[논문]티타늄 합금 폐기물의 연소 특성에 관한 실험적 연구

이준식; 남기훈

doi:10.21289/ksic.2019.22.2.105

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Most titanium alloy waste with cutting oil was discarded without recycling process so that it can be caused by metal and oil fires. However, there is no fire management system and studies on the titanium or titanium alloy waste in spite of high fire risk. The purpose of this experimental study is to...

Most titanium alloy waste with cutting oil was discarded without recycling process so that it can be caused by metal and oil fires. However, there is no fire management system and studies on the titanium or titanium alloy waste in spite of high fire risk. The purpose of this experimental study is to identify the fire risk of the titanium alloy waste with cutting oil. We collected the 120g waste which was made in the biomedical titanium alloy cutting process. The waste was burned and conducted thermal image analysis with infrared camera. The experimental results which illustrated the process, characteristics, and trends of fire are presented. Firstly, the cutting oil was burned and partially the titanium alloy waste was burned. The maximum temperature of the fire was more than $650^{\circ}C$ in some specific spots. These results means when a lot of titanium alloy waste with cutting oil was ignited, this fire could connect the titanium fire. In other words, the fire has a flammable liquid fire and combustible metal fire at the same time. The experimental study could be used fire prevention, response, and investigation of the titanium alloy waste.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Automatic fire extinguishing systems
그림 Fig. 2 Experimental setup for titanium alloy waste fire
그림 Fig. 3 The photo of titanium alloy waste(120g)waste fire
그림 Fig. 4 Thermal(left) and optical(right) image of titanium alloy waste
그림 Fig. 5 Titanium alloy fire’temperature changes(0sec∼21sec)
표 Table 1. Characteristic of cutting oil in this study
그림 Fig. 6 Thermal((a)∼(f)) and optical((g)) images of titanium alloy waste during firing
그림 Fig. 7 Thermal image and temperature profile with y-axis location
그림 Fig. 8 The photo of burned titanium alloy waste

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 의료용 티타늄 합금 폐기물의 화재특성을 분석하기 위해 화재 실험을 진행하였다. 실험결과 티타늄 합금 폐기물에 점화 후 열화상 카메라를 이용한 열화상분석에서 측정 최고 온도 650℃ 이상의 온도가 나타났다.
티타늄 합금 폐기물에 점화원을 사용하여 연소 실험을 진행하였으며 열화상 카메라를 이용하여 화재의 열 특성을 분석하였다. 본 연구의 결과를 통해 티타늄 합금 폐기물의 화재 예방 및 대응에 필요한 방안을 도출하였다.
이에 본 연구에서는 의료용으로 사용되는 티타늄 합금 절삭가공 과정에서 발생하는 티타늄 합금 폐기물에 대한 화재 위험성을 평가하기 위해 화재 실험을 진행하였다. 티타늄 합금 폐기물에 점화원을 사용하여 연소 실험을 진행하였으며 열화상 카메라를 이용하여 화재의 열 특성을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 초기 화재 발생 시 화재의 특성을 분석하기 위해 온도측정 범위를 0℃∼650℃ 설정하였으며 610초 동안 측정하였다.
04℃∼30℃), 비디오 레코더를 활용하여 실험 장치를 구성하였다. 열전대를 이용하여 화재 실험을 위한 용기 표면 온도를 측정하였으며 열화상 카메라와 비디오 레코더를 이용하여 연소과정을 촬영하였다(Fig 2.).
절삭유가 포함된 티타늄 합금 폐기물의 화재 특성 분석을 위해 데이터 로거(model GL840), 열전대(K-type, 0.32 mm, -270℃∼1,372℃), 열화상카메라(Testo T890, 열감도 0.04℃∼30℃), 비디오 레코더를 활용하여 실험 장치를 구성하였다.
). 티타늄 합금 폐기물 120g을 점화장치를 이용하여 착화시켜 연소 특성을 열화상 카메라를 활용하여 분석하였다.
티타늄 합금 폐기물 연소 과정에서 연소 확대 방지를 위해 사각형 팬(60cm(가로) × 60cm(세로) × 3cm(높이))위에 원형 팬(23cm(지름), 2cm (높이))을 설치하여 티타늄 합금 폐기물을 올려놓았다(Fig 3.).
이에 본 연구에서는 의료용으로 사용되는 티타늄 합금 절삭가공 과정에서 발생하는 티타늄 합금 폐기물에 대한 화재 위험성을 평가하기 위해 화재 실험을 진행하였다. 티타늄 합금 폐기물에 점화원을 사용하여 연소 실험을 진행하였으며 열화상 카메라를 이용하여 화재의 열 특성을 분석하였다. 본 연구의 결과를 통해 티타늄 합금 폐기물의 화재 예방 및 대응에 필요한 방안을 도출하였다.

대상 데이터

티타늄 합금 폐기물은 당일 절삭가공 과정에서 발생한 폐기물을 수거하여 실험 재료로 사용하였다. 절삭유의 경우 방전기기에 투입하여 약 30일 (약12시간/일)을 사용한 것으로 일반적으로 절삭유는 기기에 넣어 순환 과정을 거쳐 일정기간 동안 사용되고 있다.

