1. 서 론
텅스텐은 우수한 강도, 높은 융점, 내구성, 내마모성 등에서 다른 금속들과 비교하여 대체가 어려운 특성을 가지고 있어 초경합금, 특수강, 첨단로봇, 반도체, 자동차, 항공우주, 드론과 같은 유망 신사업에서 필수 소재로 주목받고 있는 금속으로 주목받고 있다1,2,3,4,5). 첨단산업이 발달함에 따라 지속적으로 텅스텐의 수요가 증가하고 있으나, 전세계적으로 생산 및 소비량의 대부분이 중국을 비롯한 일부 국가에 집중되어 있어 안정적인 확보는 점차 어려워지고 있다1,2,3,4).
텅스텐을 포함하고 있는 광물 중 경제성이 있는 것은 철망간중석(Wolframite, (Fe,Mn)WO4), 망간중석(Hubnerite, MnWO4), 철중석(Ferberite, FeWO4) 그리고 회중석(Scheelite, CaWO4) 으로 알려져 있다1,2,3,4). 텅스텐광은 일반적으로 요동테이블과 지그 등으로 높은 비중을 활용하는 비중 선별, 철망간중석과 철중석이 가지고 있는 자성 차이를 활용하는 자력 선별 연구와 함께 높은 취성으로 인하여 파분쇄 시 미립자가 다량 발생하여 부유 선별 연구가 많이 수행 되고 있다4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15). Kim 연구팀은 선별입자 크기에 따라 지그와 요동테이블 및 자력 선별법으로 정광 회수 공정을 개발한 바 있다11). 부유 선별의 경우에는 국내외 연구 그룹에서 다양한 포수제를 사용하며, oleic acid, sodium oleate, amine류, hydroxamic acid류, 선택성을 증가시킨 제미니형 포수제 등이 있다7,8,9,11,12,13,14,15). 또한, 국내에 부존되어 있는 텅스텐광의 채산성을 향상시켜 이를 활용하기 위한 부유 선별 연구도 진행된 바 있다13,14).
몽골은 석탄, 구리, 금, 철, 텅스텐 등 다양한 광물자원들을 보유하고 있는 세계 10대 자원부국으로 광물자원에 대한 관심은 높지만 기술, 장비 및 인프라의 부족으로 성장잠재력이 높은 국가 이다11,12,16,17). 몽골 내 텅스텐광은 주로 철망간중석 계열이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 국내에도 일부 회중석과 철망간중석 계열이 존재하는 것으로 알려져 있다. 텅스텐의 경우 현재는 전량 수입에 의존하고 있어, 향후 텅스텐 관련 산업의 안정적인 발전을 위하여 다양한 텅스텐 광의 자립개발을 위한 연구가 필요하다13,16).
본 연구에서는 몽골 홉드 아이막에 대량 부존되었다고 알려진 텅스텐 광산의 시료를 대상으로, 텅스텐 정광을 효율적으로 회수하기 위한 선별 공정 개발을 수행하였다.
2. 실험 방법
2.1. 시료 특성
시료는 몽골 홉드 아이막에 위치한 텅스텐 광산에서 채취하여 상온에서 3일간 건조 후 사용하였다. Fig. 1은 시료의 구성 광물을 확인하기 위한 XRD 분석 결과이며, Fig. 2는 현미경(편광, 반사) 분석 결과를 나타낸 것이다. XRD(X’pert MPD, Philips, Netherlands) 분석 및 현미경(DM4 P, Leica Microsystems, Germany) 감정 결과, 텅스텐은 주로 망간중석과 회중석으로 존재하고, 그 외 맥석광물로는 석영(Quartz, SiO2), 백운모(Muscovite, KAl2Si3AlO10(OH)2), 조장석(Albite, NaAlSi3O8), 흑운모(Biotite, K(Mg,Fe2+)3(Al,Fe3+)Si3O10(OH)2, 사녹니석(Clinochlore, (Mg,Fe)6(Si,Al)4O10(OH)8) 등으로 존재한다. 그리고 XRD 정량 분석 결과 망간중석과 회중석의 비율이 약 8:1로 텅스텐 광물 대부분이 망간중석으로 존재하는 것으로 확인된다. Table 1은 시료에 포함된 화학적 성분을 파악하기 위하여 XRF(MXF-2400, Shimadzu, Japan) 및 ICP-AES(5300DV, Perkin Elmer, USA) 분석을 실시한 결과이다. 시료의 텅스텐(WO3) 품위는 2.55 WO3%, 나머지 성분은 SiO2, Al2O3가 각각 64.12%, 12.57%로 대부분 규산염 광물로 Figs. 1, 2의 XRD 및 현미경 감정결과와 유사한 결과를 보였다.
Table 1.
