지르코늄 합금 스크랩 화재 안전성 개선 방안에 관한 연구
Improving the Fire Safety of Zirconium Alloy Scrap
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Abstract
본 연구는 산업현장의 지르코늄 합금 스크랩 화재 안전성을 평가하고 개선방안을 도출하기 위해 수행되었다. ASTM E1226-19 규격 기반 시험을 통해 스크랩의 발화 특성을 분석하였다. 실험 결과, 철수세미형과 돼지꼬리형 스크랩이 가장 높은 발화 위험성을 보였으며, 최소착화에너지는 2.1 mJ로 측정되어 일상적 정전기로도 발화가 가능한 것으로 나타났다. 물과의 반응성 실험에서는 발화 온도가 1,831.3 ℃에서 1,959.3 ℃로 상승하였다. 위험성 평가를 통해 기계적 마찰, 부적절한 청소도구, 전기설비 실링 미흡 등이 주요 위험 요소로 확인되었다. 이에 스파크방지 안전도구 사용, 전기외함 실링 강화, 모니터링 시스템 구축 등의 개선 방안을 제시하였다.
Trans Abstract
This study was conducted to evaluate and improve the fire safety of zirconium alloy scrap in industrial settings. The ignition characteristics of the scrap were assessed through customized tests based on ASTM E1226-19 standards. Experimental results showed that steel wool-type and pig tail-type scraps exhibited the highest ignition risk, with a minimum ignition energy (MIE) of 2.1 mJ, indicating possible ignition from ordinary static electricity. In water reactivity tests, the ignition temperature increased from 1,831.3 ℃ to 1,959.3 ℃. The risk assessment identified mechanical friction, the use of inappropriate cleaning tools, and inadequate electrical equipment sealing as major hazards. Thereafter, improvement measures were proposed, including mandating the use of spark-prevention safety tools, enhanced electrical enclosure sealing, and the implementation of monitoring systems.
1. 서 론
1.1 연구의 필요성 및 목적
최근 산업 현장에서 지르코늄 합금 스크랩의 화재 사고가 지속적으로 발생하면서 안전성 개선에 대한 필요성이 대두되고 있다. 지르코늄 합금은 원자력 산업과 화학 산업에서 널리 사용되는 중요한 소재이지만, 미세 분말 형태의 스크랩은 높은 반응성으로 인해 자연발화의 위험성을 가지고 있다. 특히 스크랩의 보관, 운반, 처리 과정에서 발생하는 화재 사고는 작업자의 안전을 위협할 뿐만 아니라 심각한 환경오염과 경제적 손실을 초래한다(Korea Occupational Safety and Health Agency, 2024).
이로 인해 현대 산업에서 지르코늄 합금은 그 독특한 물리적, 화학적 특성으로 인해 원자력 산업을 비롯한 다양한 분야에서 핵심 소재로 활용되고 있다. 특히 원자력 발전소의 핵연료 피복관 소재로 광범위하게 사용되는 지르코늄 합금은 제조 공정에서 필연적으로 스크랩이 발생하게 된다. 요즘은 이러한 스크랩의 관리와 처리 과정에서 발생할 수 있는 화재 및 폭발 위험성은 산업 안전의 중요한 과제로 대두되고 있다.
산업안전보건공단의 최근 5년간(2020-2024) 통계에 따르면, 금속 스크랩 관련 화재 사고는 연평균 15% 증가 추세를 보이고 있으며, 그중 지르코늄 합금 스크랩으로 인한 사고가 전체의 약 23%를 차지하고 있다. 특히 4차 산업혁명 시대의 도래와 함께 원자력 및 화학 산업의 급속한 성장으로 인해 지르코늄 합금의 수요가 증가하면서, 관련 스크랩의 발생량도 함께 증가하고 있어 체계적인 안전관리의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 선행연구를 살펴보면, Kim and Park (2023)은 지르코늄 합금 스크랩의 입자 크기와 발화 온도의 상관관계를 분석하여 미세 분말의 위험성을 규명하였다(Kim and Park, 2023). Lee et al. (2024)은 스크랩 저장 환경의 온도, 습도, 산소 농도가 자연발화에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였으며, 최적의 보관 조건을 제시하였다(Kim and Park, 2023). 또한 Cho and Yang (2024)은 스크랩 처리 공정에서의 안전관리 시스템을 분석하고, IoT 기반의 실시간 모니터링 방안을 제안하였다(Cho and Yang, 2024).
