IEG 환경지질연구정보센터

국내산 세립질 석회석으로부터 제조된 생석회에 대한 응용광물학적 특성 평가

Applied-mineralogical Characterization for the Quick-lime Manufactured from Fine-grained Domestic Limestones

노 진 환(Jin Hwan Noh)^1,*⋅이 현 철(Hyun Chul Lee)²

1강원대학교 지질학과

(Department of Geology, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea)

2(주)성신

(501 DaekwangB/D, 552-22 Dogok 1 dong, Gangnam-gu, Seoul 135-271, Korea)

요약 : 현재 국내에서 생석회 제조 용도로 사용되는 세립질 석회석을 대상으로 이들의 소성 특성을 규 제하는 원광의 응용광물학적 세부 영향 요인들의 관여 정도를 평가함으로써, 생석회 제조 과정에서 원 광 선택의 중요성을 고취시키고자 하였다. 이를 위해서 원광의 조성 및 조직적 특성과 동일한 가열처리 조건(온도: 1000℃, 시간: 30분, 2, 4, 10, 16 시간) 하에서 합성된 소성 산물들의 품질 특성을 체계적으 로 분석 및 계측하고 그 결과를 비교․검토 하였다. 선정된 광석들은 모두 방해석 품위가 98 wt%를 상 회하는 고품위 석회석이지만 결정도, 조직 및 불순물의 조성에 있어서 다소간의 차이를 나타낸다. 이 같은 원광 특성상의 차이에 따라 합성된 생석회는 다양한 품질 특성을 보인다. 석회석이 산출되는 암층 별로는 풍촌층 석회석이 상대적으로 매우 낮은 소성율을 나타내는 것이 특징이고, 갑산층과 정선층 석 회석은 소성율과 분화율에 있어서 좋은 품질 특성을 보였다. 소성율과 소결 정도 및 분화율 등에 있어 서 전반적으로 정선층에서 산출된 석회석이 고반응성 생석회의 원료로서 가장 적합한 것으로 평가되었 다. 또한 소결 현상은 상대적으로 황철석 및 침철석과 같은 함철광물의 함량이 높은 갑산층 석회석에서 보다 두드러지게 나타나는 것이 특징이다.

주요어 : 세립질 석회석, 품위, 품질, 소성, 소결, 분화율, 고반응성 생석회

ABSTRACT : This study is aimed to emphasize the significance of ore selection in lime manufacturing

Among these samples, the limestone ore from the Jeongseon formation is evaluated to be the best for crude ore in manufacturing of highly-reactive quicklime. In addition, it is characteristic that the

*

: [email protected]

Gabsan limestone comparative rich in Fe-bearing mineral such as pyrite and goethite is more cons- picuous in sintering effect.

Key words : fine-grained limestone, grade, quality, calcination, decrepitation, highly-reactive quicklime

서 언

석회석은 그 용도에 따라 다양한 품위(grade) 및 품질(quality) 조건이 요구되는데, 특히 최근에 와서 는 제지 분야 등의 고급 용도에서 종래의 시멘트 산업 용도와는 차원이 다른 높은 품위의 석회석이 사용된다. 소위 ‘고품위 석회석(high-Ca limestone 또는 high-purity limestone)’이라고 불리는 이 같은 부류의 석회석은 대개 CaCO3 함유도가 95 wt% 이 상에 해당되는 것을 의미한다(노진환, 2009). 이 같 은 고품위 석회석을 생석회 원료로 사용할 경우에 는 일반적으로 세립질 석회석이 적합한 것으로 알 려져 있다(서인국, 1997; Hedin, 1954; Murray, 1956; Job, 1973). 이외에도 원광의 치밀한 정도와 관련된 방해석의 형상과 기타 조직적 사항들도 생 석회 제조 과정에서의 소성 특성에 큰 영향을 미치 는 것으로 보고된 바 있다((Boynton, 1980; Oates, 1998; 노진환⋅이현철, 2008). 그렇지만 전 세계적 으로 아직 이에 대한 일반화된 논리가 정립되어 있 지 않은 상황이다.

석회는 석회석을 소성하여 형성된 생석회(quick- lime)와 이를 순차적으로 수화 반응시켜 생성된 소 석회(slaked lime)를 지칭한다. 이러한 석회는 건축 용, 제강용, 환경 개선용, 농업용 및 화학용에 이르 기 까지 매우 다양하게 사용되고 있다. 생석회는 석회석을 1000℃ 이상으로 가열시키는 과정에서 석회석의 유용 광물 성분인 방해석이 이산화탄소 (CO2)의 해리(dissociation)를 수반하는 하소(calci- nation) 반응의 결과로 생성되는 것이다. 이와 같은 소성 반응은 당연히 석회석의 표면에서부터 시작되 어 점진적으로 내부 쪽으로 진행되고 이때 발생되 는 CO2는 생성된 생석회의 미세 공극을 따라 외부 로 배출되는 것으로 알려져 있다(Oates, 1998). 또 한 석회석에서 생석회로 변환되는 과정에서 열의 이동 메카니즘은 원암인 석회석의 조직적 특성과 관련된 여러 가지 복합적 요인들에 의해서 규제되 는 것으로 알려져 있다(Boynton, 1980; Oates, 1998). 석회석에서 생석회로의 변환 과정에서 약 44 wt% 정도의 중량 감소를 수반하며 동시에 야기

되는 결정구조상의 변화로 부피가 감소되어 생석회 내에는 많은 공극이 형성된다. 생석회의 공극의 발 생 정도는 소성 정도에 따라 현격한 차이를 보인 다. 다시 말해서 소성 온도가 낮고 소성 시간이 짧 은 조건 하에서 형성되는 생석회의 공극은 최대 55 vol%까지 형성된다. 이에 반해서 소성 온도가 높고 유지 시간이 긴 조건 하에서 형성된 과소 생석회 (dead-burned lime)에서는 생석회의 결정 입도 증대 와 소결 현상이 발생하여 공극은 10 vol% 미만으 로 형성되기도 한다(Murray, 1956; Oates, 1998). 이 같은 공극의 발달 정도는 생석회의 반응성을 좌우 하는 주요 인자이다.

생석회에 있어서 높은 품질을 의미하는 고반응 성 생석회(highly-reactive lime)는 적절히 소성되어 잔류된 방해석이 없고 소결(sintering) 현상이 최소 화되어 다공성인 생석회를 의미한다. 고반응성 생 석회에 대해서 아직 국내에서는 생소한 감이 있지 만 이 분야 선진국에서는 통상적인 생석회 제품과 구분하여 등급을 나누고 그 품질을 관리하고 있는 실정이다. 고반응성 생석회는 소석회 제조 및 금속 제련 용도에서 특히 중요하게 취급된다(Boyton, 1980; Oates, 1998).