Chemical composition of sample using XRF and ICP-OES
| Component | WO3 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO |
| wt.% | 2.55 | 64.12 | 12.57 | 5.50 | 3.68 | 3.15 |
| Component | K2O | Na2O | TiO2 | MnO | P2O5 | Ig.loss |
| wt.% | 2.31 | 1.62 | 0.57 | 0.71 | 0.14 | 0.95 |
2.2. 실험 방법
Fig. 1, Fig. 2에서 나타낸 것과 같이 시료 내 텅스텐은 주로 망간중석과 회중석으로 존재하는 것으로 확인되었다. 망간중석은 비중이 7, 회중석은 6 이상으로 맥석광물 비중 2.6-3 보다 높기 때문에 비중 차이를 이용하기 위하여 비중 선별 장비 중 요동테이블(shaking table)을 활용하여 정광의 품위와 회수율을 높이는 공정 개발 연구를 진행하였다. 이때, 발생한 산물의 화학적 성분 분석은 ICP-AES 장비를 사용하였다. Fig. 3은 요동테이블을 나타낸 것으로, 테이블 반면(deck)위 물의 흐름 속에서 비중과 크기가 서로 다른 입자 간 거동 차이를 이용하여 분리하는 비중선별 장비이다. 얇은 막을 이루고 흐르는 수류와 약간의 경사, 그리고 수류에 직각방향으로 움직이는 테이블 위에서 비중이 큰 입자와 작은 입자는 거동 차이가 발생하게 된다. 가장 미립이고 가벼운 입자는 아랫방향으로 이동하게 되어 맨 우측에 위치하며, 그 다음으로 비중이 작고 크기가 큰 입자, 비중이 크고 크기가 큰 입자가 마찰력과 수류의 영향으로 이동, 가장 마지막으로 비중이 크고 크기가 작은 입자가 좌측 상단으로 이동한다. 각 위치별로 시료를 수집하여 분리하는 메커니즘을 가지고 있으며, 수류의 수직방향으로 다수의 작은 리플(riffle)이 설치되어 있어 테이블의 마찰력을 보완하는 역할을 한다. 실험 후, 우측 하단부터 순서대로 수집한 산물은 Slime, Tailings, Middling, Concentrates로 표기하였다. 요동테이블에서 실험 변수는 반면의 기울기(inclination angle), 공급수 유량(water flow rate), 시료 투입량(material feed rate), 시료 입도(particle size), 진동 주기(stroke frequency) 등이다. 본 연구에서는 시료 입도, 공급수 유량, 반면의 기울기를 변수로 설정하여 실험을 진행하고, 단계별 공정을 적용하여 선별 공정 개발 연구를 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 비중 선별
Fig. 4는 Shaking table에 투입하는 시료의 입도가 비중 선별에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 입도는 해당 하는 크기의 Sieve(mesh)에 모두 통과하는 시료로 표시 하였으며, –25~–65 mesh 구간에서 입도가 작아질수록 정광의 품위가 소폭 증가하는 한편, 회수율은 대폭 감소하는 것을 확인하였다. 일반적으로 선별에서 확인되는, 광물의 입도가 작을수록 단체분리도가 증가하여 비중 선별 시 정광의 품위가 증가하고, 상대적으로 분쇄로 인한 입도가 작아짐에 따라 분리가 어려운 미립자가 많아져 회수율을 감소하는 경향을 나타내는 것과 유사한 경향을 가지는 것을 확인하였다. 따라서, 정광 품위와 회수율을 고려하여 최적 입도는 –35 mesh로 판단하였다.
Fig. 5는 Shaking table에 투입하는 급수의 유량이 비중 선별에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 시료와 함께 투입하는 급수의 유량이 2~8 l/min 구간에서 유량이 증가할수록 품위가 증가하고, 회수율이 감소하였다. 이는, 급수의 유량이 증가하는 경우 상대적으로 비중이 낮은 광물이 Conc. 구간에 수집되는 것을 방해하고, 동시에 텅스텐이 포함된 광물 시료가 급수와 함께 이동하면서 Conc.가 아닌 Mid.~Slime 구간으로 수집되는 것을 유도하면서 품위와 회수율의 변화가 발생하는 것으로 확인하였다. 따라서, 정광 품위와 회수율을 고려한 최적 유량은 6 l/min로 판단하였다.
Fig. 6은 Shaking table 반면의 경사각이 비중 선별에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 시료와 급수가 동시에 투입되고 시료 내 입자의 비중 차이에 의하여 거동의 차이가 발생하는 반면의 경사각이 2~6° 구간에서 경사각이 증가할수록 품위가 소폭 증가하고, 회수율이 대폭 감소하였다. 이는, 기울기의 경사각이 증가하는 경우 비중이 낮은 광물 시료가 Mid.~Slime 구간으로 수집되는 것을 유도하면서 품위와 회수율의 변화가 발생하는 것으로 확인 되었다. 따라서, 정광 품위와 회수율을 고려한 최적 경사각은 3°로 판단하였다.
