납·아연 광석 광물 선광

7.3.1 납 및 아연의 천연 광물과 그 부유성

납과 아연 본질적으로 밀접한 관련이 있으며, 특히 1차 광상에서는 더욱 그러합니다. 이들은 광석 형성 물질의 기원이 동일하고, 지화학적 거동이 매우 유사하며, 외부 전자 구조가 비슷하고, 유황에 대한 친화력이 강하며, 동일한 용해성 복합체를 가지고 있습니다.

지각에는 250종 이상의 납·아연 광물이 존재하며, 이 중 약 1/3은 황화물과 황산염이다. 갈레나와 스팔레라이트는 납과 아연을 제련하는 데 사용되는 주요 산업용 광물이며, 그 다음으로는 스미스소나이트와 세루사이트가 있다.

납 또는 아연의 산화도에 따라, 산업용 광석 유형은 산화도가 10% 미만인 황화광석, 산화도가 30%를 초과하는 산화광석, 그리고 산화도가 10%에서 30% 사이인 혼합광석으로 구분된다.

광석의 구조에는 산재형, 조밀 덩어리형, 브레시아형, 띠 모양형, 미세맥형 등이 포함된다.

갈레나는 86.6%의 Pb를 함유하며, 종종 Ag, Bi, Sb, Se 등을 포함하기도 합니다. 갈레나는 납회색을 띠며, 회흑색 줄무늬와 금속 광택을 지닙니다. 경도는 2~3이며, 밀도는 7.4~7.6 g/cm³이다. 주로 중온 열수 용액의 다금속 황화물 광상에서 산출된다. 갈레나는 거의 항상 스팔레라이트와 함께 산출되며, 지표면에서는 쉽게 풍화되어 앵글사이트와 세루사이트로 변한다.

스팔레라이트는 67.1%의 아연(Zn)을 함유하고 있으며, 일반적으로 철(Fe)과 같은 다양한 동형 원소들을 포함하고 있습니다. 철 함량이 증가함에 따라 색상은 밝은 색에서 어두운 색으로, 연한 노란색에서 검은색으로 변하며, 흰색에서 갈색의 줄무늬가 나타나고, 광택은 수지광에서 반금속광으로, 투명도에서 반투명도로 변합니다. 경도는 3.5~4이며, 밀도는 3.9~4.1 g/cm³로, 철 함량이 증가함에 따라 밀도는 감소합니다. 스팔러라이트는 표면에서 쉽게 풍화되어 스미스소나이트로 변합니다.

세루사이트는 투명하거나 반투명한 흰색을 띠며, 납을 함유한 내포물은 회색, 연한 녹색 또는 파란색을 띠고 금속광택을 나타내며, 때로는 기름광택이나 진주광택을 띠기도 한다. 세루사이트는 갈레나가 앵글사이트로 산화된 후 탄산염 용액과 반응하여 형성된다.

스미스소나이트의 경도는 4~5이며, 밀도는 4~4.5 g/cm³입니다.

7.3.1.1 갈레나(PbS)의 부력

갈레나는 넓은 pH 범위에서 티오화합물 집금제를 사용하여 쉽게 집금할 수 있다. 잔테이트, 디티오인산염, 디티오카르바메이트 및 화이트 에이전트 모두 효과적이다. 디젤유와 같은 중성유도 갈레나, 특히 미세한 갈레나에 대해 우수한 집금 효과를 나타내므로 보조 집금제로 자주 사용된다. 디티오포스페이트는 잔테이트에 비해 회수력은 약하지만 선택성이 더 뛰어나며, 특히 은을 함유한 갈레나에 적합하다. 디티오카바메이트와 화이트 에이전트 또한 갈레나 부양 공정에서 우수한 선택성을 보인다.

불순물은 갈레나의 부유성에 큰 영향을 미치는데, 예를 들어 은이나 구리는 갈레나의 부유성을 향상시키는 반면, 아연, 망간 또는 안티모니는 부유성을 저하시킵니다. 불순물은 침강제의 효과에도 영향을 미칩니다. 예를 들어, 아연이나 망간의 매우 미세한 내포물을 포함하는 갈레나는 비스무트나 구리를 포함하는 갈레나보다 시안화물에 의해 더 강하게 침강됩니다. 갈레나 부양에 가장 적합한 pH는 7~10입니다.

