[논문]마그네슘의 폭발특성에 미치는 평균입경의 영향

한우섭; 이수희

doi:10.7842/kigas.2013.17.4.33

[국내논문] 마그네슘의 폭발특성에 미치는 평균입경의 영향
Effect of Mean Diameter on the Explosion Characteristic of Magnesium Dusts 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.17 no.4, 2013년, pp.33 - 38

한우섭 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원) , 이수희 (한국산업안전보건공단 산업안전보건연구원)

초록
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본 연구에서는 마그네슘(Mg)분진의 폭발특성에 미치는 평균 입경의 영향을 조사하였다. 이를 위해 20-L분진 폭발시험장치와 10 kJ의 에너지를 갖는 화학 점화기를 사용하여 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 Mg분진은 평균입경이 서로 다른 3가지 시료(38, 142, $567{\mu}m$)를 대상으로 분진농도를 $2250g/m^3$까지 조사하였다. Mg분진의 폭발하한농도(LEL)는 평균입경 38, $142{\mu}m$에 있어서 각각 30, $40g/m^3$ 이 얻어졌다. LEL은 입경 증가에 의해 감소 경향을 나타냈는데 Mg분진은 입경이 증가할수록 폭발 확률이 감소함을 의미한다. 최대폭발압력($P_m$)과 폭발지수($K_{st}$)는 입경이 증가하면 감소하였지만, 평균입경 $567{\mu}m$의 Mg분진의 경우에는 5 kJ의 착화에너지에서는 폭발 현상이 관찰되지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study was carried out on the effect of particle size (mean diameter) on magnesium dust explosion. Experimental investigations were conducted in a 20-L explosion sphere, using 10 kJ chemical ignitors. Explosion tests were performed with three different dusts having mean diameter (38, 142, $567{\mu}m$) and the dust concentrations were up to $2250g/m^3$. The lower explosion limits(LEL) of magnesium dusts were about $30g/m^3$ at $38{\mu}m$ and $40g/m^3$ at $142{\mu}m$. LEL tended to increase with particle size and this means that the explosion probability of magnesium dust decreased with increase of particle size. The maximum explosion presssure ($P_m$) and $K_{st}$ (Explosion index) decreased with the increase of particle size. For magnesium powder of $567{\mu}m$, however, the explosive properties were not observed in the 5 kJ ignition energy.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 부유 Mg분진의 평균입경이 폭발위험성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하기 위하여 서로 다른 평균입경(38, 142, 567 μm)을 갖는 Mg분진에 대하여 농도 변화에 따른 폭발압력특성을 평가하고 고찰하여 이하의 결과를 얻었다.
본 연구에서는 부유 Mg분진의 폭발위험성에 미치는 평균입경의 영향을 실험적으로 평가하였다. 이를 위해 20 L 분진폭발시험장치(스위스 Kuhner AG 사 제작)를 사용하여 평균 입경이 서로 다른 3가지 종류의 Mg에 대하여 농도 변화에 따른 폭발특성을 조사하고 결과를 고찰하였다.
분진의 화재폭발특성에 영향을 주는 요인으로는 입경, 농도, 온도, 압력 등이 있는데 이 중에서 분체 특성에 관련하는 것이 입경이다. 본 연구에서는 입경 특성이 폭발위험성에 어떻게 영향을 주는지를 실험적으로 조사하였다. 이를 위해 [Fig.

