에 대입하여 값을 산출하였다8).
- 철광석 A와 B를 jaw crusher(150 mm × 200 mm, SW0J01)를 이용하여 5 mm 이하로 조분쇄하고 planetary ball mill(fritsch, pulverisette 5) 250 ml의 용기내에 30 mm tempered steel ball 10개와 앞서 조분쇄한5 mm 이하의 철광석 시료 A와 B를 각각 150 g씩 장 입한 후 350 rpm 조건에서 30초, 60초 및 90초로 분쇄하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 일련의 실험들을 통한 철광석의 품위 향상 가능성에 대한 단순한 경향을 확인하고, 광석에 대한 정보가 전무한 괴광 형태인 2종의 호주산 적철광A 와 호주산 갈철광 B를 선정하여 실험을 진행하였다. 열처리와 점하중 강도 측정에는 원광 상태 그대로인 괴광 형태의 광석을 사용하였고 이 외의 모든 실험에는±5 mm입도로 조분쇄한 광석과 이 조분쇄된 것을 다시–500 μm으로 미분쇄한 광석이 사용되었다.
- 열처리와 점하중 강도 측정에는 원광 상태 그대로인 괴광 형태의 광석을 사용하였고 이 외의 모든 실험에는±5 mm입도로 조분쇄한 광석과 이 조분쇄된 것을 다시–500 μm으로 미분쇄한 광석이 사용되었다.
성능/효과
- 1) XRD분석 결과, A철광석 내에 Fe는 자철석과 적철석이 혼재된 형태로 존재하고, B철광석은 침철석과 적철석형태로 존재함을 확인하였다. 열처리 후 A광석 내에 마그네사이트는 650°C부근에서 MgO와 CO3로 열분해 되었으며, B광석 내에 침철석은 250°C부근에서 (OH)기가 탈락되어 hematite화 함을 알 수 있었다.
- 2) BET측정 결과, B광석이 A광석에 비해 약 30배 이상 높은 비표면적을 나타내었다. 또한 평균 직경은 작지만 더 많은 수의 기공들이 상대적으로 B광석 내에 많이 포함되어 있는 것을 확인하였다.
- 3) 열처리 후 B광석의 SEM결과를 보면, 가열 전에는 발견되지 않았던 다수의 기공들이 관찰되는데, 이는 열처리 과정에서 FeO(OH)의 (OH)기가 250°C부근에서 탈리된 결과이다.
- Fig. 1과 Fig. 2에 나타낸 XRD 분석결과를 살펴보면 원광 상태의 철광석 A는 magnetite와 hematite가 혼재되어 분포된 형태의 광석으로 맥석은 마그네사이트 형태로 존재하고, B광석은 (OH)기가 함유된 goethite를 주성분으로 하는 광석으로 소량의 적철석이 존재함을 확인할 수 있는데, 열처리 전 A광석에서 관찰되었던 마그네사이트와 B광석에서 관찰되었던 침철석은 열처리 후에는 관찰되지 않았다. 이는 열처리에 의해 마그네사이트는 약 650℃에서 MgO와 CO2로 열분해가 이루어지고 침철석은 약 250℃부근에서 (OH)가 탈락되어 goethite상이 hematite상으로 바뀐 결과로 판단되며 열처리 후 A 및 B광석의 중량 감소에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다9,10).
- 이는 A광석에 비해 B광석이 직경은 작지만 더 많은 수의 기공을 포함하고 있음을 의미한다. 따라서 B광석이 A광석에 비해 월등히 큰 비표면적 값을 나타낸 것으로 보이며, 이로 인하여 열처리 전 B광석의 점하중 강도가 A광석보다 낮게 나타난 것으로 판단된다. 또한 열처리 후 A광석은 형태에 거의 변화가 없었던 반면에 B광석은 수많은 크랙이 형성된 것을 육안으로 확인 할수 있었다.
- 이는 열처리에 의해 마그네사이트는 약 650℃에서 MgO와 CO2로 열분해가 이루어지고 침철석은 약 250℃부근에서 (OH)가 탈락되어 goethite상이 hematite상으로 바뀐 결과로 판단되며 열처리 후 A 및 B광석의 중량 감소에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다9,10). 또한 B광석의 XRD 측정 결과를 보면 열처리에 의한 (OH)기의 탈리가 균열을 야기한 원인이 되어 열처리 후 B광석의 점하중 강도가 큰 폭으로 감소한 것으로 판단된다.
- 따라서 B광석이 A광석에 비해 월등히 큰 비표면적 값을 나타낸 것으로 보이며, 이로 인하여 열처리 전 B광석의 점하중 강도가 A광석보다 낮게 나타난 것으로 판단된다. 또한 열처리 후 A광석은 형태에 거의 변화가 없었던 반면에 B광석은 수많은 크랙이 형성된 것을 육안으로 확인 할수 있었다. 이는 광석의 기공내부에 갇혀있던 기체와 수분 등의 물질들이 열처리에 의하여 팽창하면서 발생한 결과로 보인다.
- 2) BET측정 결과, B광석이 A광석에 비해 약 30배 이상 높은 비표면적을 나타내었다. 또한 평균 직경은 작지만 더 많은 수의 기공들이 상대적으로 B광석 내에 많이 포함되어 있는 것을 확인하였다. 점하중 강도,Breakage rate 및 입도분포 측정을 통하여 기공이 더 많은 B광석의 분쇄가 A광석 보다 양호한 것을 확인하였다.