안타깝게도 국내 산업계에서는 대부분 고반응성 생석회의 개념조차도 희박한 상태에서 아직도 생석 회의 소성 특성과 품질을 주로 화학분석에 의존하 고 있는 전근대적 품질관리 방식을 유지하고 있는 상황이다. 최근에 노진환⋅이현철(2008)은 풍촌층 석회석의 다양한 결정도에 따른 생석회 소성 특성 의 차이를 검토 하였지만, 국내산 석회석 전반에 관해서 다루지 않았고 주로 결정 입도의 차이에 따 른 소성 특성의 결과를 취급했었던 관계로 원광의 특성과 생석회 품질 관계를 해석하는 데에는 다소 미흡한 감이 있었다. 따라서 이 논문에서는 국내에 서 산출되는 다양한 지층의 세립질 석회석을 대상 으로 동일한 소성 과정을 통해서 제조된 생석회의 품질 특성을 응용광물학적 방법론으로 세밀히 평가 하는 내용을 다루고자 한다. 이를 토대로 국내산 석회석의 소성 특성의 파악과 아울러 고반응성 생 석회 원료로서의 타당성도 검토하고자 한다.

Table 1. Locality and ore type for the samples used in this study

Formation Locality (mine name) Sample symbol Ore type

Pungchon

Jeongseon (Sindong) SD Micro-crystalline calcite Jeongseon (Chungmu) CM Micro-crystalline calcite Jeongseon (Daeyu) DY Micro-crystalline calcite Samcheck (Taeyoung-Yongyeon) TY Micro-crystalline marble

Gabsan

Yeongwol (Damu) DU Micro-crystalline calcite

Jecheon (Daeseong-Jecheon) DS Micro-crystalline calcite Danyang (Baekgwang) BK Micro-crystalline calcite

Danyang (Yeongcheon) YC Original limestone

Jeongseon Pyeongchang (Taeyoung-Cheongsu) TC Original limestone Yeongheung Pyeongchang (Geumsan) GS Micro-crystalline calcite

연구 방법

국내에서 산출되는 석회석들의 소성 특성을 평 가하기 위해서 국내의 대표적인 10개 광산에서 산 출되는 석회석 시료를 관련 회사 책임자 입회하에 현장에서 선정하였다(표 1).

석회석 광석에 대해서 우선 통상적인 편광현미 경 관찰과 X-선 회절분석(XRD: model RIGAKU D/Max 2200)을 시행하여 광물 조성, 광물상, 광 물의 결정형 및 기타 조직적 사항을 파악하였다.

석회석의 광물 단위의 품위 산정은 영국지질조사 소(British Geological Survey; BGS)에서 제안한 일종의 산처리에 의한 용해 방식(chemical leach- ing method)인 ‘rock chip method’를 적용하여 이 루어졌다(Harrison, 1992). 또한 여기서 걸러진 불 용성 잔류물에 대해서는 주사전자현미경(SEM;

model HITACHI, S-4300)과 여기에 부착된 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 통해 그 광물상을 감정하였고, 그 양적인 관계는 리트 벨트법에 의한 X-선 회절정량분석법(Tayor and Matulis, 1994; Taylor and Hinczak, 2001)을 적용 하여 파악하였다. 석회석 화학 분석은 서울대학 교 기초과학교육연구공동기기원에 의뢰하여 주요 원소를 대상으로 X-선 형광분석법(XRF; model SHIMADZU, XRF-1700)으로 수행되었다.

석회석의 결정 크기 및 결정 입도 분포를 정량적 으로 파악하기 위해서 영상분석시스템(image ana- lysing system)인 ‘i-solution^TM (iMT echnology)’을 사용하였고, 입도 분포를 파악하기 위해서 총 2000여 점 이상의 결정들을 측정하여 통계처리

하였다. 방해석 내에 발달하는 벽개 및 쌍정의 발 달 정도는 편광현미경 관찰을 통해 각각의 결정에 대한 간섭상을 확인한 후 벽개와 쌍정의 간격 및 빈도수를 영상분석장치를 통해 측정하였다(노진환

⋅이나경, 2007).

석회석의 소성은 노진환⋅이현철(2008)이 적용 한 방법 및 조건을 그대로 적용하였다. 즉, 소괴 크 기(3 cm × 3 cm × 3 cm)에 해당되는 정육면체 형 태로 일정하게 제작된 시편을 1000℃에서 배출가 스의 통기가 원활하도록 제작된 전기로 내에서 동 시에 가열⋅처리되었다. 정체시간(retention time)은 총 5단계(30분, 2시간, 4시간, 10시간, 16시간)에 걸 쳐서 소성 실험이 이루어졌다.

석회석의 가열처리에 의한 생석회로의 변환 정 도를 의미하는 소성율(rate of calcination)은 방해석 의 품위로부터 추산된 CO2 함량과 실제 실험 조건 하에서의 작열감량을 기준으로 측정하였다. 생석회 의 수축률은 일정한 크기로 제작된 석회석 시료의 초기 부피를 기준으로 가열처리 시간대별로 초래된 시료에 대한 부피 감소의 백분율로 나타내었다.

가열 처리 시간 변화에 따른 생석회의 결정도, 소결 정도 및 공극의 발달 양상 등과 같은 조직적 변화 추이를 관찰하기 위해서 주사전자현미경을 이 용하였다. 생석회의 결정도는 주사전자현미경 하에 서 결정 단위별로 1000여 점 이상 검사하고, 그 결 과를 영상분석장치를 이용하여 통계처리 방식으로 평균 입도와 분포 상황을 분석하였다. 생석회의 공 극률과 공극의 크기는 주사전자현미경과 영상분석 장치를 이용하여 측정하였다. 생석회 시료 내에 발 달하는 공극의 크기는 그 형상도 고려하여 길이와

Fig. 1. SEM micrograph (A) and its simplified synthesizing image (B) illustrating the method using image analysing system for determination of porosity in the quicklime.

폭을 각각 별도로 측정하여 평균값으로 나타내었 다. 공극률은 임의의 서로 다른 시편 부분을 20군 데 이상 측정하여 계산되었다. 공극률의 측정을 용 이하게 수행하기 위해서 우선 주사전자현미경 하에 서 관찰되는 생석회의 영상을 그림 1에서 볼 수 있 는 바와 같이 영상분석장치을 이용하여 단순화 시 켰다. 그 다음에는 공극과 결정 부분으로 이원화 시킨 영상을 관련 면적 계산 프로그램을 이용하여 자동적으로 공극 부분의 면적을 계산하고 이를 근 거로 공극률을 산정하였다.

생석회의 반응성(reactivity)과 분화율(rate of de- crepitation)의 측정은 영국지질조사소에서 제안한 표준 방식(Harrison, 1992)에 따라 이루어졌다. 이 표준 측정법에 의한 생석회의 반응성은 4 mm 이 하로 분쇄된 일정량의 생석회(25 g)에 정량의 물 (vol.[ml]=6×투입된 생석회의 wt%)을 가할 때 발 생하는 열에 의한 온도 증가분 측정 방식으로 산 정된다. 이 측정 방식은 전기 교반기(stirrer)를 사 용하여 300 rpm으로 2분간 교반시켰을 때의 온도 상승 수치를 기준으로 한다. 생석회의 분화율은 10시간 소성한 시료를 대상으로 표준체 내에서 진 탕기(shaker)로 5분간 진동시킨 과정에서 발생한 4 mm 이하의 분체들의 양을 초기 시료의 무게와 대 비시켜 계산되었다. 생석회의 백색도와 색도는 색 도측정기(MINOLTA, model CR-300)를 사용하여 측정하였다.