그러나 기존 연구들은 주로 개별적인 위험 요소에 초점을 맞추고 있어, 종합적인 안전성 개선 방안을 제시하는 데는 한계가 있었다. 특히 스크랩의 발생부터 최종 처리까지 전 과정에서의 위험성 평가와 이에 따른 통합적 관리 방안에 대한 연구는 미흡한 실정이다(Jung, 2024). 더욱이 국제적으로 강화되고 있는 환경 규제와 안전 기준에 부합하는 관리 체계 구축의 필요성이 증가하고 있다.
따라서 본 연구는 이러한 배경을 바탕으로 지르코늄 합금 스크랩의 화재 안전성을 종합적으로 분석하고 개선방안을 도출하는 것에 연구의 목적이 있다.
특히 스크랩의 최소착화 에너지, 열중량분석, 폭발하한 농도, 그리고 최소착화에너지 등의 주요 안전 파라미터를 실험적으로 규명하고자 한다. 이를 통해 현장에서 발생할 수 있는 잠재적 위험요소를 식별하고, 이에 대한 구체적인 안전 솔루션을 제시하고자 한다.
또한, 본 연구에서 실제적으로 화재폭발에 대해 예방 조치할 수 있는 방안과 유사시 초동 조치를 할 수 있는 안전 개선안을 제시하여 실제 적용할 수 있도록 하는데 연구의 목적이 있다.
2. 지르코늄의 특성과 산업적 활용
2.1 지르코늄의 특징
지르코늄(Zr)은 원자번호 40의 화학원소로서, KNF에서 가장 널리 활용되는 핵심 금속물질이다. 이 금속은 은회색을 띄며 강력한 기계적 특성을 지니고 있는데, 자연 상태에서는 항상 하프늄(Hf)과 함께 발견된다. 지르코늄의 가장 주목할 만한 특징은 뛰어난 내식성으로, 산성 및 염기성 환경뿐만 아니라 고온의 수중 환경에서도 우수한 저항성을 보인다.
이러한 지르코늄은 공기 중에서 산화피막을 형성하여 강한 내식성을 유지하지만, 분말 상태에서는 높은 반응성으로 인해 자연발화의 위험성이 있다. 이러한 지르코늄의 특성 때문에 산업 현장에서의 취급과 보관에 특별한 주의가 요구되며 또한, 지르코늄의 안정적인 산화 상태는 +4이며, 이는 다양한 산업적 응용에 있어 중요한 특성이다(Park, 2024).
특히 원자력 산업에서 지르코늄의 활용은 주목할 만하다. 원자핵의 중성자 흡수율이 낮다는 특성 때문에, 지르칼로이(Zircaloy)라는 합금 형태로 원자로 재료로 광범위하게 사용되기 때문이다(Jung, 2024). 또한 수소화합물 형태로도 원자로 소재로 활용되어, 원자력 발전소의 안전성과 효율성 향상에 기여하고 있다.
이러한 지르코늄의 산화물인 ZrO2는 뛰어난 내열성을 가지고 있어, 고온 환경에서 사용되는 정밀기계용 세라믹스의 핵심 소재로 활용된다. 특히 고온 엔진, 연료전지, 그리고 각종 내열 코팅제 등 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있다(Kim and Park, 2023).
최근의 연구동향에 따르면, 지르코늄 기반 소재의 응용 범위가 지속적으로 확대되고 있으며, 특히 환경친화적이고 에너지 효율적인 신소재 개발에 있어 핵심적인 역할을 하고 있다. 또한 나노기술과의 융합을 통해 새로운 응용 가능성이 계속해서 발견되고 있다.
Table 1은 지르코늄의 기본물성을 나타낸 것이다. 지르코늄은 이러한 물성으로 이루어져 있는 것이 특징이다.
Basic Properties of Zirconium
산업계에서는 보통 순수 지르코늄 보다는 합금형태로 많이 사용하게 되는데 KNF에서 지르코늄 합금(Zirconium Alloy Tube; 지르코늄성분: 97~98%, 기타 합금용 첨가성분: 2~3%)을 이용하여 튜브를 제작하고 있으며 가공 시에 각종 스크랩이 발생되고 이를 따로 보관하고 있다(Kim and Lee, 2023).