제7장 비철광석의 선광 실무

많은 금속 양이온이 갈레나를 현저히 억제할 수 있으며, 이 억제 효과는 원자가가 높아질수록 증가한다. 예를 들어, Cr²⁺와 Al³⁺는 갈레나에 강력한 억제 효과를 나타낸다. 이크로메이트 나트륨 또는 이크로메이트 칼륨은 갈레나의 가장 중요한 억제제이며, 알칼리성 환경에서는 억제 현상이 쉽게 일어나지만 산성 환경에서는 감소한다. 이크로메이트에 의해 억제된 갈레나는 산성 용매에서 FeSO₄, 염산 또는 NaCl을 통해 부분적으로 활성화될 수 있다. 갈레나는 다른 황화물 광물보다 황화나트륨에 의해 더 쉽게 억제되지만, 이러한 억제 효과는 일시적이며 일정 시간이 지나면 사라진다. 수성 유리(워터 글라스)도 갈레나의 억제제이지만, 이크로메이트보다 효과가 약하다. 인산나트륨, 인산 및 아황산염 또한 갈레나를 억제할 수 있다.

7.3.1.2 스팔레라이트(ZnS)의 부양성

스팔레라이트의 부유성은 주로 결정격자 내의 불순물, 특히 철의 함량에 따라 크게 달라집니다. 일반적으로 철 함량이 높은 스팔레라이트는 부유성이 낮은 반면, 카드뮴이 포함된 스팔레라이트는 부유하기 쉽습니다. 자연에 존재하는 많은 스팔레라이트는 중금속 이온, 특히 구리 이온의 자연적인 활성화나 산화 작용으로 인해 부유성이 향상된 경우가 많다.

저급 크산테이트는 스팔레라이트에 대한 흡착력이 거의 없거나 아예 없지만, Cu²⁺로 활성화된 스팔레라이트는 흡착할 수 있다. 고급 크산테이트는 활성화 과정 없이도 스팔레라이트를 흡착하는 데 사용할 수 있다.

황산구리에 의한 스팔레라이트의 활성화는 펄프의 pH에 크게 좌우되며, pH=6과 pH=11에서 가장 강하게 나타납니다. 일부 스팔레라이트가 심하게 활성화된 경우, 미세 또는 콜로이드 형태의 구리 광물 내포물을 포함하거나, 격자 내에 구리 이온이 침투해 있거나, 펄프 내 Cu²⁺ 함량이 높은 경우, 부유법을 통한 구리와 아연의 분리에 큰 어려움을 초래하는 경우가 많습니다.

스팔레라이트의 주요 환원제는 시안화물, 황산아연, 황화나트륨, 아황산염 및 그 염류, 티오황산나트륨 등입니다.

7.3.2 납 및 아연 황화물의 선광 공정

7.3.2.1 부양 공정

황화납·아연 광석은 일반적으로 광물 함량이 낮으며, 대부분의 광물이 미세하게 산재해 있고, 부유성에 뚜렷한 차이를 보이는 다양한 유가 성분과 함께 존재하는 경우가 많습니다. 이러한 모든 요인으로 인해 부유 선광법은 황화납·아연 광석 선광에 가장 적합한 방법입니다. 선택적 부양 공정, 벌크 부양 공정, 등부양 공정, 차등 벌크 부양 공정, 직렬 분기 부양 공정 등 다양한 부양 공정이 존재한다.

(1) 선택적 부양 공정은 맥석이 적은 소규모 공장에 적합하며, 일반적으로 고품질의 농축물을 얻을 수 있다.

(2) 대량 부유 공정은 저품위 광석에 적합하며, 높은 회수율을 얻을 수 있고, 경우에 따라 1차 분쇄 및 선별 과정을 거쳐 광미(tailings)를 제거하기도 한다. 그러나 대량 부유 과정에서 유용한 성분 표면에 다량의 시약이 흡착되기 때문에, 이러한 성분을 분리하기 어려운 경우가 많아 고품질의 농축물을 얻기 어렵다.

7.3 납·아연 광석

(3) 이소부양 공정은 광물의 자연적인 부양성을 활용하므로, 복잡한 물리적·화학적 문제를 야기할 수 있는 다량의 조절제를 사용하지 않아도 됩니다. 과도한 억제제가 사용되지 않으며, 가치 있는 광물을 완전히 부양시킬 수 있어 회수율을 높이는 데 도움이 됩니다. 또한 과도한 활성화제가 사용되지 않아 농축물의 품질을 향상시키고 시약 소비량을 절감하는 데 도움이 됩니다.

