[논문]Mg-Al합금 분진의 폭발특성에 미치는 마그네슘 성분의 영향

한우섭; 이근원

doi:10.7842/kigas.2012.16.6.1

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Mg-Al합금 분진의 마그네슘 성분 비율이 분진폭발특성에 미치는 영향을 알기 위하여 Siwek 20 L 구형 분진폭발시험장치를 사용하여 농도를 변화시키면서 실험적으로 조사하였다. 이를 위하여 체적평균입경이 $151{\sim}160{\mu}m$의 Mg-Al합금 분진을 사용하였다. 그 결과 Mg-Al합금에서의 Mg성분의 증가는 폭발하한농도의 감소와 최대폭발압력의 증가로 나타났다. 또한 Mg-Al합금의 최대폭발압력과 최대폭발압력상승속도는 주로 분진 농도에 의존하였다. 그러나 Mg-Al (40:60 wt%), Mg-Al (50:50 wt%) 및 Mg-Al (60:40 wt%)의 폭발지수(Kst)에 있어서, 마그네슘 성분의 증가에 따라서 폭발지수가 증가함을 알 수 있었다.

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Using the Siwek 20 L spherical explosion vessel, the explosion properties have been examined to understand the influence of magnesium content in Mg-Al alloy dusts with different concentration. For this purpose, the Mg-Al alloy dusts (volume mean diameter : $151{\sim}160{\mu}m$) with magne...

Using the Siwek 20 L spherical explosion vessel, the explosion properties have been examined to understand the influence of magnesium content in Mg-Al alloy dusts with different concentration. For this purpose, the Mg-Al alloy dusts (volume mean diameter : $151{\sim}160{\mu}m$) with magnesium content ratio were used. As the results, the increase of Mg content in Mg-Al alloy causes an decreased minimum explosion concentration and an increased maximum explosion pressure. Also the maximum explosion pressure and maximum rate of pressure rise in Mg-Al alloy dusts mainly depended on the dust concentrations. However, for the explosion index (Kst) of Mg-Al (40:60 wt%), Mg-Al (50:50 wt%) and Mg-Al (60:40 wt%), it was founded to increase the Kst with increasing of magnesium content ratio.

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문제 정의

본 연구에서는 Mg합금을 구성하는 Mg 성분이 폭발위험성에 어떠한 영향을 미치는 가에 대하여 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 Mg합금을 구성하는 Mg의 성분비율이 변화하는 경우에 폭발한계 및 폭발압력특성과 같은 폭발 민감도와 폭발 강도가 어떻게 변화하는지를 20 L 분진폭발시험장치를 사용하여 실험을 수행하였으며 그 결과에 대하여 고찰하였다.
본 연구에서는 일정한 평균입경(151~160 μm)을 갖는 Mg합금에 대해서 Mg 성분비율이 폭발특성에 미치는 영향을 실험적으로 평가하고 고찰하여 아래와 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 Mg합금을 구성하는 Mg 성분이 폭발위험성에 어떠한 영향을 미치는 가에 대하여 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 Mg합금을 구성하는 Mg의 성분비율이 변화하는 경우에 폭발한계 및 폭발압력특성과 같은 폭발 민감도와 폭발 강도가 어떻게 변화하는지를 20 L 분진폭발시험장치를 사용하여 실험을 수행하였으며 그 결과에 대하여 고찰하였다.
분진이 착화되어 폭발이 일어나면 시간-압력 파형을 관찰하고 폭발하한농도, 폭발압력, 최대압력상승속도 등을 측정한다. 일정 농도에 있어서의 폭발특성평가는 상온(23℃), 대기압(1atm)의 조건에서 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다. 또한 분진농도 결정은 사용분진량을 폭발용기 체적으로 나누어 계산되어지며, 실험 조건은 분위기온도 23 ℃, 상대습도 44~46 % R.

대상 데이터

Mg합금은 조성비율이 서로 다른 3종류의 Mg-Al(40:60 wt%), Mg-Al(50:50 wt%), Mg-Al(60:40 wt%)을 사용하였으며, 각 시료의 평균입경(Dp)은 152, 151, 160 μm이다.
본 연구에서 사용한 Al분진 시료의 평균입경은 88 μm이다.
본 연구에서 사용한 Al분진의 Dp는 88 μm로서 Mg합금보다 작다.
본 연구에서는 순도 99 %이상의 Mg합금과 Al분진 시료를 사용하였다. Mg합금은 조성비율이 서로 다른 3종류의 Mg-Al(40:60 wt%), Mg-Al(50:50 wt%), Mg-Al(60:40 wt%)을 사용하였으며, 각 시료의 평균입경(D_p)은 152, 151, 160 μm이다.
본 연구에서는 스위스의 Kühner AG사가 제작하여 판매하고 있는 Siwek 20L Chamber로 불리는 분진폭발시험장치를 사용하였으며[Fig. 1]에 나타냈다.

