Breakage and Liberation Characteristics of Iron Ore from Shinyemi Mine by Ball Mill

Abstract

This study aims to investigate breakage and liberation characteristics of iron ore from Shinyemi mine, Jeongseon by ball mill. Parameters of breakage functions for three grade samples of iron ore were obtained using single-sized-feed breakage test and back-calculation based on nonlinear programming. The results showed that with the increase in the grade of iron ore, the breakage rate factor decrease whereas the particle size sensitivity decreases. This results from retardation of microcrack-propagation by magnetite grain in the ore. Breakage distribution analysis showed that the breakage mechanism appear to be impact fracture dominant with the increase of grade owing to the stress distribution effect by magnetite grain. Degree 12 이돈우 · 권지회 · 김관호 · 조희찬 J. of Korean Inst. Resources Recycling Vol. 29, No. 3, 2020 1. 서 론 광업 분야에서 선광 공정은 분쇄 공정과 이후의 분리 공정으로 이루어진다. 선광 공정에서 가장 선행되는 분쇄 공정은 입도의 감소를 통하여 광석 내 목적광물을 맥석과 입자 단에서 분리시키는 것을 목적으로 실시한다. 이러한 분쇄 공정은 높은 에너지를 소비하는 공정으로 대부분의 선광 공정에서 총 에너지 비용의 약 50% 이상을 차지한다. 또한, 에너지 효율이 낮기 때문에 투입 에너지의 10-20% 만이 실제 입도 감소에 사용된다. 이때 소비되는 에너지 의 양은 입도 영역에 따라 차이가 존재하며, 입도 영역이 작아질수록 소비되는 에너지의 양이 기하급수적으로 증 가한다. 뿐만 아니라 분쇄 공정에서의 단체분리 달성도가 전체 공정의 효율에 영향을 끼친다는 점에 있어서도 분쇄 공정은 중요한 의미를 갖는다. 그러므로 효율적인 분쇄 공정의 설계는 에너지 절약 및 이후 공정의 효율적인 수행 측면에서 필수적이나 국내 대부분의 현장에서 분쇄 공정 은 장비의 매뉴얼이나 경험에 의존하기 때문에 비효율적 인 공정을 운영하고 있다. 따라서 분쇄 대상 광석의 분쇄 및 단체분리 특성에 대한 이해를 바탕으로 효과적인 장비 운용이 가능하도록 할 필요가 있으며, 이를 위해 수학적 모델에 기초하여 분쇄 공정을 해석하는 방법을 적용할 수 있다. 수학적인 분쇄모델은 과거로부터 많은 연구가 진행되 어 왔다. 고전적인 분쇄모델로는 Kick, Rittinger, Bond의 법칙이 있는데, 이들은 볼밀의 회분식 분쇄실험의 결과 를 바탕으로 한 경험적 모델로서, 에너지와 분쇄 전과 후 입도의 관계식 형태로 나타난다. 일반적으로 큰 입도에서 는 Kick의 법칙이, 작은 입도에서는 Rittinger의 법칙이 잘 일치한다고 알려져 있다. 이러한 고전적인 분쇄모델의 한계를 보완하는 모델이 1960년대에 등장한 물질수지방 정식(population balance equation, PBE)에 기초한 모델 로 분쇄율과 분쇄분포를 이용하여 분쇄 공정을 설명하였 으며, Austin, Luckie, Reid에 의해 연구가 수행되었다. 이 모델을 이용하면 투입한 시료에 대하여 임의의 분쇄시 간에 따른 분쇄 후의 입도 분포의 예측이 가능하다. 분쇄 공정 이후의 분리 공정의 효율에는 분쇄 후의 입 도 분포뿐만 아니라 단체분리도 역시 매우 중요한 지표로 작용한다. 단체분리도는 전체 유용 광물 중 맥석과 결합 되지 않고 단일 광물 입자 형태로 존재하는 비율로 정의할 수 있으며, 현미경을 통한 화상 분석을 이용하여 측정할 수 있다. 과거에는 단체분리도 측정을 위한 광물의 경계 면 구분 방법으로 화학적 부식을 이용하는 접근법들이 주 로 사용되었으나, 최근에는 광물의 색과 빛에 의한 반사율 을 통해 경계를 구분하는 방법이 주로 사용되며, 광학 현 미경 대신 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 분석이 이루어진다. 전자현미경의 후 방산란전자(black scattered electron, BSE)에서 획득한 이미지의 경우 원자 크기에 따라 충돌 확률 차이에 기인한 명암 차이가 발생하기 때문에 이를 이용하여 분석이 가능 하다. 이때 명암 정도가 비슷하여 구별이 어려울 경우 X 선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)이 보완적으로 활 용될 수 있다. 최근 분석 장비의 발달로 주사전자현미경 의 BSE이미지와 이미지 상 입자들의 X선 정보를 함께 활 용하여 목적광물의 품위 분포 측정이 가능하게 되었다. 본 연구는 신예미 광산의 철광석을 대상으로 수행되었 다. 신예미 광산은 태백산 광화대 서부에 위치하며, 2019 년 10월 현재 연간 1백만 톤의 자철광석을 생산하고 있다. Fe 기준 품위 36%의 원광으로부터 선별 과정을 거쳐 약 42% 품위의 건식 정광을 생산하며, 이 과정에서 발생되 는 22% 품위의 중광은 2차 선별 공정의 대상이 된다. 2차 선별 공정은 볼밀에 의한 분쇄, 습식 자력 선별로 구성되 어 있으며 2차 정광의 평균 품위는 약 55%이다. 중광에 대한 2차 선별 공정은 분쇄 공정 비용으로 인해 철광석의 가격에 따라 가동 유무를 결정하고 있는데 공정 비용 중 볼밀에 의한 분쇄 공정이 약 80% 이상을 차지하는 것으 로 추산된다. 철 함량 기준 원광의 20%를 차지하는 중광 의 경제성을 확보하기 위해서는 효율적인 분쇄 공정 설계 of liberation (DOL) increased with the increase in grade and decrease in particle size, respectively. Using the breakage function and size-DOL relationship, a model that can predict time-dependent-DOL is established. When scale-up factors from operating condition are available, the model is expected to be capable of predicting size and DOL with time in actual mining process.