에너지자원공학과: 자원처리공학

땅을 파면 돈이 나온다는 사실, 알고 계셨나요? 바로 광산에서 일어나는 일입니다.
광산에서 갓 나온 돌(돈)덩이들은 어떤 처리과정을 거쳐 나갈까요?
에너지자원공학과의 자원처리공학을 소개드립니다.

1. 과목에서 배울 수 있는 내용

1) 과목 개요

동요 ‘돌과 물’에는 이런 가사가 있습니다.

바윗돌 깨뜨려 돌덩이, 돌덩이 깨뜨려 돌멩이, 돌멩이 깨뜨려 자갈돌, 자갈돌 깨뜨려 모래알

 

자원처리공학은 이처럼 바윗돌을 땅에서 캐낸 직후부터 광물 모래알이 될 때까지 처리하는 과정을 배우는 과목입니다.

3학년을 대상으로 개설되는 전공 필수 강의입니다. 영어로 진행되는 수업이지만, 영어 설명이 끝난 뒤에 한국어로 다시 한 번 요약해 주시기에 부담이 적은 편입니다. 광물을 정제하는 과정을 크게 운반, 저장, 파쇄/분쇄 과정으로 나누어 배우며, 암석공학의 기초적인 이론 배경, 실험 분석법을 익히게 됩니다. 나아가 제련 과정에서 사용되는 기계들, 분석실험, 경제성 평가에 대해서도 배우게 됩니다.

2) 순도와 경제성 평가

암석을 상품성이 있는 광물로 만들 때 가장 중요한 것은, 회사가 망하지 않도록 이익을 최대화 하면서 목표로 하는 광물의 순도를 달성하는 것입니다. 하지만 순도가 높을 수록 시간과 돈이 많이 드는 것은 피할 수 없는 일입니다. 암석을 운송, 저장, 파쇄, 제련하는 과정은 모두 돈이 들기 때문에 빠르게 쓸모없는 불순물을 없애고 순도를 높여야 비용을 줄일 수 있습니다.

순도는 grade, 즉 ‘정제를 끝낸 결과물에 포함된 광물의 비율’을 뜻합니다. 순도를 높이기 위해서는 초기에 부서진 암석 중에 광물이 많이 포함된 것들을 선별해야 하므로, 많은 광물이 버려지는 것을 피할 수 없습니다.

이를 위해서 Net Smelter Return의 계산을 통해 경제성 평가를 하여, 회사가 망하지 않고 유지될 수 있는지를 평가하게 됩니다.

Net Smelter Return(NSR)은 이름 그대로 ‘용광로 이익’, 즉 ‘광물의 정제를 통해 얻을 수 있는 이익’을 의미합니다. 순도가 높아질수록 판매하는 가격은 증가하겠지만, 제련 과정에서 손실되는 광물이 늘어나게 됩니다. 이에 따라 일반적으로 NSR은 순도에 따라 증가 및 감소하는 위로 볼록한 형태를 가지며, 최적화를 시킬 수 있습니다.

Figure 1. metal price에 따른 NSR - grade의 그래프 차이(Will’s Mineral Processing Technology)

3) 입자 분석법 – 용출과 침전

경제성 평가를 무사히 끝내고 나면, 시료의 크기에 따른 분포를 계산하는 실험 방법을 배우게 됩니다. 침전은 익숙하지만 용출은 어렵게 생각할 수 있지만, 사실 두 방법은 원리가 유사합니다. 시료가 액체를 통해 이동할 때, 크기에 따라 속도가 달라지는 것을 이용하는 것입니다.

침전(sedimentation)은 정지된 액체에서 시료가 가라앉는 과정입니다. 이때 유체역학적 계산으로 가라앉는 속도(종단속도)를 계산하여, 시간에 따른 입자의 분포를 배웁니다.

용출(elutriation)은 반대로 움직이는 액체에서 시료가 중력을 거슬러 움직이는 과정입니다. 마찬가지로 입자의 분포를 계산하며, 유체를 통과시킨 시간을 조절하여 입자 분리를 진행합니다.

Figure 2. Sedimentaion method의 개형도(Will’s Mineral Processing Technology) // Figure 3. Elutration method의 개형도(Will’s Mineral Processing Technology)

 

4) 파괴 기계

이론적인 내용을 거치고 나면 드디어 재미있는, 돌을 부수는 내용을 배울 수 있습니다. 크게 바윗돌을 깨뜨려 돌덩이를 만드는 파쇄기(crusher), 돌덩이를 깨뜨려 모래알로 만드는 분쇄기(grinder)로 나누어 배우게 됩니다.

Figure 4. Crusher의 일종인 Jaw Crusher의 개요도(Will’s Mineral Processing Technology)

Figure 5. Grinder의 일종인 Grate Discharge Mill의 개요도(Will’s Mineral Processing Technology)

2. 선배로서의 조언

자원처리공학은 다른 전공과목들과 달리 실험 장비와 파쇄 장비들을 배우는 과목이기에 선수강이나 동시수강이 크게 필요하지 않습니다. 다만 이해를 위한 물리, 화학 지식이 어느 정도 필요하기에 에너지자원유체역학과 에너지자원지구화학의 선수강을 추천합니다(둘 다 2-2 전공필수과목입니다).

암석의 파분쇄를 다루는 과목이라, 에너지자원공학과의 꽃인 암석역학을 크게 다루지는 않습니다.

자원처리공학을 공부할 때는, 다른 과목처럼 이론적인 내용에만 치중되게 공부하기보다는 인터넷 검색을 십분 활용하는 것이 좋습니다. 파분쇄 기계나 운반용 컨베이어벨트의 종류를 작동원리와 사용해야 하는 환경에 따라 분류하여 배우게 되는데, 이들은 사진으로 보는 것보다 인터넷에서 영상을 직접 볼 때 원리 이해가 훨씬 빠르기 때문입니다.

또 파분쇄 기계는 암석을 말 그대로 부수는 기계이기 때문에, 실제 작동 영상을 보면 은근히 스트레스 해소가 된다는 소소한 장점도 있습니다. 개인적으로는 Hammer crusher이 가장 통쾌했습니다.

https://www.youtube.com/watch?v=Th31pL7iNRk (Hammer crusher의 시뮬레이션 영상)

3. 과목이 진로 선택에 도움되는 점

자원처리공학은 암반공학자의 길을 걷게 된다면 필수적으로 사용하게 될 기초 암반공학을 이론이 아닌 실제 산업 및 분석실험 면에서 배우는 과목입니다. 이에 따라 관심 분야가 시료의 입자 크기 분석 혹은 물성 분석을 필요로 한다면, 필수적으로 익혀 둬야 하는 과목일 것입니다.

취직에 있어서는 채광산업이나 개발산업의 경제성 평가를 위한 기본 원리를 배울 수 있기에, 암석공학의 산업에 관심이 있다면 귀담아 들어 두면 좋을 것입니다.

특히 개발현장의 일을 이론으로나마 느끼고 싶으신 분에게는 더더욱 추천드립니다.

4. 맺음말

자원처리공학은 이론적인 내용보다는 돌을 옮기고, 저장하고, 부수고, 분석하는 실험적인 내용을 배우는 비율이 큰 과목입니다. 따라서 입자 및 물성 분석이나, 산업의 해당 분야에 관심이 있는 분들께는 필수적인 내용입니다. 이론적인 내용에 집중하기보다는 다양한 기계 작동 영상을 참고하여, 이해를 높일 수 있다는 걸 참고하시어 즐거운 수강 되시길 바라겠습니다.