[논문]금속화재 대응 시 간이소화용구 및 약제의 소화 효과성 분석

권진석; 김수영; 김태선; 박태희; 김태동; 박민영

doi:10.15683/kosdi.2023.9.30.644

초록
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연구목적: 금속의 취급 및 가공 공장과 금속폐기물 저장 공장 등에서 금속이 포함된 화재가 빈번하게 발생하고 있다. 금속화재의 경우는 소화가 어렵고 장시간 소요되므로 대응 시 주의가 필요하다. 본 연구에서는 금속화재의 발생 현황과 문제점 등을 제시하고 국내에서 사용중인 간이소화용구와 약제에 대한 실험을 통해 효과성을 도출하였다. 연구방법: ISO7165의 D급소화기 실험 중 분말 형태의 실험을 준용하여 순도 99.9%, 입자 150 ㎛ 이상의 마그네슘을 착화하여 5가지 간이소화용구, 소화기 및 약제에 대한 비교실험을 하였다. 연구결과: 간이소화용구로는 국내에서 가장 많이 사용되는 건조사와 팽창질석, 사용성 검증이 필요한 황토가루를 사용하였고, 국외에서 인증받아 사용중인 D급 소화기와 국내 금속화재 현장에서 사용된 액상의 수산화실리카를 사용하였다. 결론: 본 실험을 통해 소화효과성과 사용편의성, 경제성 측면을 고려한 결과, 팽창질석이 금속 화재 시 가장 적절한 것으로 도출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Metal fires occur in metal handling, processing, waste storage plants, etc. It is difficult for firefighters to extinguish metal fires, and it takes a long time, so caution is needed in fire suppression. Method: In this study, current statistics and problems of metal fires were introduced, ...

Purpose: Metal fires occur in metal handling, processing, waste storage plants, etc. It is difficult for firefighters to extinguish metal fires, and it takes a long time, so caution is needed in fire suppression. Method: In this study, current statistics and problems of metal fires were introduced, and then the effectiveness was verified by experiments with using fire extinguishing agents used in Korea. Comparative suppression experiments of 5 different fire extinguishing agents for burning powders of 99.9% magnesium over 150 ㎛ were performed following the metal powder type test method of Class D fire in ISO 7165. Result: 5 fire extinguishing agents are the power types of dry sands and expanded vermiculites most commonly used in Korea, the certified class D fire extinguisher used abroad, and ochers requiring verification, and the liquid silica gel. Conclusion: The results of experiments showed expanded vermiculites were the best metal fire extinguishing agent considering effectiveness, convenience of use, and economical feasibility.

Keyword

표/그림 (15)

표 Table 1. Type of metal wastes
그림 Fig. 1. Metal fire statistics in Korea
그림 Fig. 2. Set up an experimental test bed
그림 Fig. 3. Experimental procedures
그림 Fig. 4. Extinguishing agent for fuel
그림 Fig. 5. Internal temperatures measured for the first 60 minutes according to the extinguishing agents
그림 Fig. 6. External temperatures measured for the first 60 minutes according to the extinguishing agents
그림 Fig. 7. Explosion of ocher powder(a) and silica gel(b)
그림 Fig. 8. Internal temperatures measured between 60 and 240 minutes according to the extinguishing agents
그림 Fig. 9. External temperatures measured between 60 and 240 minutes according to extinguishing agents
그림 Fig. 10. Internal temperatures measured during the experiments( Full-time) according to extinguishing agents
그림 Fig. 11. External temperatures measured during the experiments( Full-time) according to extinguishing agents
그림 Fig. 12. The appearance of experimental debris
표 Table 2. Internal and external temperature measured over time according to the extinguishing agent
표 Table 3. Comparison of extinguishing agents