(4) 차등 대량 부유 공정(비동기 부유 공정이라고도 함)은 등부유 공정을 바탕으로 개발되었다. 이 공정에서는 등부유 공정과 달리 납을 한 번에 완전히 부유시키지 않고, 납과 아연이 모두 부유되는 두 단계의 대량 부유 과정을 거쳐 납을 부유시킨다. 이소부유법과 유사하며 조절제를 사용하지 않는 첫 번째 단계에서는 납의 일부만 부유된다. 부유성이 낮은 갈레나 입자들은 두 번째 단계의 부유 공정에서 황산구리에 의해 활성화된 스팔레라이트와 함께 부유된다. 이 공정은 다금속 황화광석에 적용하여 동반된 금과 은의 회수율을 향상시킬 수 있다.

(5) 직렬 분기 부유 공정은 펄프를 두 개 이상의 분기로 나누는 것이다. 첫 번째 분기의 러퍼에서 나온 거품을 두 번째 분기로 들어가는 원료와 혼합한 후, 다시 러핑 공정을 거치고, 이어서 직렬로 연결한다. 이때 해당 시약을 동시에 첨가한다.

7.3.2.2 납과 황의 분리

황철석은 대개 납-아연 광석과 함께 산출되며, 납과 황을 분리하는 과정은 황철석의 산포 특성에 따라 달라진다.

거친 입자 형태의 황철석이 소량 포함된 경우, 아연 억제 방식의 황 부유 공정을 채택할 수 있다. 시약 조합으로는 탄산나트륨, 황산아연 및 황화나트륨의 조합, 또는 황산아연과 황화나트륨의 조합, 혹은 아황산나트륨, 황산나트륨 및 황산아연의 조합을 사용할 수 있다.

부유성이 좋은 황철석이 포함되어 있다면, 전통적인 공정에서는 황철석이 방연석과 함께 표면으로 떠오르게 됩니다. 황철석의 부유성을 억제하기 위해 pH를 높이면, 방연석의 부유성도 함께 억제됩니다. 이 경우, 일반적으로 대량의 석회를 사용하여 황철석의 부유성을 억제하고, 고순도 잔테이트를 사용하여 방연석을 회수합니다.

7.3.2.3 아연과 황의 분리

아연과 황을 분리할 때, 황산구리와 석회를 사용하여 각각 스팔레라이트를 활성화하고 황철석을 억제합니다. 또한 아연과 황의 분리 효율을 높이기 위해 펄프를 50℃로 가열합니다.

7.3.3 판커우 납·아연 광석의 선광 공정

7.3.3.1 판커우 납·아연 광산 개요

판커우 납·아연 정광 공장은 연간 150만~165만 톤의 원광을 처리합니다. 주요 생산품으로는 고농도 납 정광, 고농도 아연 정광, 납·아연 혼합 정광, 황 정광 등이 있습니다. 연간 납 및 아연 금속 생산량은 165,000~180,000톤이며,

제7장 비철광석의 선광 실무

표준 황 농축물 550,000~700,000톤.

판커우의 광석은 주로 황철석 함량이 최대 45%에 달하는 복잡하고 조밀한 납-아연 황화광석이다. 갈레나, 스팔레라이트 및 황철석은 입자 크기가 고르지 않게 분포되어 있으며 구조가 복잡한데, -0.074 mm 크기의 광석이 35%, 각각 17%와 49%를 차지하며, -0.02 mm 크기의 입자는 각각 16%, 4% 및 8%를 차지한다. 이로 인해 선광이 어렵다.

판커우 복합 납·아연 광석 선광의 기술 혁신과 생산 실무는 수십 년에 걸쳐 진행되어 왔으며, 이는 중국의 황화광 선광 기술 발전에 크게 기여했습니다. 비시안화물 기술, 고알칼리 미세 분쇄 기술, 비동기식 대량 부양 기술, 혼합 시약을 이용한 신속 부양 기술, 그리고 전위 제어 부양 기술 등이 성공적으로 개발되어, 복합 황화광 선광이라는 난제를 해결했을 뿐만 아니라 중국의 황화광 선광 기술을 세계 선진 수준으로 끌어올리는 데 기여했다.

7.3.3.2 부유 공정 개발

1968년 공장이 건설될 당시 대량 부유 공정이 사용되었습니다. 채광 직후의 광석은 -0.074 mm 크기로 분쇄되었으며, 이는 70%에 해당했습니다. 납-아연 대량 농축물은 석회, 황산구리 및 에틸잔테이트를 이용한 대량 부유 공정을 통해 얻어졌습니다. 재분쇄 후, 대량 농축물은 석회, 시안화물 및 황산아연을 사용하여 분리되어 각각 납 농축물과 아연 농축물을 얻었다. 황 농축물은 대량 광미의 부유 과정을 통해 얻어졌다. 이 공정에서는 시안화물을 사용했는데, 이는 환경 오염을 초래했을 뿐만 아니라 분리 효율도 낮았다.