Fig. 7은 Figs. 4,5,6에서 도출된 최적 조건으로 shaking table에서 비중 선별을 진행 중인 실험과 Conc.로 수집되는 정광을 확인하기 위하여 mineral light(UV-lamp)를 조사한 결과이다. 일반적으로 망간중석과 회중석은 가시광선에서 짙은 색을 가지고 자외선에서 파란색으로 발광하는 것으로 알려져 있다. Fig. 7에서 shaking table 반면 위에서 짙은 색의 입자들이 좌측 상단에 띠를 이루어 존재하는 것으로 보아 망간중석의 분리가 잘 되는 것으로 확인되었다. 그리고 해당 부분을 mineral light로 조사한 결과 좌측부분이 파란색으로 발광하는 것으로 보아 망간중석과 회중석인 것으로 판단된다.
Fig. 8은 Figs. 4,5,6에서 도출된 최적 조건으로 shaking table에서 비중 선별을 수행한 산물의 구성 광물을 파악하기 위한 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. Conc.에 텅스텐 광물인 망간중석과 회중석의 피크가 상대적으로 높고, 맥석 광물인 석영과 흑운모의 피크가 상대적으로 낮은 것으로 텅스텐 광물이 Conc.로 농축 된 것을 확인할 수 있다. 그리고 일부 텅스텐 광물이 Mid.에도 포함되어 있어 최종적으로 회수하는 정광의 품위와 회수율을 향상시키기 위하여 추가적인 선별 공정이 필요한 것을 확인하였다.
3.2. 선별 공정 설계
일반적으로 광물의 선별 공정에서 가장 먼저 수행하는 선별공정을 Rougher라고 하며, 이 공정은 맥석을 우선적으로 분리하기 위한 공정이다. 그리고 본 연구에서는 텅스텐을 포함하고 있는 망간중석과 회중석의 비중이 6이상으로 상대적으로 맥석광물보다 높기 때문에 Cleaner 공정을 통하여 중광물 품위를 향상시키고, 비중이 낮은 경광물은 Scavenger 공정을 통하여 회수율을 향상시키는 공정을 추가하여, 최종 정광의 품위와 회수율을 높이는 방향으로 선별 공정 설계를 수행하였다. 텅스텐 정광은 일반적으로 60 WO3% 이상의 품위로 거래되기 때문에 이를 기준으로 Cleaner와 Scavenger 공정을 단계적으로 추가하여 각 선별 공정 간 연결 및 공정에서 발생하는 선별 산물 투입 등을 조절하면서 Fig. 9의 선별 공정을 설계하였다. Fig. 9의 선별 공정에서 최종 정광은 품위와 회수율을 동시에 고려하여 Cl.2 공정에서 발생한 Conc. 산물과 Cl.3 공정에서 발생한 Conc. 산물을 혼합하여 62.42 WO3%, 81.14% 인 것을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 몽골 홉드 아이막에 위치한 광산에서 채취한 시료를 대상으로 텅스텐 정광을 효율적으로 회수하기 위한 선별 공정 개발을 진행하였다. 시료 분석 결과 텅스텐은 주로 망간중석과 회중석 형태로 존재하며, 망간중석과 회중석의 비율이 약 8:1로 대부분이 망간중석인 것으로 확인되었다. 그리고 대부분의 맥석광물은 석영, 백운모, 조장석 등의 규산염 광물로 구성되어 있는 것으로 확인되었다.
요동테이블을 이용한 비중 선별 실험에서 입도가 작아질수록 단체분리도가 증가하여 정광의 품위는 향상되었으나, 미립자의 분리가 어려워짐에 따라 회수율이 감소하는 것으로 확인되었다. 공급수의 유량이 증가할수록 비중이 낮은 광물의 Conc. 회수 구간으로의 이동이 방해되고, 동시에 텅스텐 광물이 Mid.과 Slime 회수 구간으로 이동하면서 품위는 증가하고 회수율은 감소하는 것으로 확인되었다. 반면의 경사각은 증가할수록 비중이 낮은 광물이 Mid. 과 Slime 회수 구간으로 이동하여 품위는 소폭 증가하고 회수율은 감소하는 것으로 확인되었다. 이러한 결과를 바탕으로 입도 –35 mesh, 급수 유량 6 l/min, 경사각 3°를 최적 조건으로 도출하였다.
최종적으로 Rougher, Cleaner, Scavenger를 포함한 다단 선별 공정을 설계하여 실험을 진행한 결과 WO3 품위 62.42%, 회수율 81.14%인 최종 정광을 회수하는 공정을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 선별 공정은 몽골 홉드 아이막 지역 텅스텐 광석의 효율적인 처리가 가능할 것으로 판단된다.