석회석 원광의 광물상 및 광물 특성 연구에 사용된 풍촌층, 갑산층, 정선층, 영흥층에

서 산출되는 석회석은 유백색, 담회색 내지 암회색 의 색조를 나타내며 대부분 방해석으로 구성된 단 순한 광물 조성을 보인다. 또한 편광현미경 하에서 이들은 공통적으로 미정질 또는 은미정질의 낮은 결정도를 보이지만 결정의 형상 및 결합 정도 등의 조직적인 면에서 다소 차이를 나타낸다.

풍촌층 석회석은 2차에 걸친 열수변질 작용과 열 접촉 변성작용에 의해서 그 광물상과 조직이 다양 한 고품위 석회석 광체들이 부존되는 것으로 알려 져 있다(노진환과 오성진, 2005). 이 연구에 사용된 풍촌층 석회석은 신동(SD), 충무(CM), 대유(DY) 및 태영⋅용연(TY) 광산에서 채취된 것으로서, 노 진환 외(2004)에 의해서 제안된 분류체계(미정질 방해석형, 미정질 대리암형, 조립질 대리암형, 거정 질 방해석형, 원암형)에 따르면 미정질 방해석형 (Micro-crystalline calcite type)과 미정질 대리암형 (Micro-crystalline marble type) 광석에 속한다. 편 광현미경 하에서 미정질 방해석형에 속하는 신동, 충무 및 대유광산의 광석은 0.1∼0.2 mm 정도의 결정 크기를 보이는 방해석 결정들로 구성된다. 이 들은 비슷한 결정도를 보이지만 결정들의 결합 양 상에서 다소 차이를 보인다. 신동 광산의 광석은 등립상(equigranular)의 조직을 보이는 반면 충무 광산과 대유 광산의 광석은 결정들이 서로 치밀하 게 결합하고 있는 조직적 특징을 나타낸다(그림 2A, B, C). 미정질 대리암형 광석에 속하는 태영⋅

용연(TY) 광산의 광석은 2차적으로 교대⋅변질된 양상을 보이고 유백색을 띠며 견고한 물성을 갖는 것이 특징적이다. 편광현미경 하에서 태영⋅용연 광석은 큰 방해석 결정들 사이를 채우고 있는 상대

Fig. 2. Photomicrographs of limestones showing the various crystallinity and texture (crossed nicols). (A∼D) Pungchon limestone, (E∼H) Gabsan limestone, (I) Jeongseon limestone, (J) Yeongheung limestone.

Fig. 3. Crystal size distribution curves of limestone used in this study. Abbreviations of samples are the same as in the Table 1.

적으로 작은 방해석 결정들에 의해서 이원적인 입 도 분포 양상을 보이고(그림 3) 매우 치밀한 봉합 상 조직을 나타낸다(그림 2D). 이와 같은 이원적인 입도 분포 상에서 상대적으로 큰 방해석 결정 내에 벽개 및 쌍정이 잘 발달하는 것이 특징적이다. 담 우(DU), 대성⋅제천(DS), 백광(BK), 영천(YC) 광 산의 광석은 갑산층에서 산출되는 것으로서 광석

유형으로는 미정질 방해석형 광석과 원암형(Origi- nal limestone type) 광석에 해당된다. 갑산층 석회 석은 풍촌층 석회석과는 달리 열수변질 양상은 관 찰되지 않으며, 풍촌층 석회석에 비해 상대적으로 어두운 암색과 낮은 결정도를 보인다. 갑산층 광석 은 반자형 내지 타형의 결정을 가지고 대체로 0.02

∼0.04 mm 크기의 방해석 결정들로 구성되며 등립 상 조직을 나타낸다. 벽개와 쌍정의 발달이 미약하 며 일부 재결정화 된 화석 파편이 관찰되기도 한다 (그림 2E, F, G). 편광현미경 하에서 영천 광산의 광석은 결정화 정도가 미약하고 석회암 특유의 미 세한 미크라이트(micrite) 성분이 관찰된다. 정선층 에서 산출되는 태영⋅청수(TC) 광산의 광석은 미 크라이트질 기질부를 상당량 포함하는 원암형에 해 당된다. 재결정화 된 화석 파편 및 방해석 세맥이 관찰되지만 전체적으로 0.02 mm 이하의 극미립 결 정들로 이루어지며 벽개 및 쌍정의 발달이 미약하 다(그림 2I). 미정질 방해석형 광석에 속하는 금산 (GS) 광산의 석회석은 영흥층에 속한다. 금산 광산 의 광석은 결정들이 불규칙한 접합면을 보이며 서 로 치밀하게 결합하고 있는 조직을 보이는 것이 특 징이다(그림 2J).

방해석 결정 내에 발달하는 벽개 간격 및 빈도수 를 측정한 결과, 벽개 간격은 6∼35 µm이고 빈도

Table 2. Mineral characters of limestone used in this study

name

Crystal size (mm)

Cleavage Twin

Elongation ratio Interval

(µm)

Frequency (N/mm²)

Width (µm)

Interval (µm)

Frequency (N/mm²) Sindong 0.04∼0.44

(0.16) 12∼33(22) 5 22 28 29 0.52

Chungmu 0.02∼0.28

(0.11) 5∼15(10) 4 13 16 31 0.71

Daeyu 0.02∼0.33

(0.07) 11∼24(17) 4 13 34 20 0.67

Damu 0.01∼0.27

(0.03) 8∼11(9) 3 4 10 11 0.72

Daeseong-Jecheon 0.01∼0.40

(0.03) 9∼31(21) 2 10 11 13 0.67

Baekgwang 0.01∼0.17

(0.04) 7∼21(10) 3 11 13 16 0.71

Geumsan 0.01∼0.09

(0.03) 15∼35(28) 4 20 39 12 0.69

Taeyoung-Yongyeon 0.02∼0.40

(0.07) 12∼31(20) 6 11 22 35 0.70

Yeongcheon 0.01∼0.13

(0.02) 8∼18(10) 2 9 9 6 0.58

Taeyoung- Cheongsu

0.01∼0.53

(0.03) 6∼16(11) 2 5 8 7 0.65

수는 2∼6으로, 광석 별로 현격한 차이를 나타내지 는 않는다. 그렇지만 상대적으로 입도가 큰 풍촌층 광석이 다른 지층의 광석들에 비해 벽개가 상대적 으로 잘 발달되는 것으로 나타났다(표 2). 또한 풍 촌층 광석은 다른 지층에서 산출되는 광석들 보다 쌍정의 폭과 간격도 큰 것으로 나타난다. 결정의 장축과 단축의 비를 의미하는 신장비(elongation ra- tio)는 신동 광산의 광석과 영천 광산의 광석이 가 장 긴 형태를 갖는 것으로 측정되었다(표 2).

광물 조성에 있어서 연구에 적용된 광석은 모두 98 wt% 이상의 높은 방해석 품위를 보이지만 불순 물의 내용 및 그 함유 정도에 있어서는 다소간의 차이를 보인다(표 3, 그림 4, 5). 풍촌층과 영흥층 석회석에서 산출되는 신동, 충무, 대유, 태영⋅용연 및 금산 광산의 광석은 대부분 일라이트(illite)가 주된 불순 광물상을 이루고 있는 것으로 관찰된다.