2.2 지르코늄 합금에 관한 국내외 선행연구 분석
지르코늄 합금에 관한 국내외 연구는 크게 재료 특성, 안전성, 산업 응용 분야로 나누어 활발히 진행되어 왔다. 각 분야별 주요 선행연구를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 재료 특성 연구 분야에서는 Kim and Park (2023)이 지르코늄 합금 스크랩의 입자 크기와 발화 온도의 상관관계를 분석하여 미세 분말의 물리적 특성을 규명하였다(Kim and Park, 2023). 이들의 연구는 입자 크기가 작아질수록 발화 위험성이 증가한다는 것을 실험적으로 입증하였다. Lee et al. (2024)은 지르코늄 합금의 저장 환경 조건이 물질 안정성에 미치는 영향을 연구하여, 온도, 습도, 산소 농도 등의 최적 보관 조건을 제시하였다(Lee et al., 2024). 안전성 연구 분야에서는 Cho and Yang (2024)이 스크랩 처리 공정의 안전관리 시스템을 분석하고, IoT 기술을 활용한 실시간 모니터링 방안을 제안하였다(Cho and Yang, 2024). Occupational Safety and Health Research Institute (2024)의 연구에서는 지르코늄 합금 관련 화재 사고의 원인과 예방책을 체계적으로 분석하였다. 특히 최근 5년간의 사고 통계를 분석하여, 스크랩 관리의 중요성을 강조하였다.
산업 응용 분야에서는 Park (2024)이 4차 산업혁명 시대의 원자력 산업에서 지르코늄 합금의 활용 전망을 연구하였다. Jung (2024)은 금속 스크랩의 재활용 기술과 관리 체계에 대한 포괄적인 연구를 수행하였다(Park, 2024). 국제적으로는 Li et al. (2024)이 지르코늄 합금의 신규 응용 분야 개발에 관한 연구를 수행하였으며, 원자력 발전소용 지르코늄 합금의 성능 향상을 위한 새로운 제조 공정을 제안하였다(Park, 2024).
이러한 선행연구들을 종합해보면, 지르코늄 합금 관련 연구는 안전성 강화, 성능 개선, 환경 친화적 생산 방식 개발 등의 방향으로 진행되고 있음을 알 수 있다. 특히 최근에는 4차 산업혁명 기술을 활용한 스마트 제조 및 관리 시스템 구축에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있지만 아직까지 국내에서의 연구는 매우 미비하여 본 연구에서 구체적인 실험으로 연구를 진행하였다.
4차 산업혁명 기술 활용 측면에서, 최근 연구들은 IoT 센서와 클라우드를 기반으로 한 실시간 모니터링, AI 빅데이터 분석을 통한 결함 진단, 생산공정 자동화와 같은 스마트팩토리 구축에 집중되고 있다. 예를 들어 Kim and Park (2023), Cho and Yang (2024)은 지르코늄 합금 스크랩 관리 전체 공정에 실시간 감시와 경보 체계를 적용하는 IoT 기반 솔루션을 제안하고 있으며, 미국⋅유럽 산업에서는 센서 네트워크와 AI 알고리즘의 접목을 통해 공장 전반의 운영 최적화와 사고 예방, 에너지 효율 개선이 이뤄지고 있다. 실제로 실시간 데이터 통합, 클라우드 데이터 연동, 예측 기반 유지보수 체계 등의 기술 발전은 산업의 안전성뿐 아니라 지속가능한 생산 체계 구축에 핵심적 역할을 하고 있다.
국내 연구의 경우, Kim and Park (2023), Lee et al. (2024), Cho and Yang (2024) 등은 입자 크기와 발화 온도 상관관계, 스크랩의 최적 저장환경, IoT 기반의 개별 공정 모니터링 방안 등 실험 중심의 연구에 힘쓰고 있다. 그러나 해외에 비해 실제 스마트 제조 시스템의 현장 적용 및 통합관리 체계 구축은 아직 초기 단계에 머물러 있으며, 주로 위험 도출과 부분적 기술 적용에 그치고 있다. 국내 기업들 역시 스마트팩토리 개념 도입에 대한 관심은 높으나, 산업안전⋅환경 중심의 단위 시스템 구축이 주를 이루고 있다.