1970년대 중반부터 환경 보호에 대한 관심이 점차 높아지기 시작했다. 이 공정은 시안화물을 사용하지 않으며, 임페리얼 제련 공정(ISP)에 적합한 고품위의 대량 정광을 생산하는데, 이 공정은 기존 제련소에서처럼 분리된 정광 대신 대량 정광을 처리할 수 있다.

-0.074 mm 입자가 70%를 차지하는 상황에서 갈레나의 해리도는 60%에 불과했기 때문에, 미세 분쇄가 필요했습니다. 그러나 미세 분쇄를 실시하자 다량의 미세 황철광, 방연석 및 이들의 결합 입자들이 매우 유사한 부유성을 나타내어 분리가 어려워졌습니다. 오랜 연구 끝에, 강력한 집금제를 사용한 고알칼리 조건의 선택적 부유 공정이 개발되었습니다. 광산에서 채굴된 원광을 -0.074 mm 크기로 분쇄하여 85%를 확보하고, 납 농축물을 -0.038 mm 크기로 재분쇄하여 85%-90%를 확보했습니다. 볼 밀에 다량의 석회와 부틸잔테이트를 첨가했는데, 여기서 고알칼리 환경은 새로 분리된 황철석을 억제하는 한편, 부틸잔테이트는 새로 분리된 갈레나의 표면을 보호했다. 납 농축물은 황산아연과 테르피네올을 사용하여 1회의 조선, 1회의 스캐빙, 4회의 정선 공정을 거치는 선택적 부유법을 통해 얻어진다. 이 공정은 납 회수율과 아연 정광의 품질 및 회수율을 모두 높이는 데 진전을 보였으나, 석회 억제 효과가 완전하지 않아 납과 철의 분리가 어렵고, 이로 인해 순환 부하가 높아지는 문제가 발생했다. 납 정광의 등급은 약 50%-52%이다. 비동기 부유법이라고도 하는 차등 벌크 부유법이 1987년에 시험 운영되어 성공을 거두었으며, 이를 통해 생산된 조벌크 농축물은 재분쇄 및 정제 과정을 거쳤다. 그러나 몇 가지 문제가 있었다. 벌크 농축물이 유일한 제품이기 때문에 시장 적응성이 떨어지는 것으로 나타났다. 회수율은 향상되었으나, 조립 농축물을 재분쇄하는 과정에서 과분쇄 현상이 발생했다. 또한, 대량 부유법에서는 부유 물질의 양이 방대하여 변동성과 손실이 발생했다. 게다가 아닐린 에어로플로트는 쉽게 분해되어 환경 보호 측면에서 큰 부담을 주었다.

고알칼리 조건에서의 선택적 부유 공정을 바탕으로, 혼합 집금제와 유기 억제제를 사용했으며, 황산아연 처리를 중단하고 선별 과정을 생략하여 정제 광미를 재투입함으로써 납 품위를 53%에서 58%로 높였다.

1998년과 1999년에, ‘전위 제어 부유법’은 현대 황화물 전위 제어 이론을 생산 현장에 접목하여 산업 시험을 성공적으로 완료했으며, 이를 통해 광물 부유 거동과 펄프 전위 간의 관계를 더욱 명확히 규명했을 뿐만 아니라, 시약 처리 조건과 공정 흐름도 구조도 최적화했다.

7.3.3.3 FKNSP 프로세스

FKNSP는 복합 납·아연·철 황화광을 위해 최근 개발된 조화형 선광 기술로, “조화”라는 개념과 원리를 채택하여 광석 내 광물의 고유한 특성과 부유성을 최대한 활용함으로써 에너지 절감을 실현했습니다. 이 공정은 납 정광, 아연 정광, 벌크 정광 및 황 정광 등 네 가지 제품을 생산하며, 이에 대한 설명은 그림 7.4에 나와 있습니다.

주요 금속 광물의 대부분이 거친 분쇄 과정에서 이미 분리되었다는 점을 고려하여, 채광 원광을 거칠게 분쇄하고 중간 분획물을 재분쇄하는 방식이 사용되는데, 이는 부유 분리하기 어렵거나 속도가 느린 소량의 잔류 입자를 재분쇄함으로써 전력을 절약하기 위함이다.

