이성오 한국알루미나주식회사 공장장

1. 보크사이트(Bauxite)
1.1 개요
보크사이트는 알루미늄을 만드는데 가장 중요한 광석으로, 주로 다이아스포(Diaspore), 보헤마이트(Boehmite), 깁사이트(Gibbsite) 등의 광물로 이루어져 있으며 주로 어란상과 둥근 결핵체상 또는 괴상, 토상 등으로 산출되며 회색과 황색, 적색, 백색 등의 특성을 가지고 있는데 이는 일반적으로 철 산화물 및 그 밖의 불순물 함량에 따라 다양한 색상을 띠게 되며 일반적으로 철분함량이 많은 경우에는 어두운 붉은 색이나 갈색을 나타내고, 철분함량이 적은 경우에는 밝은 붉은 색이나 분홍색을 나타내며 다이아스포어의 경우에는 백색을 나타내는 경우도 있다.
보크사이트 주로 열대 다우 지역에서만 생성되며, 장석을 포함한 모든 암석이 빗물로 오랫동안 용탈되어 Na, K, Ca 및 Mg 등의 양이온을 잃어버리고 고령토로 변질되고 이 고령토가 약산성 물과 반응하면 Si성분을 잃게 되어 나중에 알루미늄 수산화물 형태로 농집되어 보크사이트 광상을 형성하게 된다. 풍화 작용을 많이 받은 열대지방의 토양은 철과 알루미늄이 풍부한 적색의 라테라이트(laterite)를 형성하고 이 라테라이트 중 특히 철분이 적은 것을 보크사이트라고 하며, 1821년 프랑스 화학자 P. Berthier에 의해 프랑스 남부 Arles 마을 근처에 있는 Les Beaux 라는 지역에서 발견되었으며, “Alumine hydratee des Beaux”라고 불리어 졌고 그후 1847년에는 A. Dufrenoy에 의해 “Beauxite”라고 불리어 지다가 1861년 프랑스 광물학자 Henri Sainte-claire Deville에 의해 “Bauxite”라고 불리어지게 되었다.  
보크사이트는 알루미나가 주 성분이며 약 40% 내지 65%까지 함유되어 있으며 일반적으로 많이 사용되는 것은 50%전후이며, 그 외 실리카, 철, 티타늄 등 다량의 불순물이 존재하고 있다 (그림 1).
산출되는 광산에 따라 화학적 성분 및 물리적 특성이 등이 다르며 일반적으로 경제적면에서 보면 보크사이트 광물중 알루미나가 40%이상, 철분 30%이하, 실리카 12% 이하가 되어야 한다.
보크사이트 원광중에는 알루미나가 수화물 상태로 존재하지만 그 수화상태에 따라 3수화물인 깁사이트(Al2O3·3H2O)계와 1수화물인 베마이트(Al2O3·H2O)계 및 다이아스포어(Al2O3·H2O)계로 분류되나 대개 깁사이트계와 베마이트계가 혼합되어 존재하고 있다. Wahnsiedler는 보크사이트 종류에 따른 입도 및 용출온도별 추출효율에 대한 연구 결과 보크사이트 산지에 따라 추출효율 특성이 달라짐을 확인하였으며 이를 <표-1> 및 <표-2>에 나타냈다. 
보통 알루미나제련공정에서는 보크사이트에 함유된 알루미나의 수화물 상태에 따라 공정이 달라지게됨으로 보크사이트의 선정이 알루미나 제련공정에 있어 가장 중요한 요소중의 하나이다.
알루미나 용출온도는 깁사이트계의 경우 가성소다 농도(Na2CO3, g/l) 200~230, 용출온도 140~160℃의 낮은 온도에서 추출이 가능하며, 보헤마이트계는 가성소다 200~250(Na2CO3, g/l), 용출온도 245℃ 이상의 온도를 필요로 하며, 디이아스포어의 경우에는 가성소다 농도 340(Na2CO3, g/l), 용출온도 250℃ 이상이 요구되어지므로, 경제성 면에서는 깁사이트계 위주로 함유되어 있거나, 깁사이트계와 보헤마이트계가 혼합되어 있는 보오크사이트가 유리하며 따라서 Bayer Process에서 가장 보편적으로 사용되고 있다.