제안 방법

최대폭발압력상승속도([dP/dt]_m)는 2000g/m³에서 최대가 되며 그 이상의 농도에서 완만하게 감소하고 있다. P_m과 (dP/dt)_m의 측정은 폭발용기 측면에 설치되어 있는 2개 압력센서의 출력값에 대한 평균치로 구하였다. 폭발용기 내에서 분진폭발을 일으키기 위해서는 부유 분진운의 형성이 필요하며 이를 위해서 폭발용기 내에 압축 공기에 의한 분산 방법을 사용하고 있다.
본 연구에서는 부유 Mg분진의 폭발위험성에 미치는 평균입경의 영향을 실험적으로 평가하였다. 이를 위해 20 L 분진폭발시험장치(스위스 Kuhner AG 사 제작)를 사용하여 평균 입경이 서로 다른 3가지 종류의 Mg에 대하여 농도 변화에 따른 폭발특성을 조사하고 결과를 고찰하였다.
이를 위해 [Fig.1]에서와 같이 38, 142, 567 μm의 서로 다른 평균입경(Mean diameter)을 가지는 Mg 부유 분진의 폭발특성을 실험적으로 평가하였다.
이 때 발생하는 분체 유동으로 인한 난류는 폭발압력, 압력상승속도, 폭발한계 등의 폭발특성에 영향을 주기 때문에 난류 레벨을 안정화 시킬 필요가 있다. 이를 위해 분진 분산 후에 60 ms의 일정한 시간 지연을 두어 부유 분진운의 유동성이 최대한 억제하도록 하였다[10]. 지연 시간 경과 후에 두 전극사이로 전압을 인가시켜 5 kJ의 착화에너지를 갖고 있는 화학점화기를 사용하여 착화시켰다.
3과 같이 시간-압력 파형이 관찰되는데 이러한 압력 파형을 통하여 폭발 하한농도, 폭발압력, 최대압력상승속도 등을 측정한다. 일정 농도에 있어서의 폭발특성시험평가는 상온(23℃), 대기압(1 atm)의 조건에서 실험을 3회 반복하여 그 결과를 평균하였다. 또한 실험 조건은 분위기온도 23 ℃에서 실시하였다.
이를 위해 분진 분산 후에 60 ms의 일정한 시간 지연을 두어 부유 분진운의 유동성이 최대한 억제하도록 하였다[10]. 지연 시간 경과 후에 두 전극사이로 전압을 인가시켜 5 kJ의 착화에너지를 갖고 있는 화학점화기를 사용하여 착화시켰다. 분진이 착화되어 폭발이 일어나면 Fig.
폭발용기 내부의 온도는 폭발특성치에 영향을 주는 인자이므로 용기 내부온도가 실험조건을 유지할 수 있도록 시험 중에는 용기 내에 설치된 수냉식 재킷을 통하여 상온의 수돗물을 흘려보내어 냉각시키면서 실험을 실시한다. 구체적인 시험방법은 먼저 시험할 농도의 분진을 6 L의 저장컨테이너에 충진한다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 Mg분진은 순도 99.5 %이상으로서 입경이 서로 다른 3종류의 시료를 조사 대상으로 하였다. 입도분포는 분진의 폭발특성과 화염전파성에 큰 영향을 주는 인자이다.

성능/효과

(1) Mg의 폭발하한농도(LEL)는 38, 142 μm에서 각각 30, 40 [g/m3]로 나타났다.
(2) Mg의 입경변화에 따른 폭발압력(Pm)과 폭발 압력지수(Kst)는 각각 38 μm에서 8.5 bar, 4 [bar·m/s], 142 μm에서 6.4 bar, 26 [bar·m/s]로 조사되었다.
(3) Mg입경이 증가할수록 LEL은 증가하며 P_m과 K_st는 감소하는 경향을 나타냈는데, 이는 입경증가로 인해 폭발위험성이 상대적으로 낮아지는 것을 의미한다.
Mg 시료 3종(Mg sample A, B, C)에 대하여 입도분석장치(Beckman Coulter LS 13320)를 사용하여 평균입경을 측정한 결과 각각 38, 142, 567 μm가 얻어졌다[Fig. 1].
또한 입경 변화에 따른 Mg의 폭발하한농도(LEL)는 38, 142 μm에서 각각 30, 40 [g/m³]로 나타났다. Mg입경이 증가할수록 LEL은 증가하였는데, 입경이 증가하면 폭발발생 위험성이 상대적으로 낮아지는 것을 알 수 있다. Mg 입경의 변화가 폭발압력상승속도([dP/dt]_m)에 미치는 영향을 [Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘의 장점은 무엇인가?	마그네슘(Mg)은 경금속 중에서도 비중이 작고 전자파의 차폐 성능이 뛰어날 뿐만 아니라 방열 특성도 우수하기 때문에 기존의 플라스틱 대체재로서 스마트폰, 전자기기, 노트북 등의 제품 케이스로서 활용이 급증하고 있다. 자동차 분야에 있어서도 경량화를 통한 연비 향상을 목적으로 철이나 알루미늄 부품에서 마그네슘 부품으로의 전환이나 개발이 많이 이루어졌다.
	Mg가 분진폭발의 위험성이 높은 이유는 무엇인가?	Mg용융에 의한 성형품은 제품표면의 가공이 필수적으로 수반되는데, 그라인더, 버프 연마 과정에서 미세 Mg 분진이 대량 발생한다. Mg는 연소열이 크고 물이나 이산화탄소 등과의 반응위 험성이 있으며 경금속으로서 입자 비중이 다른 일반 금속에 비하여 작기 때문에 쉽게 부유하는 특징을 가지고 있어 분진폭발 위험성이 높은 특징을 가지고 있다. 최근 금속분진에 의한 화재폭발사고의 발생빈도를 보면 Mg에 의한 폭발사고가 반복적으로 발생하고 있는데[1], Mg의 분진폭발사고 저감을 위해서는 안전대책 강구에 필요한 폭발특성값 등의 정량적인 안전성 자료가 우선적으로 필요하다.
	서로 다른 입경을 가지는 Mg분진의 농도 변화에 따른 폭발압력특성에 대한 결과는 어떠한가?	(1) Mg의 폭발하한농도(LEL)는 38, 142 μm에서 각각 30, 40 [g/m3]로 나타났다. (2) Mg의 입경변화에 따른 폭발압력(Pm)과 폭발 압력지수( Kst)는 각각 38 μm에서 8.5 bar, 4 [bar·m/s], 142 μm에서 6.4 bar, 26 [bar·m/s]로 조사되었다. (3) Mg입경이 증가할수록 LEL은 증가하며 Pm과 Kst는 감소하는 경향을 나타냈는데, 이는 입경증가로 인해 폭발위험성이 상대적으로 낮아지는 것을 의미한다. (4) 567 μm의 Mg분진은 10 kJ의 착화에너지에 있어서 농도 변화에 따른 폭발특성 실험에서는 폭발이 관찰되지 않았는데, 이러한 원인으로서는 입경 증가로 인하여 분산성이 저하되고 최소착화에너지가 높기 때문으로 추정된다.