이 같은 판상의 일라이트는 대체로 10∼50 µm 정 도의 결정 크기를 보이고 반자형 내지 자형의 결정

형을 갖는다. 일라이트 이외의 불순 광물로는 자형 의 석영(quartz)과 황철석(pyrite)이 소량 관찰된다 (그림 4A, B). 풍촌층 석회석에 비해 상대적으로 어두운 암색을 보였던 갑산층과 정선층에 속하는 담우, 대성⋅제천, 백광, 영천 및 태영⋅청수 광산 의 광석은 풍촌층 석회석에서는 관찰되지 않았던 1 µm 이하의 매우 낮은 결정도를 보이는 탄질물 (coaly matter)이 상당량 함유되는 것이 특징이다 (그림 4C). 또한 갑산층 석회석의 모든 광석에서는 침상의 결정형을 가지는 침철석(goethite)이 수반되 는 것이 특징적이다(그림 4D). 영천 광산의 광석의 경우에는 탄질물이 상대적으로 적게 함유되면서 침 철석이 주된 불순물을 이루는 것이 특징이다. 탄질 물과 침철석 이외에 갑산층과 정선층에서 산출되는 석회석에서도 풍촌층 석회석의 경우와 마찬가지로 일라이트, 석영 및 황철석이 수반되지만 그 함유 정도는 상대적으로 낮다. 이들 석회석에 불순물로 흔히 수반되는 일라이트는 대체로 풍촌층 석회석에

Fig. 4. SEM micrographs showing the impurities of the HCl-treated limestone. (A, B) Residual impurities from the Pungchon limestones. (C, D) Residual impurities from the Gabsan limestones. Il: Illite, Py: pyrite, Qt: quartz, Cm: coaly matter, Gt: goethite.

Table 3. Mineral and chemical composition of limestones

Mineral composition (wt%) Chemical composition (wt%) calcite dolomite qaurtz illite chlorite pyrite coaly

matter goethite CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3

Sindong 99.04 0.01 0.15 0.77 n.d. 0.03 n.d. n.d. 55.49 0.87 0.01 0.13 0.08 Chungmu 99.60 <0.01 0.14 0.26 n.d. <0.01 n.d. n.d. 55.81 0.39 0.05 0.05 0.04 Daeyu 99.86 <0.01 0.05 0.09 n.d. <0.01 n.d. n.d. 55.95 0.53 0.12 0.06 0.03 Damu 99.45 <0.01 0.02 0.17 n.d. 0.02 0.32 0.01 55.72 0.42 0.41 n.d. 0.25 Daeseong-

Jecheon 99.86 <0.01 0.02 0.04 n.d. 0.01 0.06 0.01 55.36 0.85 1.20 0.18 0.05 Baekgwang 99.34 <0.01 0.01 0.27 0.07 0.02 0.29 n.d. 55.66 0.40 0.16 0.20 0.25 Geumsan 99.84 n.d. 0.09 0.07 n.d. <0.01 n.d. n.d. 55.94 0.55 0.14 n.d. 0.04 Taeyoung-

Yongyeon 99.70 <0.01 0.09 0.21 n.d. <0.01 n.d. n.d. 55.86 0.32 0.12 0.01 0.04 Yeongcheon 99.57 0.01 0.04 0.03 n.d. <0.01 0.02 0.33 55.38 0.36 0.21 0.02 0.13

Taeyoung-

Cheongsu 98.84 0.02 0.33 0.73 n.d. 0.02 0.06 n.d. 55.38 0.49 0.62 0.47 0.03

상대적으로 많이 수반되며 그 결정도도 높은 것으 로 나타난다.

X-선 형광분석법(XRF)으로 분석된 주요 화학 조

성을 분석 결과에서도 광물 조성과 마찬가지로 거 의 순수한 방해석 조성에 해당되는 55∼56 wt% 범 위의 CaO 함유도를 보였다(표 3). 생석회의 품질에

Fig. 5. X-ray diffraction patterns for insoluble residues of limestones. (A) Pungchon limestone, (B) Gabsan limestone, (C) Yeongheung limestone, (D) Jeongseon limestone. Il: Illite, Py: pyrite, Qt: quartz, Cm: coaly matter, Gt: goethte, Ch: chlorite.

영향을 미치는 화학성분들에 있어서 MgO의 함량 은 신동광산과 대성⋅제천광산의 경우 각각 0.87 wt%와 0.85 wt%로서 다른 광산의 광석들(0.32∼

0.55 wt%)에 비해서 상대적으로 다소 높게 분석되 었다. 또한 SiO2와 Al2O3 함량에 있어서는 대성⋅

광산(SiO2: 1.20 wt%, Al2O3: 0.18 wt%)과 태영⋅

청수 광산(SiO2: 0.62 wt%, Al2O3: 0.47 wt%)의 광 석들이 두 성분 모두 0.2 wt% 미만으로 함유되는 다른 광석들에 비해 상대적으로 높은 함유 수준을 보인다. Fe2O3의 함량에 있어서는 갑산층 석회석에 해당하는 담우, 백광 및 영천 광산의 광석이 다른 지층에서 산출되는 광석(0.1 wt% 미만)에 비해 상 대적으로 높은 함유 수준(0.13∼0.25 wt%)을 보이 는 것이 특징이다.

생석회의 응용광물학적 특성

일반 물성적 특성

원광의 다양성에 따른 생석회의 품질 규제 사안

을 파악하기 위해서, 국내에서 산출되는 대표적인 석회석들에 대해서 동일한 실험 조건 하에서 소성 시켜 합성된 생석회들의 각각의 특성과 품위 및 품 질 평가를 시행하였다. 소성 전과 후의 시료 상태 를 비교한 결과에 의하면 우선 색깔, 균열 양상 및 부피 변화 등에 있어서 육안으로도 분명한 차이를 볼 수 있었다(그림 6). 전체적으로 백색 내지 암회 색의 암색을 보였던 석회석 원광은 가열 처리 후에 백색 내지 담갈색의 색조를 나타낸다. 특히 어두운 암색의 담우, 백광 및 태영⋅청수 광석은 소성 후 에 백색도의 향상이 두드러지게 나타난다. 또한 갑 산층에서 산출되는 광석들은 다른 지층에서 산출되 는 광석들에 비해 소성 후에 갈색조의 색상을 보이 는 것이 특징이다. 생석회로 소성되면 소괴 형태의 시편들은 다소 취약한 물성을 보이지만 전반적으로 와해됨이 없이 원래의 형태를 유지한다. 그렇지만 담우, 대성⋅제천, 백광 및 태영⋅청수 광산의 광 석에서는 방해석 세맥을 따라 균열대가 일부 파생 되는 양상이 관찰된다(그림 6).

암색과 균열 양상 이외에도 소성 후에 육안으로

Fig. 6. Physical characters of limestones (A) and their heat-treated samples (B) Abbreviations of samples are the same as in the Table 1.