전반적으로 환경부 조사, 산업안전보건공단 통계 등에서 보면 국내에서도 안전 규정과 화재 예방 지침은 엄격하게 마련되고 있으나 해외처럼 대규모 실증, 데이터 기반 통합 관리 시스템의 실제 운영 사례는 적은 것으로 나타난다. 따라서 향후 국내 연구는 실시간 센서 네트워크, AI 기반 예측 유지보수, 공정 자동화 등 4차 산업혁명 기술을 적극적으로 통합한 산업 맞춤형 솔루션 확산이 핵심 과제로 제시되고 있다.
이러한 선행연구들은 주로 지르코늄 합금 스크랩의 입자 특성과 발화 온도의 상관관계(Kim and Park, 2023), 저장 환경이 물질 안정성과 자연발화 가능성에 미치는 영향, 그리고 IoT 기술을 적용한 안전관리 시스템 설계(Cho and Yang, 2024) 등 각각의 위험 요소나 관리 기술의 일부 측면에 초점을 맞추어 연구가 이루어졌다. 또한, Occupational Safety and Health Research Institute (2024)의 연구처럼 최근 5년간의 화재 사고 통계와 원인 분석을 통해 지르코늄 합금 관련 화재의 심각성을 조명하고, 단위 공정의 안전성 확보 또는 스마트 모니터링의 필요성 정도를 시사한 바 있으나, 실제로 스크랩 관리의 전 과정을 포괄적으로 통합해서 다룬 사례는 드물었다.
이와 달리 본 연구는 기존 연구들이 다루지 못했던 실질적인 화재 위험 평가와 안전성 개선 방안을 한데 엮어, 산업 현장에서 실제로 적용 가능한 시스템적 대책을 제시하는 데 초점을 맞췄다. 즉, 스크랩의 발생부터 보관, 운반, 처리, 그리고 응급 대응까지 모든 단계를 아우르는 위험성 평가를 수행하고, 직접적인 실험(최소착화에너지 측정, 분진 폭발 한계 측정, 물과의 반응 실험 등) 결과를 바탕으로 구체적인 안전 가이드라인 마련에 나선 점이 기존 연구와의 뚜렷한 차별점이다. 또한, 산업안전보건공단의 공식 평가도구를 적용하여, 현장에서 현실적으로 활용할 수 있는 안전관리 체계를 검증⋅제안한 것도 기존의 이론 중심적 선행연구와 다른 실질적 강점으로 볼 수 있다.
즉, 본 연구는 부분적 위험요소 분석이나 기술적 제안에 머무르는 것이 아니라, 실제 사고 방지에 직결되는 구체적 실험 분석과, 법⋅제도적 가이드라인 준수, 맞춤형 예방 및 개선 전략까지 종합적으로 연계하였다. 이러한 점에서 산업적 활용 가능성과 현장 적용성을 크게 높인 실증적⋅통합적 안전성 연구로 기존 선행연구와 확실한 차별성을 지닌다고 할 수 있다.
3. 연구방법
3.1 실험 설명
본 연구에서는 물질이 불연속의 스파크에서 어느 시점에서 점화되는지, 화염전파를 하는지에 대해 시험하였다. 측정된 MIE (Minimum Ignition Energy) 자료는 정전기 등의 각종 착화원(Ignition sources)에 의한 화재/폭발 위험성을 나타내는 지표로 활용될 수 있으며, 폭발방지를 위해 적절한 안전 대책 수립과 방호장치 선택에 필요한 데이터를 제공하여 준다.
또한, 본 연구는 부유분진 착화 민감도를 알아보는 시험으로 활용되나 장비에서 방출되는 여러 착화에너지를 활용하여 지르코늄 합금 스크랩의 ‘착화민감도’를 알아보는 시험으로 진행하였다.
3.2 실험 규격
본 연구에서는 ASTM E1226-19 (Standard Test Method for Explosibility of Dust Clouds)을 활용한 맞춤형 실험으로 진행하였다.
3.3 실험 설비
본 연구는 스위스의 Kühner사에서 제작된 MIKE-3 (Modified Hartmann apparatus)으로 측정하였으며, 이 장비의 제원은 Table 2에 나타냈다. 시험장치의 폭발용기는 1.2 L 용기의 강화유리 재질인 Hartmann식 튜브를 사용하고 있다. 튜브 하단에 두 전극사이의 스파크를 사용하여 착화되는 실린더 내부에서 시험 대상의 발화 발생 여부를 확인한다.