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 최근 금속가공공장이나 금속폐기물 공장에서 발생하는 금속화재의 특징과 금속화재에 적용한 간이소화용구 및 약제에 대한 실험을 통해 효과성을 도출하였다. 금속을 가공할 때 발생하는 잔여물이나 금속폐기물의 주성분은 마그네슘이나 알루미늄 등 금수성물질도 포함되어 있어서 소화약제를 사용하는데 주의해야 한다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 국내에서 사용 중인 간이소화용구와 소화약제가 금속화재에 적응성이 있는지에 대해 실험을 통해 비교·분석하였다.
본 실험은 외기의 영향을 최소화하기 위해 실내에서 진행하였으며, 온도 및 습도 등 동일한 조건을 구성하기 위해 동일한 조건에서 동시에 실험을 수행하였다. 각각의 철제 프레임내 비치한 마그네슘의 내·외부 온도변화를 측정하기 위해 Fig.
2와 같이 K-type 열전대를 설치하였다. 금속화재의 표면온도를 측정하기 위해 좌측(LT), 중앙(CT), 우측(RT)를 설치하였고, 내부의 온도를 측정하기 위해 좌측(LB), 중앙(CB), 우측(RB) 6포인트에 열전대를 설치하였다.
5가지 간이소화용구와 소화기, 소화약제는 동시에 실험하였으며 마그네슘 표면의 면적에 비해 50%의 면적이 연소된 것은 육안으로 확인하여 동일 시점에 간이소화용구와 소화기, 소화약제를 도포하였다. 간이소화용구나 약제를 도포할때는 마그네슘을 완전히 덮을 수 있도록 도포하였고, 각 사용된 간이소화용구나 약제의 효과성을 검증하기 위해 D급 소화기 내 분말약제의 양과 유사하게 20ℓ의 부피로 동일 용량을 도포하였다.
마그네슘 분말 2kg을 착화한 후각각의 간이소화용구와 소화기, 소화약제를 도포하고 시간 경과에 따른 온도변화를 측정하였다. 초기 60분 내부온도는 Fig.
실험 초기와 가장 상반된 양상을 보이는 간이소화용구는 팽창질석으로, 초기 가장 높았던 내부온도가 240분 이후 100°C 정도로 하강하였고 외부온도 또한 1,300°C에서 200°C까지 하강하였다
온도측정 중 팽찰질석의 외부온도는 약 8시간 이후부터는 0°C로 열전대의 측정이 불가하였으나 내부의 온도가 측정되어 내부의 온도가 상온과 유사해지는 시점을 종료시점으로 하였고 건조사를 제외한 소화용구와 약제는 15시간 정도에 상온과 유사한 온도로 하강하여 온도측정을 종료하였다.
실험의 종합적인 결과는 간이소화용구와 약제의 효과성과 경제성, 사용편의성 측면을 고려하여 분석하였다. 소화효과성은 약제적용 후 연소된 마그네슘 내·외부의 온도하강과 소화시간을 고려하였다.

대상 데이터

ISO7165에는 제거할 수 있는 목재 또는 철제의 테스트베드를 만들고 중앙부 바닥판에 1m × 1m, 두께5mm의 철판을 두어 메탈연료를 가열할 수 있도록 구성되어 있다. 본 실험에서 실험체는 철제 사각프레임(W: 600mm, D: 600mm, H: 300mm)으로 제작하였다. 바닥부는 마그네슘이 연소하면서 고온이 발생하므로 석고보드를 배치하고 그 위에 마그네슘을 비치하도록 설계하였다.
본 실험에서 사용한 가연물은 ISO7165에서 제시하고 있는 ｢Metal powder or dust fires｣경우에서 언급된 순도 99.9%, 입자 150㎛ 이상의 마그네슘 분말가루를 사용하였다. 착화된 마그네슘 분말에 도포하는 소화용구 및 약제의 종류는 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 간이소화용구와 실제 금속화재 현장에서 적용한 액체 소화약제로 구분하였고, 추가적으로 국외에서 상용되어 판매하고 있는 D급 소화기도 사용하였다.
9%, 입자 150㎛ 이상의 마그네슘 분말가루를 사용하였다. 착화된 마그네슘 분말에 도포하는 소화용구 및 약제의 종류는 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 간이소화용구와 실제 금속화재 현장에서 적용한 액체 소화약제로 구분하였고, 추가적으로 국외에서 상용되어 판매하고 있는 D급 소화기도 사용하였다.
간이소화용구로는 국내에서 가장 많이 사용하고 있는 건조사와 팽창질석, 간이소화용구로 금속화재에 효과성 검증이 필요한 미장용 황토가루, 국외에서 인증받아 사용하고 있는 D급소화기를 사용하였으며, 액체 소화약제로는 2020년도에 발생한 국내 군산 금속화재에서 효과성을 보인 수산화실리카(규산염혼합물)를 사용하였다.
실험의 종료는 금속화재의 특성상 일반화재와 달리 지속적으로 금속분말이 연소가 되어 간이소화용구나 약제가 적용된 상태라도 내부의 가연물은 계속 연소가 되므로 가연물 내부의 온도가 주변의 온도(실내 실험 환경, 기온 28°C)와 유사해질 때까지로 하였다
본 실험에서 실험종료는 일부의 간이소화용구와 약제가 도포된 내부온도가 주변 온도까지 하강하는 시점으로 하였다. 이는 NFPA 484에서 D급 소화로 언급한 “D급 소화약제 사용 후 전체 잔여물이 주변온도에 도달할 때까지 냉각”을 준용하여 실험을 종료하였다.
본 실험에서는 ISO7165의 분진 또는 가루 형태의 실험을 준용하였고 일반적으로 국내에서 발생하는 금속화재 현장보다 더욱 가혹한 환경이라 볼 수 있다. 국내의 금속가공업이나 폐기물 공장에서 보관하는 폐기물은 입자가 다양하고 마그네슘, 알루미늄, 철 등 다양한 금속분도 혼합되어 보관중이다.

