철(Iron)

철(Iron)은 지각에서 가장 풍부한 원소 중의 하나이며, 성형이 쉽고 다른 금속과 합금을 잘 이루어 다양한 목적으로 사용되는 금속입니다. 또한, 값이 싸고 이온화되려는 경향이 높기 때문에, 상대적으로 값비싼 금속을 얻기 위한 세멘테이션에 활용되는 경우도 있습니다. 반면, 흔한 원소기에 다른 금속을 제련하는데에는 불순물이 되기도 합니다.

 

철은 건식제련으로 생산하는 대표적인 금속입니다. 주로 산화광을 용광로(blast furnace)라 불리는 노에 다른 첨가물(코크스, 용제 등)과 함께 넣고 고온에서 철을 생산하는 방식입니다. 주로 사용되는 원광(raw ore)은 산화광 중 상대적으로 비싼 적철석, 자철석 등입니다. 아래는 철광석의 대표적인 생산지를 나타내고 있습니다.

아래는 이러한 철광석들이 모여있는 광상과, 대표적인 광물들입니다.

 

I. Iron Deposit: 철광상

 

(1) BIF(Banded Iron Formation, 호상철광층)

 

BIF는 경제적, 기술적인 측면에서 보았을 때 가장 중요한 광상입니다. 호상철광층은 퇴적광상으로 현재 생산되는 철의 대부분은 이로부터 얻어집니다. BIF는 해성층(해저에서 퇴적된 지층, marine deposit)에서 나타나며, 이는 퇴적 당시 해수에 있던 시노박테리아(cyanobacteria)의 광합성 작용에 의하여 퇴적된 지층입니다.

 

Banded Iron Formation

 

[참고] 시아노박테리아에 의한 호상철광상의 형성

Banded Iron Formation schematic graphic

바닷물 속에 철 성분이 많이 포함되어 있었는데, 시아노박테리아가 광합성을 하면서 탄산가스(CO₂)를 흡수 및 산소(O₂)를 배출하였습니다. 이후 시아노박테리아에 의하여 바닷물 속 용존산소량이 증가함에 따라 산화철의 침전이 가속화되고, 결과적으로 철 성분이 많은 퇴적층과 규질 성분이 많은 퇴적층이 번갈아 퇴적되면서 띠 모양의 철광층이 형성되었습니다.

시아노박테리아는 세균 중 유일하게 산소를 발생하는 광합성 세균이며, 이들의 생명활동으로 '스트로마톨라이트' 암석이 생성되었습니다.

 

BIF는 그 형성 시기, 기간 및 주변 환경과 지층의 연속성 등에 의하여 2가지 타입으로 다시 나뉘게 됩니다.

 

˙Lake Superior type deposit

˙Algoma type deposit

 

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II. Iron Ore: 철광석

 

(1) Oxide/Carbonate Ore

 

철을 생산하기 위하여 사용되는 철광석은 산화광들이 주류이며, 대표적으로 적철석, 자철석, 갈철석이 대상이 됩니다. 이전에 언급되었다시피, 이 광석들은 용광로(blast furnace) 또는 고로라고 불리는 장비에 환원제(코크스, cokes)와 용제(플럭스, flux)를 넣고 고온에서 녹이는 과정을 거칩니다.

 

[참고]  용광로 내 반응

Air + Cokes: 2C + O₂ → 2CO_(g)*

Stage 1: Fe₂O₃ + CO → Fe₃O₄ + CO_2(g)

Stage 2: Fe₃O₄ + CO → FeO + CO_2(g)

Stage 3: FeO + CO → Fe(molten metal) + CO_2(g)

*철광석을 환원시키는 주된 요소

 

특히, 적철석과 자철석은 철함량이 매우 높아 제철(iron-making)을 위한 용광로에 바로 장입될 수 있다는 의미에서 DSO(Direct-Shipping iron Ore)라고도 불립니다. 아래는 대표적인 산화광입니다.

 

Hematite (적철석)

Oxide Ore

화학성분: Fe₂O₃

중요한 철 광석 자원 중 하나입니다. 일부 타이타늄(Ti)을 소량 포함하는 경우가 있습니다.

이는 이전에 언급된 호상철광층(BIF) 광상에서 발견됩니다.

Magnetite (자철석)

Oxide Ore

화학성분: Fe₃O₄

자석(Magnet)으로부터 명칭이 유래하였으며, 이름의 의미 그대로 '자성을 가진 철 광석'입니다.

그러나, 550℃ 이상의 온도에서 가열하면 그 결정구조가 적철석(Hematite)로 변하여 자성이 사라집니다.

Goethite (침철석)

Oxide Ore

화학성분: FeO(OH)

침철석은 주로 철이 풍부한 광물이 풍화되어 발생하며, 라테라이트 토양에 농축되어 있습니다.

 

Limonite (갈철석)

Oxide Ore

화학성분: FeO(OH)˙n(H₂O)

적철석, 자철석과 마찬가지로 철의 중요한 광석으로 사용됩니다.

Siderite (능철석)

Carbonate Ore

화학성분: FeCO₃

능철석은 황, 인 등의 불순물을 포함하지 않으며, 철의 함량도 높기에 적철석과 자철석처럼 철의 중요한 광석으로 이용되기도 합니다.

Ilmenite (티탄철석)

Oxide Ore

화학성분: FeTiO₃

자철석보다는 비교적 약하나 자성을 띄는 광물로, 주로 철보다는 티타늄을 생산하기 위한 중요한 광석입니다.

괴상, 입상 등의 형태로도 존재하지만 중사(重沙, 무거운 모래)의 형태로도 많이 발견됩니다.

 

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(2) Sulfide Ore

 

황화철광은 철을 생산하기 위한 철광석으로 이용되는 경우는 거의 없습니다. 대신, 이들은 주로 황산 및 황안비료의 제조 등에 사용됩니다. 하지만, 이들은 광산, 터널 등 암반이 드러나는 곳 등에서 산소, 물 등과 반응하여 산성배수를 형성하여 환경적으로 문제를 일으킬 수 있습니다.

 

Pyrite (황철석)

Sulfide Ore

화학성분: FeS

황철석은 노란색깔과 금속의 광택으로 인하여 언뜻보면 쉽게 금으로 착각할 수도 있어, 소위 '바보 금(Fool's Gold)'이라는 별칭을 가지고 있습니다.

흔히 황산을 제조하는데 사용됩니다.

Arsenopyrite (황비철석)

Sulfide Ore

화학성분: FeAsS

Pyrrhotite (자황철석)

Sulfide Ore

화학성분: Fe_(1-x)S_x*

*x=0~0.2