원심력 광물 선광

원심 농축은 회전하는 슬러리 흐름 속에서 광물 입자가 발생시키는 관성 원심력의 차이를 이용하여 입자를 밀도에 따라 분리하는 중력 분리 방법입니다. 중력장에서는 입자 크기가 작아질수록 침강력과 침강 속도가 급격히 감소하며, 이에 따라 분리 효율과 장비의 처리 용량도 감소합니다. 회전하는 슬러리 흐름에 의해 발생하는 관성 원심력은 중력보다 수십 배에서 수백 배 더 크기 때문에, 광물 입자의 층분리 속도를 크게 높이고 장비의 처리 능력을 향상시킵니다.

원심 농축기는 처리 용량이 크고 분리 비용이 저렴하여 미세 입자 광석의 처리에 적합하지만, 농축률이 낮아 일반적으로 1차 농축에 사용됩니다.

원심 농축기는 크게 두 가지 유형으로 나뉩니다. 하나는 기계 본체를 회전시켜 원심력을 발생시키는 유형이고, 다른 하나는 슬러리의 급속 회전 흐름을 통해 원심력을 발생시키는 유형입니다. 전자는 수평형 및 수직형 원심 농축기를 포함하며, 후자는 단원뿔형 하이드로사이클론 등을 포함합니다.

2.7.2 원심 농축 장비

2.7.2.1 수평 원심 농축기

그 구조는 그림 2-40에 나와 있다. 이 장비는 1964년 우리나라의 윈난 주석공업회사에서 성공적으로 개발되었다. 이 장비는 주 장치와 제어 장치, 두 부분으로 구성되어 있다. 주 장치는 수평으로 배치된 원뿔형 드럼이다. 작동 시, 슬러리는 평평한 공급 노즐을 통해 드럼 벽면에 접선 방향으로 공급된다. 슬러리는 드럼과 함께 회전하면서 드럼 벽면의 축방향 경사면을 따라 흐르며, 이로 인해 층화가 발생한다. 하층에 있는 무거운 광물 입자는 드럼 벽면에 침전되는 반면, 상층에 있는 가벼운 광물 입자는 슬러리와 함께 드럼 후단에서 광미로 배출된다. 무거운 광물 입자가 일정 두께에 도달하면 공급이 중단되고, 세척 노즐을 통해 고압의 물이 주입되어 무거운 광물 입자를 아래로 씻어내어 농축물을 형성합니다. 슬러리 공급, 공급 중단, 세척을 통한 광미 확보, 농축물 추출은 모두 제어 장치에 의해 주기적으로 수행됩니다.

그림 2-40 φ800×600 윈난 주석 원심 농축기의 구조

1 – 공급 호퍼; 2 – 세척 노즐; 3 – 상부 공급 노즐; 4 – 회전 드럼; 5 – 섀시; 6 – 수취 트로프; 7 – 보호 커버; 8 – 분리기; 9 – 다이어프램 밸브; 10 – 3방향 밸브; 11 – 모터; 12 – 하부 공급 노즐; 13 – 세척수 평면 노즐

원심 농축기는 평면 슬루스에서 중력 대신 원심력을 이용하여 광물을 분리함으로써, 필름 분리 공정의 효율을 높입니다. 수평형 원심 농축기는 입자 크기가 0.15~0.01 mm인 텅스텐, 주석, 철광석을 분리하는 데 사용되며, 1.5~3의 농축 비율을 달성합니다. 철광석은 가공을 통해 최종 농축물을 얻을 수 있는 반면, 텅스텐과 주석의 경우 최종 농축물을 얻기 위해 추가 장비를 이용한 세밀한 조정이 필요합니다.

제트 원심 농축기는 1990년대 초 베이징 광업 및 야금 종합연구소에서 성공적으로 개발한 신형 수평 원심 농축기입니다. 그림 2-41에 표시된 바와 같이, 이 장치의 구조는 회전 드럼, 분배판, 급입구, 급수관 및 제트 인젝터로 구성됩니다. 슬러리는 드럼 내부로 직접 공급되는 반면, 저압의 깨끗한 물은 분배판으로 공급된다. 깨끗한 물은 분배판에서 넘쳐흐르며, 상층의 광물 입자를 드럼의 종방향 경사면을 따라 배출 단으로 밀어낸다. 분사수의 충격 지점이 변화함에 따라 드럼 원주 주변에 수력 제방이 형성되어, 광물층이 느슨해졌다가 다시 압축되는 과정을 반복하게 되며, 이로 인해 바이노(Baynoh) 힘의 전단 및 층화 효과가 강화된다. φ1200 mm 드럼은 600–700 rpm의 고속으로 회전하여 중력보다 240–326배 더 강한 원심력을 발생시키며, 이로 인해 극히 미세한 유용한 광물 입자가 드럼에 침전됩니다. 분사되는 물은 침상층을 느슨하게 하여, 바닥에 있는 무거운 광물을 드럼 내부로 밀어내고, 최종적으로 배출구를 통해 농축물로 배출합니다. 미세 주석 광석 슬라임을 처리할 때의 입자 크기 회수 한계는 0.003 mm에 달할 수 있습니다. 주석 광석 슬라임 처리 외에도 금, 텅스텐, 탄탈륨, 니오브, 희토류 원소 등 처리하기 어려운 미세 입자 슬라임을 처리하는 데에도 사용할 수 있습니다.