비철광석의 선광 공정

소비량. 납이나 아연의 굵고 부유하기 쉬운 입자 대부분은 단시간 내에 신속하게 부유되어 납 또는 아연 정광을 생산함으로써, 분리된 광물의 과도한 분쇄와 불필요한 재순환 부하를 줄입니다. 처리하기 어려운 중간분(middlings)은 통합하여 재분쇄함으로써 고품질의 대량 정광을 생산하여 금속 회수율을 높이고 공정 흐름을 단축합니다. 이 공정은 부양 약제의 복합 효과를 최대한 활용하며, 혼합 약제를 채택하여 납 및 아연 광물의 분리 효율을 강화합니다. 대부분의 납 및 아연 정광을 신속하게 부유 처리함으로써 부유 약제의 누적 효과와 과도한 약제 사용으로 인한 부정적 영향을 제거하는 데 도움이 됩니다. 이러한 조화로운 공정 및 제품 구조와 목표 지향적인 부유 약제 관리 방식은 공정 흐름도의 순환 부하와 총 부유 시간을 줄여줍니다.

FKNSP 공정은 납의 고속 선광, 납의 저속 선광, 아연의 고속 선광, 아연의 저속 선광 및 대량 선광으로 구성됩니다. 시약 처리 조건과 선광 시간은 다음과 같습니다.

광석은 2단계 폐쇄 회로 방식으로 분쇄된다. 1차 볼 밀에는 부틸 잔테이트, 에틸 디티오카바메이트 및 석회를 각각 65 g/t, 65 g/t, 5000 g/t의 비율로 첨가한다.

(1) 납의 신속한 부양. 이 공정에는 1개의 거친 정제기와 3개의 세정기가 포함되며, 각 단계의 부유 시간은 각각 6분, 11분, 9분, 23분입니다. 거친 선광 공정에서는 발포제만이 유일한 시약으로 첨가되며, 각 정제 공정에서는 소량의 부틸 크산테이트, 에틸 디티오카바메이트 및 석회가 첨가됩니다. 중간 제품은 순차적으로 회수되는 반면, 1차 선광 잔사물은 납의 저속 부양 선광 공정에 투입됩니다. 또한, 2차 정제 공정에서는 황화철을 억제하기 위해 후메이트 나트륨(PS)이 사용됩니다. 후메이트 나트륨은 무독성, 무미이며 환경 친화적이고 소비량이 적어 석회 사용량을 줄여주며 수질에 대한 적응성이 뛰어납니다.

(2) 납의 느린 부양. 여기에는 러퍼 1개와 스캐빈저 1개가 포함됩니다. 러퍼에는 석회, 부틸잔테이트, 에틸티오니트로젠을 각각 500 g/t, 125 g/t, 12.5 g/t의 농도로 첨가합니다. 스캐빈저에는 부틸잔테이트를 15 g/t의 농도로 첨가합니다.

(3) 아연의 신속한 부양. 이 공정은 1개의 거친 선별기와 3개의 정제기로 구성된다. 교반 탱크에는 부틸잔테이트와 오일 Ⅱ를 각각 120 g/t와 15 g/t의 농도로 첨가한다. 각 정제 공정 전에 황산구리, 석회, 부틸잔테이트를 점차 감소하는 용량으로 첨가한다. 부유 시간은 각각 7분, 7분, 13분, 26분이다. 1차 부유 공정의 잔사물은 아연 저속 부유 공정으로 이송된다.

(4) 아연의 느린 부상. 이 공정은 1개의 조분쇄기와 3개의 정분쇄기로 구성됩니다. 조분쇄 단계에서는 부틸잔테이트와 오일 Ⅱ를 각각 20 g/t와 5 g/t의 농도로 첨가합니다. 러퍼의 농축물은 사이클론을 통해 재분쇄 회로로 되돌아가게 됩니다. 스캐빈저 단계에서는 부틸 잔테이트가 첨가됩니다. 스캐빈저의 미광은 탈수 처리된 후 유황 부유 공정을 거칩니다. 부유 시간은 각각 4분, 3분, 4분, 4분입니다.

(5) 대량 부유 선별. 납과 아연의 두 단계 저속 부유 공정에서 발생한 거품을 합쳐 재분쇄한 후, 대량 부유 공정을 거쳐 납 및 아연 대량 정광을 얻는다. 대량 부유 공정은 5개의 클리너로 구성되며, 각 클리너의 부유 시간은 각각 6분, 5분, 5분, 5분, 20분이다.