또한 알루미나 특성 다음으로 보크사이트 품질을 결정하는 중요한 성분중이 하나가 보크사이트내에 존재하는 규소(SiO2) 성분이다.
이는 크게 Quartz와 카올린(Al2O3·2SiO2·2H2O) 결정상으로 존재하는데 일반적으로 Quartz는 입도 크기에 따라 다를 수 있지만 알루미나 추출반응에서 반응온도 200℃이상의 높은 온도에서 용출이 되는 반면, 카올린에 함유된 규소는 낮은 온도에서도 쉽게 용해됨으로 보통 반응성 실리카(Reactive Silica)라고 하며 이 함량이 높을수록 보크사이트의 품질이 떨어지며 경제성이 낮다.
즉, 규소가 용해되어 공정으로 유입되면 제품내의 규소 함량이 증가되고, 배관이나 설비에 스케일 형성의 원인이 됨으로 보통 알루미나 제련공정에서는 반응성 규소를 가성소다와 먼저 반응시켜 불용해 결정상(DSP-Desilication Product, (Na2O·Al2O3·2SiO2)·Na2X·5H2O)을 형성시켜 관리하고 있다. 
1.2 세계 보크사이트의 생산 현황
세계 보크사이트의 생산 현황을 살펴보면 2007년 기준 세계 보크사이트의 생산량은 약 218,352천톤으로, 이중 약 20%인 4,300만톤은 알루미나 산업내 개별업체 간에 거래된 것으로 내화제, 슬래그 조절제 및 용접용 보크사이트는 제철 및 제강산업의 영향을 주로 받고 있다. 내화제 등급의 보크사이트는 수명이 더 긴 내화제를 요구하기 때문에, 백색 용융 알루미나와 평판상 알루미나와 값은 더 비싸지만 고효율적인 대체물이 증가되고 있다.
보크사이트 시장은 90년대 중반 이후로 중국으로부터의 수출에 영향을 받아왔으며, 수출을 촉진하기 위하여 중국은 ‘96년에 수출 면허와 할당제를 도입하였고, ‘06년 중국의 보크사이트 수입량은 전년 대비 340% 증가하면서 중국은 또한 세계 1위의 보크사이트 수입국인 미국의 자리를 탈환하는 등, 국제 보크사이트 무역을 주도할 것이라는 엄청난 파워를 보여주고 있다. 2011년 이후 중국의 소비 증가에 따라 보크사이트는 공급부족이 전망되며, 보크사이트 광산소유 국가들은 자국내 공급유지를 위해 국제 시장 공급량을 제한하고, 보크사이트의 수요증가는 중국이 주도할것으로 전망되며, 호주는 상대적으로 가까운 위치에서 고품위 광산을 보유하고 있어 광석가격 인상에 따른 가장 큰 수혜를 받게 될 것으로 보인다. <표-3>.
현재 보크사이트의 주요 생산국으로는 호주, 브라질, 중국, 기니아 등으로 사회기반시설을 바탕으로 전체 생산량의 70% 이상을 생산하고 있으나, 아시아 등 미개발국에 대한 개발이 활발히 모색되어 지고 있다. 특히 베트남은 “아시아의 마지막 시장”이라고 표현하기도 하면서 이는 베트남이외에도 미개척시장이 없지는 않지만 베트남이 국토의 크기, 인구, 자원, 지리적 위치 등에 있어서 충분히 의미있는 곳이기 때문일 것이다. 현재 베트남 보크사이트의 매장량은 2,380천만톤 이상으로 파악되고 있으며, 현재 Alcoa, Chalco, Nippon light metal 등에서 광산 개발을 위해 적극적인 투자를 진행하고 있다. 지금까지 보오크사이트 개발은 다국적회사를 주축으로 개발되었으며 2006년 보고된 자료를 보면 알코아(Alcoa)가 24%로 가장 많은 부분을 차지하고 있으며 그 다음이 알칸(10%), 코말코(7%)순으로 나타냈으나 최근 기업간 합병절차를 통해 코말코의 경우 Rio-Tinto로 합병되어 그 순위에도 지각변동이 진행되고 있다.

