니켈 산화광의 목표 입도에 따른 분쇄 에너지 특성 연구

국문 초록 (Abstract)

니켈 산화광 처리 공정에서 분쇄는 후속 제련 단계의 효율을 좌우하는 핵심 전처리 공정이지만, 분쇄 에너지에 대한 정량적 분석은 아직 충분히 이루어지지 않았다. 특히 목표 입도 변화에 따라 요구되는 분쇄 에너지와 제련 효율이 함께 달라지기 때문에, 이러한 관계를 명확히 파악하는 것은 공정의 경제성과 적정 분쇄 조건을 설정하는 데 중요한 기반이 된다. 그럼에도 불구하고 목표 입도별 분쇄 특성과 제련 효율 간 상관관계를 체계적으로 평가한 연구는 제한적이다. 본 연구는 목표 입도를 45, 75, 106, 150 ㎛로 설정하여 분쇄일지수를 산출하고 분쇄/분급 공정 시뮬레이션을 통해 분쇄-제련 효율의 상관관계를 규명함으로써 최적 분쇄 조건을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 필리핀산 니켈 라테라이트를 대상으로 XRD, XRF, ICP-OES 분석을 수행하여 주요 구성 광물을 규명하였다. 분석 결과, 시료는 점토광물인 몬모릴로나이트(31.4%)와 철수산화산물인 침철석(28.6%), 사문석계 광물인 리자다이트(22.6%)가 주성분으로 확인되었으며, 연질 특성으로 인해 비교적 낮은 분쇄일지수를 나타낼 것으로 예측되었다. KS E 3600 표준에 따라 수행한 분쇄일지수 시험에서는 목표 입도(P1)가 150 ㎛일 때 6.35 kWh/t, 45 ㎛일 때 11.59 kWh/t로 측정되어, 입도 감소에 따라 분쇄 에너지가 급격히 증가하는 경향을 보였다. 이 데이터를 기반으로 USIM-PAC 시뮬레이터를 활용하여 볼 밀-습식싸이클론 폐회로 공정을 모델링하고, 목표 입도별 에너지 소비량을 비교하였다. 시뮬레이션 결과, 45 ㎛ 조건의 분쇄 에너지는 150 ㎛ 대비 약 4.2배 높게 나타났으며, 특히 106 ㎛ 이하에서 에너지 소비가 급증함을 확인하였다. 따라서, 분쇄 효율과 제련 효율을 종합적으로 고려할 때, 적정 분쇄 입도로 106 ㎛가 도출되었다. 나아가 목표 입도 106 ㎛를 기준으로 네 가지 분쇄/분급 회로 구성에 대한 시뮬레이션 결과, 각 회로의 분쇄 에너지 차이는 ±3% 이내로 미미하였다. 이에 따라 설비비와 운전 복잡성을 고려할 때, 볼 밀 1대와 습식싸이클론으로 구성된 기본 폐회로가 가장 효율적이고 경제적인 최적 설계안으로 판단된다. 이러한 결과는 향후 니켈 산화광 처리 공정 설계 시 최적 분쇄 조건 설정을 위한 기초 자료로 활용 가능할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Grinding is a critical pretreatment process in nickel oxide ore processing, as it strongly influences the efficiency of subsequent metallurgical operations. Despite its importance, quantitative analyses of grinding energy consumption remain limited. Because grinding energy requirements and metallurgical performance vary significantly with target particle size, a clear understanding of their interrelationship is essential for improving process economics and establishing optimal grinding conditions. Nevertheless, systematic investigations into the correlation between grinding characteristics and metallurgical efficiency as a function of target particle size remain scarce. In this study, the Bond Work Index was determined for target particle sizes (P1) of 45, 75, 106, and 150 ㎛, and the relationship between grinding energy and metallurgical performance was evaluated through grinding–classification process simulations. Philippine nickel laterite ore was characterized using XRD, XRF, and ICP-OES analyses to determine its mineralogical and chemical composition. The results showed that the ore primarily consisted of montmorillonite (31.4%), goethite (28.6%), and lizardite (22.6%), reflecting relatively soft mineral characteristics and a low resistance to grinding. Bond Work Index tests conducted in accordance with the KS E 3600 standard revealed a pronounced increase in grinding energy with decreasing target particle size, from 6.35 kWh/t at a P1 of 150 ㎛ to 11.59 kWh/t at 45 ㎛. Based on these results, a closed-circuit ball mill–hydrocyclone grinding process was modeled using the USIM-PAC simulator to compare energy consumption across different target particle sizes. The simulation results demonstrated that the grinding energy required at 45 ㎛ was approximately 4.2 times higher than that at 150 ㎛, with a particularly steep increase observed below 106 ㎛. By jointly considering the energy efficiency of grinding and metallurgical performance, an optimal grinding target size of 106 ㎛ was identified. Furthermore, simulations of four different grinding–classification circuit configurations at this target size showed that variations in grinding energy consumption among the circuits were within ±3%. When capital expenditure and operational simplicity were taken into account, a basic closed-circuit configuration consisting of a single ball mill and a hydrocyclone was determined to be the most efficient and economical design. These findings are expected to provide fundamental data for establishing optimal grinding conditions in the design of nickel oxide ore processing circuits.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅲ
• List of Figures ⅳ
• Abstract ⅵ
• 1. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 목적 5
• 2. 이 론 6
• 2.1. 니켈광 활용 기술 6
• 2.1.1. 니켈 광종의 분류 6
• 2.1.2. 니켈광 처리 기술 7
• 2.2. 분쇄 공정 이론 8
• 2.2.1. 분쇄 메커니즘 및 분쇄 에너지 이론 8
• 2.2.2. 분쇄일지수 11
• 2.3. 장비 모델 12
• 2.3.1. 볼 밀 모델 12
• 2.3.2. 습식싸이클론 모델 13
• 2.3.3. 스파이럴 모델 14
• 2.4. 분쇄/분급 공정 회로 및 시뮬레이션· 16
• 2.4.1. 분쇄/분급 공정 회로 16
• 2.4.2. 공정 시뮬레이션 18
• 3. 시료 및 실험 방법 19
• 3.1. 시료 19
• 3.2. ICP-OES, XRF 분석 20
• 3.3. 분쇄일지수 측정 21
• 3.4. 공정 시뮬레이션 25
• 3.5. 공정 회로 설계 26
• 4. 실험 결과 30
• 4.1. 광물학적 특성 30
• 4.2. 분쇄일지수 32
• 4.2.1. 목표 입도별 분쇄일지수 값 32
• 4.2.2. 입도 감소에 따른 분쇄일지수 경향 33
• 5. 시뮬레이션 결과 34
• 5.1. 공정 시뮬레이션 34
• 5.1.1. 볼 밀 규격 산출 34
• 5.1.2. 습식싸이클론 규격 산출 35
• 5.1.3. 스트림별 입도분포 36
• 5.1.4. 목표 입도에 따른 분쇄 에너지 39
• 5.1.5. 분쇄-제련 효율 상관관계 41
• 5.2. 공정 회로 설계 시뮬레이션 42
• 5.2.1. 공정 회로별 분쇄 에너지 42
• 5.2.2. 니켈 산화광 파분쇄/분급성 최적화 43
• 6. 결 론 44
• 참고문헌 45
• 초 록 49