Financial Resources for Testing Equipment
또한, 본 영역에서는 보다 객관적이고 과학적인 안전 진단을 위해서 몇 가지 시험 연구를 진행하였다. 해당 시험들은 각각의 의미가 있으며 현장 위험성을 파악하는데 중요한 기준이 된다. 첫 번째로 지르코늄 합금 스크랩을 시험 후 스크랩에서 얻을 수 없는 미세 분말의 경우 순수 99%의 지르코늄으로 시험하여 결과를 얻었다. 각각의 시험에 대한 내용은 아래와 같다.
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(1) 지르코늄 합금 스크랩의 최소착화에너지
최소착화에너지(Minimum Ignition Energy)는 물질이 착화 될 수 있는 최소한의 에너지를 찾는 시험으로 고체, 액체, 기체에 대하여 시험을 할 수 있다(Fig. 1). 이는 물질이 외부 점화원(Unit: mJ)으로부터 착화되는 민감도를 알아볼 수 있으며 착화에너지가 작으면 작을수록 착화 민감도가 높기 때문에 위험도도 높다.
Photograph of the Minimum Ignition Energy (MIE) Test of Zirconium Alloy Scrap
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(2) 지르코늄 합금 스크랩의 열중량분석(Thermal Gravimetric Analysis) 시험
열중량분석이란 물질의 물리적 변수(physical parameter)를 온도의 함수로 나타내는 분석 방법이다. 즉 물질의 온도를 일정하게 변화시킴에 따라 나타나는 열적 특성 변화를 분석하는 것이다. 이 때 물리적 변수를 변화를 볼 것인가에 따라 여러 가지 방법들이 있으며 대표적인 방법들은 Table 2와 같다. 본 용역에서는 TGA 시험분석을 통해 온도 상승에 따른 스크랩의 중량 변화를 분석하여 착화 될 수 있는 온도 영역대를 제시하였다.
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(3) 지르코늄 분진의 폭발하한농도
국내에서는 분진의 크기를 500 μm으로 정의 내리고 있으며 지르코늄의 분진은 부유된 상태에서 열원이 가해지면 폭발을 일으킬 수 있다. 해당 시험을 통해 지르코늄 합금 스크랩이 발생될 시 생성되는 미세분진의 폭발가능 농도를 조사하여 우선적으로 해당 농도 이상의 분진이 발생되는 구간을 확인하여 국내법에 따라 폭발위험장소를 구분 지정한다. 이는 안전 대책을 도모하는데 활용한다.
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(4) 지르코늄 분진의 최소착화에너지
분진이 부유된 상태에서 얼마나 작은 에너지원에서도 착화 될 수 있는지를 알아볼 수 있는 시험으로 1차적으로 폭발에 대한 부분을 알아볼 수 있겠으나 지르코늄의 특성을 볼 때 퇴적된 상태에서의 미립의 분진의 착화에너지원을 예상한다.
상기 시험들은 지르코늄 합금 스크랩의 직간접적으로 영향을 줄 수 있는 시험 데이터들은 현장의 위험성을 파악하고 안전 개선을 도모하는데 활용이 될 수 있는 중요한 정보들이다.
4. 지르코늄 합금 스크랩의 최소착화 에너지
위험물질을 취급하거나 저장, 가공하는 공정에서의 화재 위험성을 조사하여 예방대책을 강구하는 있어서 최소착화에너지(Minimum ignition energy, MIE)에 대한 자료는 매우 중요하다. 최소착화에너지 값은 화재/폭발 등의 위험성 예방 수단의 범위와 비용을 결정하는데 사용할 수 있기 때문이다.
최소착화에너지는 대기상태에서 국부적인 에너지를 투입했을 때 해당 물질(고체, 가스, 액체 등)이 착화되는 최소에너지(MIE)로서 이것을 측정하는데 일반적으로 전기방전이 사용된다.
4.1 실험 설명
이 연구는 물질이 불연속의 스파크에서 어느 시점에서 점화되는지, 화염전파를 하는지를 결정하는 연구이다. 본 연구에서 측정된 MIE (Minimum Ignition Energy)자료는 정전기 등의 각종 착화원(Ignition sources)에 의한 화재/폭발 위험성을 나타내는 지표로 활용될 수 있으며, 폭발방지를 위해 적절한 안전 대책 수립과 방호장치 선택에 필요한 데이터를 제공하여 준다. 보통 본 시험은 실험장비에서 방출되는 여러 ‘착화에너지’를 활용하여 지르코늄 합금 스크랩의 ‘착화민감도’를 알아보는 시험으로 진행하였다.