이론/모형

본 연구에서는 금속화재에 대한 소화용구와 소화약제의 효과성을 검증하기 위해 국제 시험기준인 ISO7165를 준용하여 실험체를 구성하였다.
현재 국내의 금속화재 현장에서는 간이소화용구인 건조사나 팽창질석을 주로 사용하고 있다. 본 연구에서는 금속화재 현장에서 사용중인 간이소화용구와 국외에서 인증되어 사용중인 금속화재용 소화기, 국내 화재현장에서 효과성이 있었던 소화약제를 대상으로 ISO7165 시험방법을 준용하여 효과성 검증을 하였다.

성능/효과

ISO7165에서 제시한 것과 같이 마그네슘의 표면이 25% 정도 연소할 때 가스토치를 중지하였고 마그네슘 표면이 약 50% 이상 자유 연소할 때까지 대기하였다. 5가지 간이소화용구와 소화기, 소화약제는 동시에 실험하였으며 마그네슘 표면의 면적에 비해 50%의 면적이 연소된 것은 육안으로 확인하여 동일 시점에 간이소화용구와 소화기, 소화약제를 도포하였다. 간이소화용구나 약제를 도포할때는 마그네슘을 완전히 덮을 수 있도록 도포하였고, 각 사용된 간이소화용구나 약제의 효과성을 검증하기 위해 D급 소화기 내 분말약제의 양과 유사하게 20ℓ의 부피로 동일 용량을 도포하였다.
외부온도 또한 약 600°C 이상으로 본 실험에서 사용한 소화용구와 약제 중 가장 높은 온도를 보였고, 실험종료 시점(1,080분)까지도 완진되지 않은 양상을 보였다(Fig
(2) 팽창질석은 초기 온도는 다른 약제들과 비교하면 상승하지만, 폭발 등의 연소반응이 없고 도포 60분 이후부터는 가장 안정적인 온도하강으로 금속화재에 사용이 적합하여 금속화재 시 방어선 구축 시 활용이 가능하다.
(4) D급 소화기는 타 약제에 비해 초기 60분 동안 온도하강은 우수하지만 60분 이후 내부온도가 급격하게 상승하는 경향을 보여 초기 사용에는 효과적으로 보인다.
경제적인 측면에서는 사용된 간이소화용구나 약제의 동일 부피를 사용하였을 때 팽창질석이 가장 우수하며 황토가루, 수산화실리카, 건조사, D급 소화기 순으로 도출되었다. 사용상 편의성은 간이소화용구나 소화약제의 무게 및 보관 방법에 따라 도출한 결과, 팽창질석이 가장 낮은 비중으로 매우 가벼우며, 포대와 같이 개별적으로 비치할 수 있어 보관에도 용이하여 우수한 것으로 도출되었다.
경제적인 측면에서는 사용된 간이소화용구나 약제의 동일 부피를 사용하였을 때 팽창질석이 가장 우수하며 황토가루, 수산화실리카, 건조사, D급 소화기 순으로 도출되었다. 사용상 편의성은 간이소화용구나 소화약제의 무게 및 보관 방법에 따라 도출한 결과, 팽창질석이 가장 낮은 비중으로 매우 가벼우며, 포대와 같이 개별적으로 비치할 수 있어 보관에도 용이하여 우수한 것으로 도출되었다. D급 소화기는 소화기형태로 비치하여 보관에는 용이하지만 D급 소화기의 방사거리는 약 1m 미만에 불과하여 소화기 용기의 무게를 고려해보면 상대적으로 팽창질석보다 무거워 사용상 어려움이 있다.
종합적인 결과를 살펴보면 본 실험에서 사용한 간이소화용구와 소화기, 소화약제 중 팽창질석이 상대적으로 적절한 간이 소화용구로 도출되었다. 금속화재 현장의 안전이나 금속화재에 대응하는 소방대원의 안전을 위해서는 팽창질석과 같은 간이소화용구를 활용하여 방어선을 구축하고 소화약제를 적용하더라도 현장에서 미리 적용한 후에 안전성이 확보된 후 공격적인 소화를 해야한다.