그림 2-41 제트 원심 농축기의 작동 원리도

1—드럼; 2—맑은 물 분배판; 3—급수관; 4—제트 노즐; 5—농축액 배출구; 6—타일 배출구

수직형 원심 농축기는 축을 중심으로 회전하는 수직으로 설치된 선별 탱크로 구성됩니다. 일반적인 유형으로는 원심식 금 원추 분리기와 원심식 원반 분리기가 있습니다.

원심식 금 원뿔 분리기의 구조는 그림 2-42에 나와 있다. 선별 탱크는 하부의 수직 축에 장착된 거꾸로 된 원뿔형 구조물이다. 원뿔 표면에는 환형 홈이 있다. 슬러리는 공급 호퍼를 통해 선별 원뿔 디스크의 하부로 공급된다. 원뿔 디스크가 회전함에 따라 슬러리는 내벽을 따라 위쪽으로 흐르며, 광물 입자는 밀도에 따라 층을 이룬다. 무거운 입자는 디스크 벽 쪽으로 이동하여 홈으로 들어가는 반면, 가벼운 입자는 슬러리와 함께 위쪽으로 흐르다가 상단에서 광미 트로프로 배출된다. 무거운 입자가 홈을 채우면 급료를 중단하고 기계를 정지시킵니다. 하부 밸브를 수동으로 열고 고압 물을 사용하여 무거운 입자를 농축물 트로프로 세척해 내보냅니다. 이 장비는 주로 사금 광상의 선광 및 소규모 맥금 광상의 1차 선광에 사용됩니다. 급재 입자 크기는 0–10 mm입니다. 이 장비는 구조가 간단하고 조작이 용이하며, 분리 농축 비율이 높고, 비교적 적은 양의 물을 소비하면서도 90% 이상의 금 회수율을 달성할 수 있습니다.

그림 2-42 원심식 원뿔 분리기

1—급입관; 2—상부 덮개; 3—고무 격자; 4—원뿔형 디스크; 5—슬러리 분배 디스크; 6—물 분사 디스크; 7—상부 베어링 좌대; 8—풀리; 9—프레임; 10—하부 베어링 좌대; 11—중공축; 12—모터; 13—외부 케이싱

원심 디스크 분리기의 구조는 그림 2-43에 나와 있으며, 기본적으로 원심식 금 농축기와 동일하다. 분리 디스크는 내벽에 환형 홈이 있는 반구형 디스크이다. 분리 공정과 작동 방식은 원심식 금 농축기와 동일하다. 이 장비는 0~10 mm 크기의 사금 및 맥금 광석을 분리하는 데 사용되며, 높은 농축비와 높은 회수율을 특징으로 한다. 그러나 분리 디스크가 반구형으로 되어 있어 제조가 더 어렵다.

그림 2-43 원심 디스크 농축기

1—모래 방지 덮개; 2—광미 저수조; 3—반구형 농축기 디스크; 4—모터; 5—수평 축; 6—모터 프레임; 7—프레임

그림 2-44 φ300 단축형 원뿔형 하이드로사이클론

1—급수관; 2—오버플로관; 3—하부 유동구

2.7.2.3 단뿔형 하이드로사이클론

그 구조는 그림 2-44에 나와 있다. 기존 하이드로사이클론과의 차이점은 원뿔 각도가 더 크다는 점이다. 짧은 원뿔형 하이드로사이클론의 원뿔 각도는 90°~120°이며, 원뿔이 특히 짧다. 가동 시, 슬러리는 모래 펌프나 고수위 압력 탱크에서 접선 방향으로 실린더로 유입됩니다. 슬러리는 나선형으로 아래로 이동하며, 광물 입자들은 침강 속도에 따라 방사형으로 배열됩니다. 침강 속도가 낮은 가볍거나 미세한 입자는 중앙 오버플로 파이프를 통해 배출되는 반면, 굵거나 무거운 입자는 용기 벽을 향해 이동하며 아래로 이동한다. 원뿔 각도가 증가함에 따라 용기 벽을 따라 아래로 흐르는 슬러리의 흐름이 방해받아, 원뿔 하단에 회전층이 형성된다. 하이드로사이클론 침상 내에서 광물 입자는 회전 전단 운동을 통해 분리되고 층을 이룹니다. 더 가벼운 광물은 상부에 위치하며, 상향으로 흐르는 액체에 의해 오버플로 파이프로 운반되어 배출됩니다. 더 무거운 광물은 하부에 위치하며 언더플로 배출구를 통해 배출됩니다.

약간 개량된 수중 복합 하이드로사이클론 역시 단뿔형 하이드로사이클론의 일종입니다. 이 하이드로사이클론의 특징은 테이퍼 각도가 서로 다른 세 개의 원뿔 구간으로 구성되어 있으며, 테이퍼 각도가 상단에서 하단으로 갈수록 점차 커진다는 점입니다.

단뿔형 하이드로사이클론의 바닥은 아치형으로 설계될 수도 있으며, 내면에 환형 홈이 있어 금 선광 과정에서 농축 비율을 높이고 단뿔형 하이드로사이클론의 분리 효과를 향상시킬 수 있다.

단뿔형 하이드로사이클론은 주로 사금(placer gold)의 1차 선별 및 석탄 선광에 사용됩니다. -1mm 크기의 사금을 분리할 경우, 농축 비율이 10일 때 금 회수율은 95%에 달할 수 있습니다.