참고문헌 (13)

Han, O.S. et al., Study on Ignition Hazards of Suspended Metal Fine Particles, Occupational Safety & Health Research Institute, KOSHA, 2012-OSHIRI-920, 5-19, (2012)
Dreizin, E. L., Berman, C. H., & Vicenzi, E. P., Condensed-phase Modifications in Magnesium Particle Combustion in Air, Combustion and Flame, 122(1-2), 30-42, (2000)

상세보기
Matsuda, T., Yashima, M., Nifuku, M., & Enomoto, H. , Some Aspects in Testing and Assessment of Metal Dust Explosions. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 14(6), 449-453 (2001)

상세보기
Nifuku, M., Koyanaka, S., Ohya, H., Barre, C., Hatori, M., Fujiwara, S., Ignitability Characteristics of Aluminium and Magnesium Dusts that are generated During the shredding of Postconsumer Wastes. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 20(4-6), 322-329 (2007)

상세보기
Li, G., Yuan, C. M., Fu, Y., Zhong, Y. P., & Chen, B. Z., Inerting of Magnesium Dust cloud with Ar, N2 and CO2. Journal of Hazardous Materials, 170(1), (2009)

상세보기
Li, G., Yuan, C. M., Zhang, P.H., Chen, B.Z., Experiment-based Fire and Explosion Risk Analysis for Powdered Magnesium Production Methods, Journal of Loss Prevention in the Process Industries 21, 461-465 (2008)

상세보기
Kuai, N. S., Li, J. M., & Chen, Z., Study on the Risk Control of Magnesium Dust Explosion Based on Inherent Safety Principle, Fire Science and Technology, 29(5), 369-372 (2010)
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)

원문보기 상세보기
Han, O.S., Lee, K.W., Influence of the Magnesium Content on the Explosion Properties of Mg-Al Alloy Dusts, KIGAS, 16(6), 1-6 (2012)

원문보기 상세보기
ASTM E1226, Standard Test Method for Pressure and Rate of Pressure Rise for Combustible Dusts, The American Socirty for Testing and Materials, (1988)
Dreizin, E. L., & Hoffmann, V. K., Experiments on Magnesium Aerosol Combustion in Microgravity. Combustion and Flame, 122(1-2), 20-29 (2000)

상세보기
Dreizin, E. L., & Shoshin, Y., Particle Combustion Rates in Premixed Flames of Polydisperse Metal-air Aerosols. Combustion and Flame, 133, 275-287 (2003)

상세보기
Vilyunov, V.N. and Zarko, V.E., Ignition of Solids, Studies in Physical and Theoretical Chemistry, No.60, 329-345 (1989)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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