Fig. 7. Change of shrinkage pattern with increasing of retention time in heat-treated limestones.

도 확인이 가능할 정도의 부피 감소 현상이 발생한 다. 가열 초기 즉, 예열 단계에서는 일정한 비율로 부피가 팽창하다가 이산화탄소의 해리가 시작되는 온도에 도달하게 되면 표면에서부터 석회석의 열분 해(dissociation)가 시작되고 계속 가열하면 부피 감 소가 발생하게 된다고 알려져 있다(Boynton, 1980;

日本石灰協會技術委員會, 1992). 이 같은 수축 현 상은 연구에 동원된 석회석 중에서 대성⋅제천 광 산의 광석과 영천 광산의 광석에서 가장 현격하게 발생하는 것으로 관찰된다(그림 6).

열처리 시간에 따라 발생하는 부피 감소 정도를 파악하기 위해 소괴 크기(3 cm × 3 cm × 3 cm)의 석회석 시료를 기준으로 단계적(30분, 2시간, 4시 간, 10시간, 16시간)으로 가열 처리하여 조사되었 다. 수축률은 제조된 생석회의 부피를 실측하고 원광석의 부피를 대비시켜 각각 계산하였다. 그

결과, 유지 시간이 길어짐에 따라 대부분 상당한 부피 감소가 발생하고 시편별로 그 차이가 현격하 게 나타났다(그림 7). 30분 경과된 초기의 소성 조 건 하에서는 대부분 부피 변화를 보이지 않거나 일부 시료는 2% 미만의 부피 감소를 가져왔다.

그렇지만 백광 광산과 금산 광산의 광석에서 볼 수 있는 바와 같이 일부 시편에서는 오히려 부피 가 팽창한 것으로 측정되기도 하였다. 가열 처리 시간을 단계적으로 증가시킴에 따라 시편의 수축 률이 점차증대 되면서 가장 오랫동안 가열 처리 (16시간)된 시편의 경우에서는 초기 부피보다 8∼

37%까지 부피 감소가 발생하는 것으로 측정되었 다. 시편별로는 갑산층에서 산출되는 광석에서 대 략 37%로 부피 감소가 가장 크게 일어났다. 이에 비해서 정선층에서 산출되는 원암형 광석에 해당 하는 태영⋅청수 광석이 8%로 가장 낮은 수축률 수치를 보인다(표 4).

소성율 및 소결 특성

석회석의 탈탄산화 반응 정도를 의미하는 소성 율은 생석회 제조 공정에 있어서 생산성 및 제조공 정상의 효율성과 직접 연계되는 사안이기 때문에 중요하게 취급된다. 각 광석별로의 이 같은 소성율 을 평가하기 위해서 일정한 온도(1000℃) 조건 하 에서 단계적으로 가열 처리 한 후에 생석회로의 변 환 정도를 X-선 회절분석을 통하여 분석하였다. 소 성 시간이 30분으로 가장 짧았던 경우에는 시료 모 두 탈탄산화 반응이 완전히 이루어지지 않았지만, 2시간 소성 후에는 일부 미정질 방해석형 광석(신 동, 충무 및 금산 광산)들을 제외한 대부분의 시료 들이 완전히 소성되는 양상을 보였다(그림 8). 이

Table 4. Characteristic of the quicklime synthesized from limestones

Sample symbol SD CM DY DU DS BK GS TY YC TC

Crystal shape P.T, C.O P.T, C.O P.T, C.O C.O C.O C.O P.T, C.O C.O C.O C.O

Crystal mean size (µm)

0.5 hour 0.4 0.4 0.2 0.3 0.3 0.4 0.3 0.4 0.2 0.4

2 hour 0.5 0.4 0.4 0.5 0.4 0.6 0.3 0.4 0.7 0.9

4 hour 0.6 0.5 0.6 0.5 0.7 0.8 0.4 0.8 0.8 1.0

10 hour 0.7 0.7 1.0 1.2 1.1 1.0 0.5 1.3 1.3 1.5

16 hour 0.7 0.8 1.1 1.3 1.2 1.3 1.3 1.5 1.9 1.6

Shrinkage (%) 17.82 28.63 28.66 37.53 37.37 14.19 30.70 35.84 34.47 8.25 Rate of decrepitation (%) 3.94 1.40 0.60 0.35 0.22 1.24 1.17 0.56 0.70 0.36 Porosity (%) 30.9 14.9 17.4 17.3 8.9 20.4 20.1 11.1 0.6 19.2

Pore

length (µm) 1.98 1.03 1.38 1.04 0.70 1.89 0.84 1.24 0.29 1.86 width (µm) 0.21 0.28 0.29 0.68 0.26 0.89 0.18 0.30 0.17 0.26

degree of

connection very well moderate moderate well poor well well poor very poor well Reactivity

(℃/150 ml in H2O) 30 13 19 15 7 21 23 12 3 23

whiteness 90.31 75.52 88.10 76.02 70.77 90.97 90.07 80.37 54.47 92.90 P.T: pseudotetragonal, C.O: cuboctahedron.

생석회 합성 실험 과정에서는 탈탄산화 반응이 4시 간 안에 모두 이루어지는 것으로 밝혀졌다. 그리고 4시간 이상 가열한 상태에서는 모든 시료들에서 소 결반응이 진행된 것으로 나타났다.

모든 시료가 미소성 상태인 것으로 판단되는 30 분간 소성 했을 경우를 기준으로 각 광석별의 소성 율을 측정하고 비교 검토해 보았다. 전체 시료들 중에서 원암형 광석에 해당되는 태영⋅청수 광산 의 광석이 소성율 80.04%로 가장 높게 측정되었다 (표 5). 또 다른 원암형 광석인 영천 광산의 광석도 상대적으로 높은 수준의 소성율(74.34%)을 보였다.

즉 석회석의 생석회 제조 과정에서의 소성율은 전 반적으로 원암형 광석이 다른 유형의 광석보다 높 은 것으로 나타난다. 이에 비해서 상대적으로 결정 질인 성향이 큰 신동, 충무 및 금산 광산의 광석들 은 대체로 60% 대의 소성율을 보였고 대부분의 갑 산층 광석들과 풍촌층의 미정질 대리암형 광석인 태영⋅용연산 석회석이 대개 70% 대의 소성율을 보였다.

생석회 제조 과정에서 석회석의 소성 반응이 종 료된 이후에 진행되는 소결 현상은 생석회의 품질 의 저하를 초래하기 때문에 중요한 사안이다. 이

같은 소결 현상이 진행될수록 생석회의 공극률 (porosity)은 감소하여 궁극적으로 반응성에 부정적 인 역할을 하는 것으로 알려져 있다(Murray, 1956;

Hedin, 1960). 이에 따라 동일한 실험 조건에서 각 시료별로 소결 정도의 차이를 파악하고자 하였다.

