광석의 채취
광산에서 광상을 집중적인 채굴하여 얻은 광석은 일반적으로 유용광물인 광석광물 (ore mineral)과 함께 상당량의 불필요한 맥석광물 (gangue mineral)로 되어 있다. 따라서, 광석으로부터 유용한 금속광물은 선광 (ore dressing)하여 정광 (concentrate)을 만들고, 이 정광을 제련 (smelting)하여 필요한 금속성분만을 얻게 된다. 광석을 선광하려면 우선 광석을 구성하는 광물과 구성광물의 조직에 대한 연구가 선행되어야 이로부터 적절한 선광방법이 선택될 수 있다. 이러한 광물학적 연구는 특히 희유금속원소를 채취하는데 매우 중요하며, 자원의 효율적인 이용을 위한 필수과정이다.
광석처리
광석에는 많은 불순물이 포함되어있기 때문에 이를 제거하지 않으면 안 된다. 이러한 제거 과정을 광석의 처리라 하는데, 광석의 종류, 산출상태, 품위 등에 따라 적절한 처리과정을 적용시킬 수 있다. 광석처리에서 사전 처리과정 중의 하나로 원광석을 분쇄시키는 공정이 필요하다. 분쇄 공정의 목적은 다음과 같다. 첫째, 선별을 하는데 가장 효과적인 입자의 크기로 광석을 만들어 주는 것이다. 둘째, 입자를 이용하여 물리적 선별을 할 수 있도록 목적광물 (target mineral)을 단위 분리시킨다. 셋째, 광물 고유의 표면을 노출시킨다. 광석처리를 선광과 같은 물리적 방법이 아니라 침출과 같은 화학적 방법을 이용할 경우에는 화학반응속도를 높이기 위해 입자표면적을 높이게 되면 목적광물을 보다 많이 입자표면에 노출시킬 수 있다.
분급 (classification)은 분말로 된 광석을 입자의 크기에 따라 분리하는 것이다. 분급은 공기, 물 등 유체를 이용하여 분리한다. 광석처리에 있어서, 분급은 선별을 위한 사전처리작업으로 분쇄공정에서 요구하는 모양으로 입도를 조정하기 위하여 사용되고 있다. 분급은 고체입자가 유체 중에서 중력 또는 원심력에 의하여 침강할 때 침강속도가 입자직경에 관계있다는 사실을 이용하는 공정이다.
광석선광
광석을 구성하고 있는 광물의 종류와 광물의 고유한 물리적 특성에 따라 적당한 선광법을 선택하여 시행한다. 선광방법은 다음과 같다.
비중선광 : 광석에서 맥석광물의 비중은 금속광물의 비중보다 낮다. 따라서 각 광물 고유의 비중차이를 이용한 선별법을 비중선광이라 한다. 비중이 서로 다른 입자를 분리하기 위해서는 입자가 어느 정도 움직일 수 있는 상태를 유지시켜 주어야 한다. 따라서 비중선광법을 이용할 때는 공기와 물을 이용한다. 물을 사용하지 않는 선광법을 건식법, 물을 사용하면 습식법이라 한다. 습식비중 선별법에는 중액을 이용하여 부침 분리시키거나, 맥동수류, 난류, 막류를 이용하여 선광한다.
정전선광 : 광물에 따라 전기전도도, 유전율 (ferroelectricity) 등 전기적 차이가 있는 것을 이용하여 광물입자를 선별하는 방법이다. 우선 입자에 일정 방향을 따라 선택적으로 전하를 걸어주고 고전압을 가하여 형성된 전극간의 정전기장에서 입자에 작용하는 정전기력을 이용하여 분리하는 방법이다. 정전선광 시, 습도의 조절과 입자의 표면에 극미세입자 (slime)를 부착하거나 제거하는 과정이 선광에 큰 영향을 미치므로 이에 대한 제어 (control)가 필요하다.
자력선광 : 자력선광은 광물의 투자율 (susceptibility) 차이를 이용하여 선별하는 방법이다. 일반적으로 모든 물질은 자기 특성에 의하여 상자성체, 반자성체 및 강자성체로 분류할 수 있다. 상자성체 및 반자성체 물질이 자기장에 의해 받는 힘은 매우 미약하기 때문에 보통 자력선광법은 철, 티타늄, 망간 등을 포함하는 광물과 같은 강자성체 광물을 분리 할 때 적용하고 있다. 현재 철광석의 대부분을 자철석 및 적철석에 의존하고 있지만 다행히 이들 광물은 강자성체 중에서도 자성이 높은 물질에 속하고 있으며 비교적 처리비용이 싼 약자력 자선에 의하여 효율적으로 분리할 수 있다.