2. 알루미나의 제조
알루미나의 제조는 일반적으로 베이어공정(Bayer Process)에 의하여 보크사이트로부터 알루미나를 추출해 수산화알루미늄을 제조한 다음 이를 고온 열처리하여 알루미나를 제조한다.
 Bayer Process는 1888년 오스트리아의 K. J. Bayer에 의해 개발된 알루미나 분말 생산 공정으로 거의 모든 상업용 알루미나분말의 생산에 이용되는데, 이 공정은 보크사이트를 가성소다 (NaOH)용액에 용해시켜 불용해 불순물인 철분, 규소, 티타늄 등 고상 산화물로 침전시키고, 알루미늄 화합물만을 용출시킨 후 과포화 상태로 존재하는 알루민산나트륨용액에 종자를 투입하여 수산화알루미늄을 석출시키고 이를 고온 열처리하여 알루미나를 제조하는 공정을 일컫는다 <그림-3>.

2.1 생산공정(Bayer Process)
분쇄 및 용출공정 (Mill and digestion)
보크사이트를 습식분쇄하여 고농도의 가성소다(NaOH or Na2CO3)용액 약240~350g/l, 반응온도 140~240℃ 조건의 고압반응기에서 알루미나성분은 알루민산나트륨(Sodium aluminate, NaAlO2)용액 용출되며 반응식은 아래에 나타내었다.
Al2O3·3H2O(s) + 2NaOH(l)  → 2NaAlO2(l) + 4H2O(l) + 잔사물(s)
정화공정(Clarification)
보크사이트에 불순물로 함유된 철, 티탄, 규산 등은 불용성의 잔사물(Red mud)로 미용해 되어 침전 및 여과 공정을 거쳐 제거된다.
석출공정 (Precipitation)
불용성 잔사물로부터 분리된 알루민산나트륨 용액은 석출조(Precipitator)로 옮겨져 종자(seed, Gibbsite 이용)의 투입량, 온도, 체류시간 등의 조건에서 용해도의 차이를 이용하여 가수분해 됨으로써 수산화알루미늄으로 석출된 후 여과, 세정과정을 되게 된다. 이때의 반응식을 아래에 나타내었으며, 석출과정에서 성생된 가성소다(NaOH)는 다시 용출공정으로 보내져 재사용되어 진다.
NaAlO2(l) + 2H2O(l) → Al(OH)3(s) + NaOH(l)
소성공정(Calcination)
수산화알루미늄은 로타리킬린 또는 유동층(fluidized Bed)로에서 열처리하여 결정수를 제거함으로써 알루미나가 제조되는데, 이때 생성되는 알루미나는 사용목적에 따라 알파 또는 감마알루미나로 제조될 수 있으며 사용 목적에 따라 저소다알루미나, 활성알루미나 등이 제조될 수 있다.
2Al(OH)3 + Calcination  → Al2O3 + 3H2O

2.2 알루미나의 생산 현황
알루미나의 생산의 알루미늄 금속을 제련하기 위한 금속용 알루미나와 세라믹 원료등에 이용되는 화학용 알루미나로 구별되는데, 2007년을 기준으로 하였을때 금속용알루미나의 공급량은 연간 72,417천톤으로 최근 5년간 연평균 7.5% 증가하고 있으며, 화학용알루미나 공급량은 5,803천톤으로 최근 5년간 연평균 4.7%가 증가하고 있다<표-5>. 이 기간 중 중국의 전체 알루미나 공급은 연평균 25.9%의 증가율을 보였으며, 한국은 4.7%정도의 성장률을 보였다. 이중 중국의 화학용 알루미나의 공급은 연평균 20.8%의 높은 증가율을 나타내었으며, 아시아권의 공급량도 점증적으로 증가하고 있다. 한국의 경우 현재 KC(주)에서 년간 17만톤의 알루미나를 생산하고 있으며, 향후 자회사인 한국알루미나(주)를 통하여 년간 5만톤 규모의 특수알루미나를 2009년 말부터 생산할 계획이다.
일본은 보크사이트 정제 과정에서 발생하는 적니(red mud)의 해양투기가 전면 금지됨에 따라 자구책을 마련중에 있으며, Showa denko사와 marubeni사는 공동으로 인도네시아에 300억엔의 투자를 통하여 년간 31만톤 규모의 알루미나 공장을 건설하여 2013년부터 생산을 개시할 예정이다.
‘06년 알루미나(금속용+화학용) 생산량은 호주가 세계 생산의 26.6%를 차지하며, 단일회사로서는 미국의 Alcoa사가 18.6%, 중국의 Chalco사가 17.5%를 점유하고 있었으나, ´07년 러시아의 Rusal사는 Sual+Glencore사를 합병하여 매출액 규모 100억$로 Alcoa사를 제치고 세계 1위에 등극하였다. 하지만  ‘07년 Rio Tinto사가 Alcan사를 인수함에 따라 전 세계 보크사이트 생산의 17.1%, 알루미나 생산량의 11.9%를 차지하며 알루미늄 업계의 주축으로 등극하여 Rusal사와 경쟁을 하고 있다<표-6>.

2.3 알루미나의 주요 용도
알루미나는 내열성, 전기절연성, 기계적 성질, 화학적 안전성이 우수하기 때문에 열적, 화학적, 물리적 성질 등의 물성면에서 종합적으로 가장 균형 잡힌 세라믹 소재로서 내화재와 연마재 및 각종 전기 절연재료, IC기판, 이화학, 화학공업, 절삭공구를 비롯하여 전자부품에 이르기까지 광범위한 용도로 사용되어지는 대표적인 세라믹스 원료중의 하나이다.

그림 1. 보크사이트 일반적인 성분
표 1. 보크사이트 산지에 따른 화학적, 물리적 특성           
표 2. 보크사이트 특성에 따른 용출 조건

표 3. 세계 보크사이트 생산전망 (단위 : 천톤)
그림 2. 보크사이트 생산 국가 및 업체별 현황(2006년)
그림 3. Bayer Process 개요
표 5. 알루미나(금속용+화학용) 공급현황 (단위 : 천톤)                       

표 6. 세계 주요생산업체 및 생산비율
           (단위 : %)

 이성오
전남대학교 공과대학 자원공학과 학사
전남대학교 대학원 자원공학전공 석사
University of New South Wales(호주) 박사
KC주식회사 연구소 소장
현재 한국알루미나(주) 공장장

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>