소결 반응이 진행된 것으로 파악된 4시간 이상의 가열 처리 조건(4시간, 10시간, 16시간) 하에서 주 사전자현미경으로 그 소결 상태를 관찰한 결과, 모 든 시료가 가열 시간이 길어짐에 따라 소결 정도에 있어서 시료별로 현격한 차이를 보이면서 소결 현 상이 심화되었다. 특히, 갑산층에서 산출되는 일부 광석(대성⋅제천, 영천)들이 다른 광석들에 비하여 소결 반응이 민감하고 빠르게 진행되는 것으로 나 타났다. 이에 비해서 풍촌층에서 산출되는 일부 미 정질 석회석들(신동, 충무)은 상대적으로 소결 반응 이 더디게 진행된 것으로 파악되었다. 전반적인 소 결 정도를 실제의 제조 공정상의 가열 처리 기간 (24∼48 시간)에 가까운 가열 조건인 16시간 소성 한 시료를 기준으로 각 광석의 소결 정도를 비교해 보았다(그림 9). 그 결과 갑산층에서 산출되는 광석 이 다른 지층에서 산출되는 광석에 비하여 소결 현 상이 심화된 것으로 관찰된다.

Fig. 8. X-ray diffraction patterns of limestones calcined for 30 minutes (A) and 2 hours (B), respectively. C:

calcite, L: quicklime, Q: quartz.

Table 5. Calcination rate and degree of sintering in heat-treated limestones

(mine name)

Rate of calcination (%) Degree of sintering

30 min 2 hours 4 hours 10 hours 16 hours

Sindong 69.16 96.59 none weak weak

Chungmu 67.05 93.43 none weak weak

Daeyu 72.25 100 none weak moderate

Damu 75.38 100 none weak moderate

Daeseong-Jecheon 73.49 100 moderate moderate strong

Baekgwang 71.78 100 none weak weak

Geumsan 67.86 94.22 none weak weak

Taeyoung-Yongyeon 74.67 100 none weak weak

Yeongcheon 74.34 100 moderate strong strong

Taeyoung-Cheongsu 80.04 100 weak weak weak

결정도 및 결정형

일반적으로 수 내지 수십 µm 크기를 이루는 생 석회의 결정 입도는 소성 온도가 높아지고 소성 시간이 길어짐에 따라 점차 증대되는 것으로 알려 져 있다(Boynton, 1980). 전술한 바와 같은 생석회 소성 실험 과정에서도 이와 같은 현상이 인지된다 (표 4, 그림 10). 그렇지만 시료별로는 동일한 가 열 온도 및 처리 시간 조건에서 결정 입도가 현저 히 다르게 나타난다. 영천 광산의 광석이 가장 큰 입도를 보이는데 비해서 신동 광산과 충무 광산의 광석들의 경우에는 입도가 가장 낮은 것으로 관찰

되었다.

합성된 생석회의 입도는 초기 단계인 30분 가열 조건 하에서는 극미립질(0.1∼0.7 µm)을 이루며 전 체적으로는 입도 분포의 폭이 좁은 단순형의 분포 양상을 보인다(그림 11A). 이에 비해서 소성 시간 이 가장 길었던 경우(16시간)에는 입도 분포의 폭 이 커지고 보다 복잡한 결정 입도 분포 양상이 관 찰된다(그림 11B). 특히 합성된 생석회 결정의 크 기가 크고 소결 현상이 현저하게 발생하는 것으로 관찰되었던 갑산층 광석들이 넓은 입도 분포 폭을 보이고 복합형의 분포 양상을 나타내는 것이 특징 이다. 전체적으로는 풍촌층의 미정질 방해석형 광

Fig. 10. A diagram illustrating the change of crystal size in quicklimes with increasing of retention time when heating at 1000℃. Abbreviations of samples are the same as in the Table 1.

Fig. 9. SEM micrographs showing the degree of sintering of the quicklime calcined for 16 hours. (A) Sindong, (B) Chungmu, (C) Daeyu, (D) Damu, (E) Daeseong-Jecheon, (F) Baekgwang, (G) Geumsan, (H) Taeyoung- Yongyeon, (I) Yeongcheon, (J) Taeyoung-Cheongsu.

석들이 다른 광석들에 비해 오랜 시간 동안 소성이 진행되어도 상대적으로 입도 분포의 폭이 좁은 양 상을 보인다.

생석회의 결정형은 등축정계에 속하는 형상을 갖는다. 그렇지만 이 실험 결과에서는 대부분 다소 불완전한 극미립질 결정상을 보이며 형상적으로는 등축정계의 전형적인 취형(combination form) 결정 형인 육팔면체형이 대부분을 이루고 간혹 위정방형

결정형도 관찰된다. 또한 합성된 대부분의 생석회 시료들이 육팔면체형의 결정형을 이루는데 반해서 풍촌층의 미정질 방해석형 광석에 해당하는 신동, 충무 및 대유 광산의 경우에는 위정방형 생석회 결 정이 우세하게 나타나는 것이 특기할만하다. 생석 회 결정화 과정이 진행됨에 따라 초기 단계에는 2

∼3개의 극미립상의 결정들이 취합상의 형태를 이 루다가 점차적으로 개개의 결정들의 입도가 증대되 며 동시에 낱개의 결정들로 분리되는 결정화 양상 을 보인다(그림 12, 13).

공극률 및 공극의 형상

생석회는 일반적으로는 20∼30%의 공극률을 갖 지만, 가열처리 방식 및 조건에 따라 매우 큰 폭의 변화상을 보이는 것으로 알려져 있다(Boynton, 1980). 즉, 결정화 및 소결 정도에 따라 10% 미만 의 공극률을 보이기도 하고, 경우에 따라서는 55%

까지 높은 공극률을 보이기도 한다. 그렇지만 이는 대부분 소성 조건에 따른 결과로 해석되어 왔고 원 광의 상태에 따른 변화 정도는 간과되어 왔다. 본 연구에서는 광석의 유형에 따른 공극률의 파생 정 도를 검토하기 위해서 동일 조건(1000℃ 및 10시

Fig. 12. SEM micrographs showing the morphology and texture of the quicklime calcined for 30 minutes. (A) Sindong, (B) Chungmu, (C) Daeyu, (D) Damu, (E) Daeseong-Jecheon, (F) Baekgwang, (G) Geumsan, (H) Taeyoung-Yongyeon, (I) Yeongcheon, (J) Taeyoung-Cheongsu.

Fig. 11. A comparison of size distribution curves in the synthesized quicklime crystals at different retention times: (A) 30 minute, (B) 16 hours.

간)에서 가열처리된 생석회들의 공극률을 영상분석 장치를 이용하여 측정하였다. 측정 결과, 이 연구에 동원된 시료들은 전체적으로 0.6∼30.9%로서 시료 별로 현격한 차이를 보이고, 일반적인 제조 공정상 에서 생산된 생석회에 비해 상대적으로 낮은 공극 률을 나타낸다(표 4, 그림 14).

시료별로는 신동 광산의 광석이 30.9%로 가장 높은 공극률 수치를 보인다. 또한 공극의 연결 및

발달 정도를 의미하는 공극의 평균 길이와 폭에 있 어서도 가장 높은 값(길이: 1.98 µm, 폭: 0.21 µm) 을 나타낸다. 이에 비해서 영천 광산과 대성⋅제천 광산의 광석의 경우에는 상대적으로 낮은 공극률 수치(0.6%, 8.9%)를 보인다. 뿐만 아니라 공극들이 잘 연결되어 있지 않아 독립된 미세한 공극들이 산 포되는 양상을 보인다.