성능/효과

점화장치를 사용하여 티타늄 합금 폐기물에 점화 시작 약 9초 후 본 실험에 사용된 적외선 카메라의 최대 측정온도인 650℃에 도달하였다. 20 초 후 최대온도가 감소하였으며 650℃ 이하를 유지하면서 지속적으로 온도가 감소하였으며 약 9분 후 급격한 감소를 보였다.
결론적으로 다량의 티타늄 합금 폐기물에서 화재가 발생할 경우 티타늄 금속화재로 이어질 수 있다는 것을 의미한다. 특히, 티타늄 폐기물의 경우 절삭유가 묻어 있는 상태로 쉽게 연소할 수 있으며 이로 인해 금속화재까지 이어질 수 있다.
또한, 연소과정에서 티타늄 합금 폐기물의 급격한 연소는 나타나지 않았지만 실험과정에서 티타늄이 연소하는 현상인 밝은 빛이 0초∼21초 구간에 부분적으로 관찰되었다.
실험결과 티타늄 합금 폐기물에 점화 후 열화상 카메라를 이용한 열화상분석에서 측정 최고 온도 650℃ 이상의 온도가 나타났다. 또한, 최고 온도 지점의 화염 분석에서 특정 부분에서만 온도가 높게 나타나는 것으로 분석되었다. 이러한 연구결 과로 볼 때 점화원에 의한 절삭유의 인화 또는 열축적에 의한 발화로 인해 유류화재가 발생할 수 있으며 이로 인해 금속화재가 동시에 발생할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 판단할 수 있다.
본 연구에서는 의료용 티타늄 합금 폐기물의 화재특성을 분석하기 위해 화재 실험을 진행하였다. 실험결과 티타늄 합금 폐기물에 점화 후 열화상 카메라를 이용한 열화상분석에서 측정 최고 온도 650℃ 이상의 온도가 나타났다. 또한, 최고 온도 지점의 화염 분석에서 특정 부분에서만 온도가 높게 나타나는 것으로 분석되었다.
에서 최대온도 구간인 0초∼ 21초 구간의 온도변화를 보면 점화 후 온도의 급격한 상승을 보였으며 9초∼10초, 13초∼19초 구 간에서 열화상 카메라의 최대 측정 온도인 650℃에 도달한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	티타늄의 단점은 무엇인가?	티타늄 합금은 경량이면서 높은 강도, 내부식성, 그리고 고온에서 그 성질이 변하지 않는 특성 등을 가지고 있어 우주, 항공, 의료 산업에서 주요 부품 에 많이 사용되고 있다[1,2]. 하지만 티타늄 합금의 주성분인 티타늄은 가연성 금속으로 금속화재를 유발할 수 있는 금속이다. 특히, 티타늄 합금 절삭가공 후 발생하는 티타늄 합금 폐기물은 입자의 크기가 작아지고 금속화재를 유발할 수 가능성이 높아지게 된다.
	티타늄 합금 가공 시 발생 할 수 있는 문제는?	하지만 티타늄 합금의 주성분인 티타늄은 가연성 금속으로 금속화재를 유발할 수 있는 금속이다. 특히, 티타늄 합금 절삭가공 후 발생하는 티타늄 합금 폐기물은 입자의 크기가 작아지고 금속화재를 유발할 수 가능성이 높아지게 된다. 일반적으로 가연성 금속의 경우 입자의 크기에 작을수록 화재 위험이 증가하며 입자의 크 기에 따라 분진폭발의 위험을 동반하게 된다.
	티타늄 합금 폐기물의 화재 위험성이 심각한 이유는?	하지만 이러한 티타늄 합금 폐기물의 화재 위험성에도 불구하고 국내에서는 금속화재에 대한 법적 기준은 물론 폐기물에 대한 처리, 관리, 화재예방 등에 대한 기준 조차 마련되어 있지 않다. 더욱이 화재가 발생할 경우 금속화재와 유류화재가 동시에 발생하는 상 황으로 전개될 가능성이 높아 현재 개발되어 있는 수계, 가스계 등의 소화약제로는 진화가 불가능한 상황이다. 또한, 절삭유에 포함된 티타늄 합금 폐 기물에 대한 화재 위험성 및 절삭유와 미세한 티 타늄 합금 폐기물이 화재의 확산에 미치는 영향에 대한 연구 조차 진행되지 않고 있는 실정이다.

참고문헌 (7)

Rahman, M., Zhi-Gang, W., and Yoke-San, W., "A Review on High-Speed Machining of Titanium Alloys", International Journal Series C Mechanical Systems, Machine Elements and Manufacturing, vol. 49, no. 1, pp. 11-20, (2006).
Jin-Woo Kim, Jung-Sub Kim, & Sang-won Lee., "Experimental Characterization of Turning Process of Titanium Alloy Using Cryogenic Cooling and Nanofluid Minimum Quantity Lubrication", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, vol. 34, no. 3, pp. 185-189, (2017).

원문보기 상세보기
Korea Machine Tool Manufacturers' Association, "Electric discharge machines-safety standard for fire prevention(SPS-KOMMA 1 K1-1225)", Gwangmyeong : Korea Machine Tool Manufacturers' Association, (2009).
Occupational Safety and Health Administration, "OSHA 29 CFR 1910.157 Portable fire extinguishers" Occupational Safety and Health Administration, (2002). [Online]. https://www.osha.gov
National Fire Protection Association, "NFPA 10 Standard for portable fire extinguishers", Massachusetts : National Fire Protection Association, (2018).
National Fire Protection Association, "NFPA 484 Standard for combustible metals", Massachusetts : National Fire Protection Association, (2015).
Eugene Meyer, "Chemistry of hazardous materials", Boston : Pearson Education Inc., (2013).

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