색채선광 : 광석입자의 품위를 사람의 눈에 의해 판별하는 방법은 주로 이물질 등을 제거하는데 이용하는 보조적인 선별법이다. 따라서, 사람의 눈 대신, 광전센서 (photoelectric sensor)를 이용하여 판별한 결과에 따라 노즐 (nozzle)로부터 압축공기를 분사하여 입자를 개별적으로 선광할 수 있다. 분리대상이 되는 목적광물입자 색채의 특징이 명확한 경우 색채선광은 매우 효과적이다. 광전센서 대신 방사선 탐지기를 이용하여 우라늄 광을 선광하는 방법은 색채선광을 응용한 것이라 할 수 있다.
부유선광 : 부유선광은 광석의 물리·화학적 성질을 이용하여 선광하는 방법으로 동, 납, 아연 등 비철금속의 대부분은 부유선광에 의해 생산되고 있다. 석탄에 적용하는 부유선광법을 특별히 부유선탄이라 부른다. 물질표면이 물에 대한 포화도는 물질에 따라 다르며 또한 표면 처리에 의해서도 포화도는 변한다. 물 대신 다른 액체를 이용하여 물질표면의 포화도를 측정해 보면 그 난이도가 전혀 다르다는 것을 관찰할 수 있다. 이와 같이 물질표면의 물리적 성질을 이용하여 선광하는 것을 부유선광이라 한다. 부유선광에는 포수제, 기포제, 활성제, 억제제, pH 조절제 등이 이용되는데 이들을 총칭하여 부선제 (floatation reagents)라 한다. 오늘날의 부유선광법은 각종 부선제를 미묘하게 배합하여 광석을 처리하는 고도의 선광기술이다.
광석제련
선광은 광석에 대하여 물리적인 선별조작을 가함으로써 특정광물을 회수하는 경제적인 방법이지만 대부분의 광물은 화합물로 되어 있기 때문에, 선광만으로서는 최종적인 금속원소를 추출하기에는 불충분한 공정이다. 따라서 보통은 선광공정에 의해 얻은 정광을 화학적으로 분해하여 분리시키는 조작을 함으로써 목적금속을 추출할 수 있다. 이 조작공정을 광석의 제련이라 한다. 제련방법으로서는 정광을 고온 하에서 용융 또는 휘발시킴으로써 목적금속과 타 성분으로 분리시키는 방법 즉, 건식제련법 (pyro-metallurgy)과 산, 알카리 등의 화학약품 용액에 의하여 광석을 용해시켜 그 액으로 목적금속을 선별하는 습식제련법 (hydro-metallurgy)이 있다. 이 두 가지 방법은 원리는 산화·환원과 같은 화학반응을 이용하여 원소를 분리한다는 뜻에서는 공통점이 있지만 실제 장치나 조작에 있어서는 서로 차이를 보이고 있다.
비금속광물의 경우 채광된 광석을 정제한 후, 이 정제품을 가공하여 최종적으로 목적한 비금속제품을 얻는다. 이러한 필요한 광물의 회수 시, 목적광물 이외의 다른 부성분광물 또는 부성분원소가 함유되어 있는지 여부를 알아내기 위해서는 광물학적 연구가 필요하다.
건식제련 : 건식제련에 있어서는 여러 가지 형식의 로에 광석 (대부분은 정광)을 놓고 필요에 따라 용제 (flux), 환원제, 연료, 공기 등을 가하여 광석을 용융시켜 고온에서 환원 및 기타 화학반응을 일으키고, 동시에 고온 액체의 비중 차이에 의하여 상분리하거나 휘발성 등의 현상을 이용하여 목표로 하는 금속을 추출한다. 또한 로 (furnace)에서 배출되는 배기가스에서는 연기와 재를 포획하거나, 가스를 청정화하여 유기물을 회수하거나 열 에너지를 회수하고 이러한 조작의 결과 환경오염방지가 이루어 질 수 있다.
습식제련 : 습식제련은 각종 신금속을 제련하거나 최근에 현저하게 제련기술이 개발된 광석 처리기술이다. 습식제련에는 여러 가지 방법이 있다. 이중 한 방법은 침출법 (leaching method)으로 산, 알카리 등의 수용액에 광석 중의 특정 광물을 용해시켜 귀액 (pregnant solution)을 침출잔사로부터 분리시킨 후, 화학침전 등의 방법으로 목적원소를 회수한다. 침출법은 금·은광, 우라늄광, 산화동광 등에 적용한다. 다른 방법은 귀액과 침출 잔사의 분리에 있어서 대신 침출을 마친 펄프에 입자상태의 이온교환수지나 활성탄을 가하여 목적성분을 회수하는 방법이 있다. 황화물의 경우 침출은 산화물에 비해 쉽지 않다. 따라서 이러한 광물은 침전제를 이용하거나 용매에 의한 추출법이 있다. 용매추출법은 우라늄, 바나듐, 토륨 등과 각종 희유금속, 니켈, 코발트 등의 제련과 정제에 광범위하게 사용되는 방법이다. 전기분해를 이용한 습식제련법은 오래된 방법으로 전력이 풍부한 곳에서는 동이나 아연 등을 직접 정련하는데 이용된다.