Fig. 14. Simplified digital images showing the porosity and mode of pore connection in the quicklime calcined for 10 hours. (A) Sindong, (B) Chungmu, (C) Daeyu, (D) Damu, (E) Daeseong-Jecheon, (F) Baekgwang, (G) Geumsan, (H) Taeyoung-Yongyeon, (I) Yeongcheon, (J) Taeyoung-Cheongsu.

Fig. 13. SEM micrographs showing the morphology and texture of the quicklime calcined for 16 hours. (A) Sindong, (B) Chungmu, (C) Daeyu, (D) Damu, (E) Daeseong-Jecheon, (F) Baekgwang, (G) Geumsan, (H) Taeyoung-Yongyeon, (I) Yeongcheon, (J) Taeyoung-Cheongsu.

반응성 및 분화율

제철⋅제강용, 건축용 및 화학용 등의 용도로 사 용되는 생석회에 있어서 반응성(reactivity)은 중요

한 품질 특성으로 취급되고 있다. 영국지질조사소 에서 제안한 표준 방식(Harrison, 1992)에 따라 10 시간 소성한 시료를 대상으로 수화 반응성을 측정 한 결과, 온도 상승률이 3∼30℃의 수치를 보여 시

Table 6. Chemical composition of quicklimes synthesized from domestic fine-grained limestones

Mine name Chemical composition (wt%)

CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 Na2O K2O MnO TiO2 P2O5 LOI*

Sindong 97.95 0.54 0.23 0.02 0.04 0.07 0.02 n.d. 0.05 0.02 1.08 Chungmu 97.50 1.46 0.08 0.06 0.06 0.07 n.d. 0.02 0.04 0.01 0.69

Daeyu 97.43 1.47 0.14 0.07 0.08 0.10 n.d. 0.01 0.05 0.03 0.64 Damu 96.74 1.67 0.14 0.05 0.07 0.27 0.02 0.01 0.04 0.01 0.99 DaeseongJecheon 97.78 0.66 0.17 n.d. 0.09 0.10 0.02 0.02 0.05 0.03 1.08 Baek-gwang 97.65 0.73 0.23 0.32 0.04 0.06 0.07 n.d. 0.04 0.02 0.83 Geumsan 97.91 0.70 0.23 0.06 0.01 0.14 0.01 0.01 0.05 n.d. 0.89 Taeyoung Yongyeon 96.39 0.85 0.35 0.37 0.06 0.15 0.09 0.01 0.04 0.01 1.67 Yeong-cheon 97.37 1.32 0.24 0.09 0.28 0.14 0.03 0.03 0.05 0.01 0.44 Taeyoung Cheongsu 95.81 0.67 1.51 0.17 0.02 0.12 0.06 0.01 0.04 0.01 1.57

* LOI: Loss On Ignition. n.d.: not detected.

료에 따라 큰 차이를 보인다(표 4). 이 같은 수화 반응성은 전술한 바와 같은 공극률 측정 결과와 직 접 연계되는 것으로 파악되며, 이는 생석회의 반응 성이 대부분 공극의 발달과 그 정도에 의존한다는 사실을 지시한다.

특히 신동 광산의 광석을 이용해 제조된 생석회의 경우에는 다른 시료들에 비해 매우 높은 반응성(30℃) 을 나타내는 것이 특징이다. 이에 비해 충무, 담우, 대 성⋅제천, 태영⋅용연 및 영천 광산의 경우에는 3∼

15℃의 낮은 반응성 수치를 나타낸다. 대체로 갑산층 에서 산출되는 석회석을 통해 합성된 생석회가 다른 지층의 광석을 이용하여 제조된 생석회에 비해 상대 적으로 낮은 반응성을 보이는 것이 특징이다.

석회석의 소성 과정에서 필연적으로 발생하는 분화(decrepitation) 현상은 소성로에서 통기 악화를 초래하여 생석회의 품질 저하 및 소성로의 기능상 의 문제를 야기 시키는 것으로 알려져 있기 때문에 중요한 품질 평가 사안이다(서인국, 1997). 영국지 질조사소에서 제안한 표준 측정 방식(Harrison, 1992)에 따라 10시간 소성한 시료를 대상으로 분화 율을 측정한 결과, 신동 광산의 경우(3.94%)를 제 외한 모든 시료가 1% 내외의 매우 낮은 분화율 수 치를 보이는 것으로 측정되었다(표 4). 대체로 풍촌 층과 정선층에서 산출되는 미정질 방해석형 광석이 다른 광석들에 비해 상대적으로 높은 분화율 수치 를 보이는 것이 특징이다.

화학조성 및 백색도

X-선 형광분석법(XRF)을 통해 이 연구에서 합성 된 생석회들에 대한 주요 화학 조성을 분석하였다.

그 결과, 절반 가까이 중량이 감소하는 생석회로의 변환 과정에서 잔류되는 불순물의 함량은 원광보다 두 배 가까운 수준으로 증대되는 양상을 보인다.

모든 시료에서 96 wt% 이상의 높은 CaO 함유도와 1.7 wt% 이하의 낮은 MgO 함량을 나타냈다(표 6).

특히 신동 광산의 시료가 가장 높은 CaO 함유도 (97.95 wt%)와 가장 낮은 MgO 함량(0.54 wt%)을 보이는 것으로 측정되었다.

생석회의 용도를 규제하는 요인으로 작용하는 SiO2 및 Al2O3는 대체로 0.5 wt% 이하의 낮은 함 유 정도를 보이지만, 태영⋅청수 광산의 광석을 이용해 합성된 생석회에서 다소 높은 함량(SiO2: 1.51 wt%, Al2O3: 0.17 wt%)을 나타낸다. 또한 Fe2O3 함량에 있어서는 원암에서 함철광물의 함량 이 상대적으로 높았던 갑산층 광석을 이용해 합성 된 생석회가 다른 시료들에 비해 상대적으로 높은 함량을 보인다.

생석회에서 백색도는 소석회 및 침강성탄산칼슘 등의 화학용으로 사용될 때 중요한 품질 사항으로 취급된다. 하지만 화학용 이외의 용도로 사용될 때 는 그다지 중요한 품질 조건은 아니지만 반응성이 좋은 고품질의 생석회 일수록 높은 백색도를 보인다 고 알려져 있어 품질을 간접적으로 지시하는 특징 중의 하나로 사용될 수 있다(日本石灰協會技術委

員會, 1992). 10시간 소성한 생석회들의 분체상(74 µm 이하) 색도(chromaticity) 및 명도(lightness)를 측 정한 결과, 색도에 있어서는 큰 차이를 보이지 않지 만 ISO 기준의 백색도에 해당되는 명도는 54.47∼

92.90으로 측정되어 광석에 따라 그 차이가 매우 큰 것으로 나타났다(표 4). 광석별로는 신동, 백광, 금산 및 태영⋅청수 광산의 경우에는 90 이상의 높은 백 색도를 보인다. 전반적으로 원암 내에 함철광물의 함량이 높았던 갑산층에서 산출되는 광석이 다른 지 층에서 산출되는 광석들에 비해 합성된 생석회의 백 색도가 상대적으로 낮은 것으로 파악된다.