- 23%로 두 광석 모두 내수 기준 품위인 56 ~ 65% Fe에 적합한 광석임을 알 수 있다. 맥석은 두 광석 모두 높은 함유율을 보이진 않으며, B광석의 불순물이 A광석에 비해 모두 높게 나타났으나, MgO는 A광석이 높은 것으로 확인되었다. 이러한 원인은 X-선 회절분석에서 알 수 있듯이 A광석에는 마그네사이트가 소량 함유 되어 있기 때문으로 판단된다.
- 상술한 SEM 분석 결과와 같이 A광석은 철산화물과 맥석이 비교적 독립적으로 분리된 형태의 상으로써 광석의 미립 화에 의한 단체분리효과를 기대할 수 있을 것으로 판단됨에 따라 자력선별, 부유선별 및 비중선별 등의 광석 처리 공정을 통한 품위 향상이 가능할 것으로 판단된다. 반면 B광석은 철산화물과 Si 및 Al산화물 등의 맥석이혼재되어 균일하게 분산된 조직을 갖고 있어 단체분리를 위하여 A광석보다 미립으로 분쇄하여야 할 것으로 판단되나 열처리 후의 SEM-EDAX결과를 보면 Fe성분 조성이 열처리 전인 62 ~ 68%에서 약 81%로 크게 증가하는 경향을 보여 열처리를 적용한 광석의 품위향상이 가능할 것으로 판단된다.
- 5는 철광석 A 및 B에 대한 열처리 전과 후의 중량변화를 각각 나타낸 것이다. 실험오차를 최소화하기 위하여 각 광석마다 3회씩 열처리를 행하였으며, 그결과 A광석의 평균 중량 감소율이 1.64%, B광석의 평균 중량 감소율이 12.7%로 B광석의 평균 중량 감소율이 A광석의 평균 중량 감소율에 비해 약 7배가량 상대 적으로 높게 나타났다. 열처리가 광석의 중량 감소에 미치는 다양한 인자들 중 수분함량이 미치는 영향을 확인해 보고자 수행한 수분함량 분석 결과를 Fig.
- 열처리 후 A광석 내에 마그네사이트는 650°C부근에서 MgO와 CO3로 열분해 되었으며, B광석 내에 침철석은 250°C부근에서 (OH)기가 탈락되어 hematite화 함을 알 수 있었다.
- 12는 열처리 전과 후의 A 및 B광석을 30초, 60초 및 90초로 분쇄 후 입도분포를 비교한 것으로 열처리 전 A광석은 분쇄 시간이 증가함에 따라 S4입자의 양은 감소한 반면에 가장 입도가 작은 S6입자의 양은 증가하는 특징을 보였다. 열처리 후에는 분쇄 시간이 증가함에 따라 S4입자의 양이 열처리 전과는 달리 증가하는 것을 확인할 수 있으며, S6입자의 양도 증가는 하였으나 열처리 전에 비해 상승 폭은 다소 감소하였다. 이는 전술한 Breakage rate 및 BET측정 결과에 나타낸 바와 같이 A광석이 B 광석에 비해 상대적으로 비표면적이 작고 기공의 직경은 A광석이 B광석보다 크기 때문에 열처리에 의해 크랙을 유발하는 요인이 감소하는데 기인하는 것으로 판단된다.
- 3) 열처리 후 B광석의 SEM결과를 보면, 가열 전에는 발견되지 않았던 다수의 기공들이 관찰되는데, 이는 열처리 과정에서 FeO(OH)의 (OH)기가 250°C부근에서 탈리된 결과이다. 이러한 현상이 균열을 야기하여 열처리 후 B광석의 분쇄율 향상에 기여하였으며, 이를 점하중 강도, Breakage rate 및 입도분포 측정을 통하여 확인할 수 있었다.
- 두 광석 시험편의 성분분석을 위해 ICP(Inductively Coupled Plasma)분석을 행하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 이를 보면 두 광석의 Fe 함량은 각각 64.74%와 57.23%로 두 광석 모두 내수 기준 품위인 56 ~ 65% Fe에 적합한 광석임을 알 수 있다. 맥석은 두 광석 모두 높은 함유율을 보이진 않으며, B광석의 불순물이 A광석에 비해 모두 높게 나타났으나, MgO는 A광석이 높은 것으로 확인되었다.
- 또한 평균 직경은 작지만 더 많은 수의 기공들이 상대적으로 B광석 내에 많이 포함되어 있는 것을 확인하였다. 점하중 강도,Breakage rate 및 입도분포 측정을 통하여 기공이 더 많은 B광석의 분쇄가 A광석 보다 양호한 것을 확인하였다.
후속연구
- B광석의 가열 후의 SEM사진에 원으로 표시한 부분을 보면 가열 전에는 관찰할 수없었던 다수의 기공들이 관찰되는데 이는 가열을 통하여 (OH)기가 탈리되어 생긴 결과로 판단된다. 상술한 SEM 분석 결과와 같이 A광석은 철산화물과 맥석이 비교적 독립적으로 분리된 형태의 상으로써 광석의 미립 화에 의한 단체분리효과를 기대할 수 있을 것으로 판단됨에 따라 자력선별, 부유선별 및 비중선별 등의 광석 처리 공정을 통한 품위 향상이 가능할 것으로 판단된다. 반면 B광석은 철산화물과 Si 및 Al산화물 등의 맥석이혼재되어 균일하게 분산된 조직을 갖고 있어 단체분리를 위하여 A광석보다 미립으로 분쇄하여야 할 것으로 판단되나 열처리 후의 SEM-EDAX결과를 보면 Fe성분 조성이 열처리 전인 62 ~ 68%에서 약 81%로 크게 증가하는 경향을 보여 열처리를 적용한 광석의 품위향상이 가능할 것으로 판단된다.
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