성능/효과

(1) Mg-Al(40:60 wt%), Mg-Al (50:50 wt%) 및 Mg-Al(60:40 wt%)의 폭발하한계는 각각 60, 60, 50 [g/m³]가 얻어졌는데, Mg성분비율이 증가할수록 폭발하한농도는 감소하였다.
(2) 농도변화에 따른 Mg-Al(40:60 wt%), Mg-Al (50:50 wt%) 및 Mg-Al(60:40 wt%)의 최대폭발압력은 8.0, 8.7, 9.4 [bar]가 얻어졌으며, Mg성분비율의 증가는 최대폭발압력을 증가시키는 요인으로 작용하였다.
(3) Mg-Al(40:60 wt%), Mg-Al (50:50 wt%) 및 Mg-Al(60:40 wt%)의 폭발지수(K_st)는 각각 121, 122, 128 [bar · m/s]로 나타났다. Mg조성비율의 변화에 따른 폭발지수(K_st)에 미치는 영향이 크지 않음을 실험적으로 확인할 수 있었다.
5는 Mg합금의 Mg성분에 따른 최대폭발압력(P_m)과 폭발지수(K_st)의 관계를 나타낸 것이다. Mg성분이 증가하면 P_m은 2 bar 이상으로 크게 증가하는 반면, K_st는 Table 1 및 Fig. 5에서와 같이 증가율이 크지 않았으며 Mg성분이 폭발지수(K_st)에 미치는 영향은 작은 것으로 나타났다. 그러므로 Mg합금은 동일한 D_p의 조건에서 K_st의 변화는 Mg성분에 의한 영향보다는 농도 및 입경에 의한 영향이 보다 클 것으로 추정된다.
농도가 증가하면 폭발압력상승속도도 증가하지만 Mg의 성분 비율이 증가할수록 최대폭발압력상승속도는 증가하는 경향을 나타내고 있다. Mg의 성분 비율이 40 wt%인 Mg-Al(40:60)의 폭발압력상승속도의 변화를 보면 본 연구에서 검토한 Mg합금 시료 중에서 가장 작은 증가비율을 보이고 있다. 최대폭발압력상승속도는 분진 폭발 시에 설비나 작업자에 대한 충격의 정도를 나타내는 것으로서 반응 용기나 이송 배관 또는 폭발방산구의 내압설계에 중요한 자료로서 사용할 수가 있다.
)는 각각 121, 122, 128 [bar · m/s]로 나타났다. Mg조성비율의 변화에 따른 폭발지수(K_st)에 미치는 영향이 크지 않음을 실험적으로 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘합금의 사용량이 급증하는 이유는 무엇입니까?	마그네슘합금은 전자제품이나 휴대폰, 모바일 기기 등의 케이스, 자동차부품 등의 사회적 수요 증가로 사용량이 급증하고 있다. 마그네슘합금 분진의 폭발재해를 감소시키고 피해 최소화를 위해서는 폭발 특성을 정량적으로 평가하고 이러한 자료를 활용하여 안전대책을 강구하는 것이 필요하다.
	마그네슘 합금이란 무엇입니까?	그러나 문헌 등에 제시되고 있는 마그네슘합금의 폭발특성 관련 데이터는 문헌자료가 거의 없기 때문에[3], 국내 관련 사업장에서 폭발방지대책 강구를 위한 안전자료로서 사용하는 것이 쉽지 않은 실정이다. 마그네슘 합금(Mg합금)은 Mg분진과 Al분진을 섞은 혼합물이 아닌, 일정 비율로 용융시켜 분쇄한 합금 화합물이다. Mg합금을 취급하는 공정에서는 사용 용도에 따라 조성 비율이 각기 다르기 때문에 폭발특성도 달라진다.
	금속 분진폭발 관련의 화재폭발사고가 지니는 특징은 무엇입니까?	최근 5년간 국내에서 발생한 분진폭발 관련의 화재폭발 중대사고를 보면 마그네슘(Mg)과 마그네슘 합금(Mg-Al alloy)에 의한 사례가 많이 보고되고 있다[1]. 이러한 금속 분진폭발사고의 특징은 공장 건물이나 설비 등의 파괴에 따른 물적 피해와 함께 사망자의 발생율이 높은 특징을 가지고 있다[2]. 금속의 폭발압력은 금속분진의 종류나 입경 크기에 따라 달라지지만 약 7~16 bar 정도이며, 화염온도는 2000~3000 ℃의 고온이기 때문에 이러한 금속분진화염에 노출된 경우에는 심각한 화상을 입을 가능성이 매우 높아진다.

참고문헌 (14)

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Han, O.S., Study on Explosibility and Ignitability Properties of High Functional Metal Dust, Occupational Safety & Health Research Institute (KOSHA), 1038, 5-19, (2010)
Eckhoff, R.K., Dust Explosion in the Process Industries ; 3rd ed.", BH, (2003)
Hertzberg, M., Zlochower, I. A., & Cashdollar, K. L., Metal dust combustion: Explosion limits, pressures, and temperatures. In 24th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 1827-1835, (1992)
Going, J. E., Chatrathi, K., & Cashdollar, K. L., Flammability Limit Measurements for Dusts in 20 L and 1 m3 vessels. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 13(3-5), 209-219, (2000)

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Han, O.S., Lee, K.W., Properties of Explosion and Flame Velocity with Content Ratio in Mg-Al Alloy Particles, KIGAS, 16(4), 32-37 (2012)
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