생석회 제조 과정에서의 원광 선택의 중요성

앞에서 검토한 바와 같이 국내에서 생석회 제조 용으로 사용되는 석회석은 그 품위가 대체로 98%

이상의 고품위에 해당하고 황화 광물과 같은 불순 광물의 함량이 매우 적은 것으로 밝혀졌다. 또한 매우 낮은 결정도를 보이고 가열 처리 과정에서의 분화율도 낮아 생석회 제조용으로 사용되는 것에 별다른 무리가 없을 것으로 판단된다. 그렇지만 석 회석 산지별로 제조된 생석회의 품질 면에서 현저 한 차이를 나타낸다. 즉, 소성율에 있어서는 풍촌층 에서 산출되는 광석이 다른 지층에서 산출되는 석 회석에 비해 매우 낮은 반면에, 소결과 수축 양상 은 갑산층 광석에서 가장 현저하게 나타난다. 또한 공극률 및 반응성에 있어서도 갑산층에서 산출되는 광석이 다른 지층의 광석에 비해 상대적으로 낮은 것으로 나타난다. 분화율에 있어서는 모든 광석들 이 4% 미만의 비교적 양호한 품질 특성을 보이지 만 그 중에서도 각상의 결정 형상을 이루는 풍촌층 의 일부 시료에서 상대적으로 높은 분화율 수치를 보인다. 이 같은 차이는 이 실험에 동원된 석회석 들이 품위면에서 별다른 차이가 없기 때문에 전적 으로 결정도 및 불순물과 같은 석회석 품질에 관한 사항들과 연계되어 야기된 것으로 해석될 수 있다.

그렇지만 생석회의 생산성과 품질 제고의 관점 에서 의미가 있는 소성율과 소결 정도는 원광의 조 성, 결정도 및 조직의 미세한 차이에도 현격한 변 화를 초래한다. 특히 원암의 결정도와 조직적 사안 은 생석회 공정상의 소성율을 전적으로 규제하는 것으로 밝혀졌다. 즉, 보다 세립질이고 치밀한 조직 을 갖는 광석이 상대적으로 높은 소성율을 나타내 어 생석회 공정상에서 소요 에너지와 시간을 절약

할 수 있는 결과를 가져다주는 것으로 평가된다.

또한 전술한 바와 같이 석회석 원광의 이 같은 세립질의 치밀한 조직적 조건은 분화율에 있어서도 긍정적인 역할을 한다. 또한 원암의 조성 상으로도 불순 광물 특히, 황철석 및 침철석과 같은 함철광 물의 함유도와 그 존재 상태는 소결 현상을 촉진시 키고, 백색도 저하의 원인도 되기 때문에 원광 선 택 과정에서 주요 검토 대상이 되어야 할 것이다.

따라서 반응성이 높은 고품질의 생석회를 제조하기 위해서는 기본적으로 방해석 품위가 높고 낮은 결 정도와 치밀한 조직을 보이는 원광을 선택하는 것 이 중요한 사안이 될 것이다.

그러나 여기서 간과해서는 안 될 중요한 사항은 생석회 제조 공정상에서의 과소성 문제일 것이다.

이 연구를 통해서 밝혀진 바와 같이 생석회 제조에 적절한 원광의 선택이 이루어지더라도 과소성 되면 오히려 소결 효과가 상대적으로 더 심화된다. 이는 가능한 짧은 시간 내에 강하게 가열 처리해야 고반 응성 생석회가 제조된다는 기존의 보고(Boynton, 1980; Oates, 1998)와 일맥상통하는 것으로 여겨진 다. 따라서 실제의 공정상에서는 적절한 가열처리 기간이 광석별로 도출되어야 할 것이다.

결 론

이 연구를 통해서 밝혀진 연구 내용과 결과를 정 리하면 다음과 같다.

1) 이 연구에 동원된 석회석들은 불순물의 조성 과 결정도 및 조직에 있어서는 다소간의 차이를 보 이지만 모두 98 wt% 이상의 높은 방해석 품위를 갖는 고품위 석회석이다. 대체로 풍촌층에서 산출 되는 석회석은 다른 지층에서 산출되는 석회석에 비해 상대적으로 결정 크기가 크고 벽개 및 쌍정이 잘 발달한다. 또한 원암을 구성하는 방해석 결정들 의 형상이 각상으로 발달하여 입간 취약대의 발달 정도를 의미하는 결정 형상 계수와 경계 빈도수의 수치가 낮은 것으로 나타난다. 불순물의 조성에 있 어서는 모든 광석에서 공통적으로 일라이트, 석영, 황철석 및 백운석이 수반되고 갑산층 석회석에 특 히 탄질물과 침철석의 불순 광물이 상대적으로 많 이 함유되는 양상을 보인다.

2) 동일한 소성 조건 하에서 이루어진 소성 산물 들의 특성은 원광에 따라 현격한 차이를 나타낸다.

특히 소성율은 풍촌층에서 산출되는 광석이 다른 지층에서 산출되는 석회석에 비해 매우 낮은 것으

로 밝혀졌다. 소성 과정에서 필연적으로 야기되는 소결과 수축 양상은 갑산층 광석에서 가장 현저하 게 나타난다. 또한 공극률 및 반응성에 있어서도 갑산층에서 산출되는 광석이 다른 지층의 광석에 비해 상대적으로 낮은 것으로 나타난다. 분화율에 있어서는 모든 광석들이 4% 미만의 비교적 양호한 품질 특성을 보이지만 그 중에서도 각상의 결정 형 상을 이루는 풍촌층의 일부 시료에서 상대적으로 높은 분화율 수치를 보인다. 특히 정선층에서 산출 된 석회석이 소성율과 소결 정도 및 분화율 등에 있어서 전반적으로 고반응성 생석회의 원료로서 가 장 유리한 입장에 있는 것으로 평가되었다.

3) 생석회의 품질 특성은 주로 원암의 조직적 사 항에 의해 규제되는 것으로 해석된다. 특히 낮은 결정 입도와 치밀한 조직적 사안은 소성율 뿐만 아 니라 분화율, 공극률 및 반응성 등의 모든 품질 특 성에 있어서도 긍정적인 역할을 하는 것으로 판단 된다. 또한 원광에 수반되는 함철광물들은 생석회 의 백색도 저하를 유발시킬 뿐만 아니라 소결 현상 을 촉진 시키고 공극률과 반응성을 저하시키는 품 질 상의 부정적 역할을 하는 것으로 평가된다.

사 사

이 연구에 필요한 석회석 시료 채취에 협조해 주신 광 산 관계자 여러분들에게 감사한다. 이 논문 준비 과정에 서 자료 정리를 도와준 강원대학교 광물학연구실의 학생 들에게 사의를 표하고자 한다. 이 논문에 심사를 맡아 건 설적인 비평을 해주신 채영배 박사님과 익명의 심사자에 게도 감사한다.

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접수일(2009년 9월 12일), 수정일(1차 : 2009년 9월 29일), 게재확정일(2009년 9월 29일)