후속연구

국내의 금속가공업이나 폐기물 공장에서 보관하는 폐기물은 입자가 다양하고 마그네슘, 알루미늄, 철 등 다양한 금속분도 혼합되어 보관중이다. 향후에는 국내의 다양한 금속폐기물에 대한 간이소화용구나 소화약제의 적응성에 대해 실험적인 결과를 통해 취급 금속폐기물별 적정 소화약제 사용을 할 수 있도록 추가적인 연구가 필요하다.
본 실험에서 사용된 수산화실리카의 경우에는 실제 금속화재 현장에서 우수한 대응을 한 적이 있지만, 순수 마그네슘 분말 화재 실험에서는 위험성이 도출되었다. 신규 소화약제의 현장 적용을 위해서는 먼저 여러 가지 금속에 대한 적용성 평가가 수행되어야 할 것으로 사료된다. 나아가 국내의 D급 소화기 형식승인은 마그네슘 칩뿐만 아닌 금속분말 등 다양한 상황에 대한 형식승인을 위해 향후 실험과 연구가 필요할 것으로 사료된다.
신규 소화약제의 현장 적용을 위해서는 먼저 여러 가지 금속에 대한 적용성 평가가 수행되어야 할 것으로 사료된다. 나아가 국내의 D급 소화기 형식승인은 마그네슘 칩뿐만 아닌 금속분말 등 다양한 상황에 대한 형식승인을 위해 향후 실험과 연구가 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (9)

Fire and Disaster Management Agency (2016). Manuals for Safety Measures such as Magnesium. Japan.
Gyeongsangnam-do Fire Department (2019). Fire response Measures for Metal Waste Factory.
International Organization for Standardization (2017). ISO 7165:2017 Fire fighting-Portable Fire Extinguishers？Performance and Construction. pp. 10-65.
Koseki, H., Iwata, Y., Yamajyaki, Y., Terazomno, A. (2013). "Examples and problems of metal scrap fires during？transportation." Japan Society for Safety Engineering, Vol. 52, No. 2, pp. 113-120.
Korea Occupational Safety and Health Agency (2013). Technical Guidelines for Handling and Storage of Waterreactive Substance. KOSHA Guide G-77-2013.
Lee, E.P. (2020). "Analysis of metal fire problems and corresponding safety measures." Journal of the Korean？Society of Hazard Mitigation, Vol. 20, No. 2, pp. 79-87.
Nam, K.H., Lee, J.S. (2018). "Study on the effective response method to reduce combustible metal fire." Journal of？the orea Academia-Industrial, Vol. 19, No. 12, pp. 600-606.
National fire Agency (2022). National Fire Data System. https://nfds.go.kr/
Occupational Safety and Health Administration (2018). OSHA Standards-29 CFR 1910.157 Portable Fire Extinguishers.

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