4.2 실험 설비
본 연구에서는 스위스의 Kühner사에서 제작된 MIKE-3 (Modified Hartmann apparatus)으로 측정하였으며, 이 장비의 제원은 Table 2에 나타냈다. 시험장치의 폭발용기는 1.2 L 용기의 강화유리 재질인 Hartmann식 튜브를 사용하고 있다. 튜브 하단에 두 전극사이의 스파크를 사용하여 착화되는 실린더 내부에서 시험 대상의 발화 발생 여부를 확인한다.
5. MIKE-3 실험 장비 제원
5.1 실험장비 제원
Mike-3 시험 장비 사진은 Fig. 2, 제원은 Table 2와 같다.
Photograph of the Minimum Ignition Energy (MIE) Test of Zirconium Alloy Scrap
Fig. 3은 최소착화에너지(Minimum Ignition Energy, MIE) 시험 설비인 MIKE 3는 분진의 착화 위험성을 평가하기 위한 전문 시험 장비이다. 이 장비는 분진폭발 위험성 평가에 있어 핵심적인 역할을 수행한다. 본 연구에서는 이 장비를 사용하여 지르코늄 합금 스크랩 화재 안전성에 대해 실험을 진행했다.
Minimum Ignition Energy (MIE) Test Facility – MIKE3
6. 지르코늄 분말의 폭발하한농도(Minimum Explosible Concentration, MEC)
폭발하한농도(Minimum Explosible Concentration, MEC)는 지정된 시험 조건 하에서 공기 중의 분진이 균일한 혼합물을 통해 화염을 전파할 수 있는 가연성 먼지의 최소 농도를 결정하기 위해 수행한다.
6.1 국제 시험 규격 명
ASTM E1515 (“Standard Test Method for Minimum Explosible Concentration of Combustible Dusts”)
폭발하한농도(MEC)의 측정은 20 L의 크기를 갖는 구형 분진 폭발시험장치(20 L Siwek Chamber)를 사용하여 국제시험규격(ASTM E1515)에 따라 실시하였다. 시험할 분진(82 μm, 0.4 wt.%)을 분진 저장 컨테이너에 넣고 21 bar로 가압한다.
분진 컨테이너의 밸브를 열어 20 L 챔버로 방출되고 분진-공기 혼합기가 폭발용기 내부에 부유 분산되도록 한 다음에 시간 지연(Time Delay)을 두고 2.5 kJ의 착화에너지를 갖는 화학점화기(Chemical ignitor) 2개로 점화시킨다. 분진-공기 혼합물의 폭발에 따른 압력 파형을 관찰한다. 분진농도는 100 g/m3부터 시작하였으며, 시험결과 착화가 발생하면 분진 농도를 감소시키며 시험을 반복한다.
7. 위험성 평가 방법
본 위험성 평가를 산업안전보건법 제 36조(위험성평가)에 따라 위험 요소를 평가하고 근로자에 대한 위험 또는 건강장해를 방지하기 위하여 필요한 경우에는 추가적인 조치를 실시하기 위함이다. 가장 많이 사용되는 위험성 평가법으로는 빈도와 강도에 따라 위험도를 결정하는 방식이며 위험도는 문제점 및 위험요소 발생 가능성의 크기에 따라 평가를 진행한다.
위험성 평가는 작업장 내 모든 공정과 작업활동을 세분화하고, 각 단계마다 존재할 수 있는 위험요소를 식별하는 것으로 시작한다.. 식별된 위험요소에 대해서는 각각 사고의 발생 빈도(얼마나 자주 발생할 수 있는지)와 강도(사고 발생 시 피해의 심각성)를 수치화하여 평가하게 된다. 통상적으로 위험도는 빈도와 강도의 곱으로 산출하며, 이를 근거로 위험도를 저위험, 중위험, 고위험 등급으로 분류한다. 위험도가 허용 기준을 초과할 경우에는 그 위험을 줄이기 위한 예방대책을 도출하여 현장에 적용한다. 이때의 예방대책은 공학적 제어, 관리적 조치, 개인 보호구 착용 등이 있다(Park, 2020).
이러한 위험성 평가 결과와 조치 내용은 반드시 문서화하여 관리하며, 정기적으로 재평가를 통해 현장 변화나 추가 위험요소 반영이 이루어져야 한다. 산업안전보건공단의 평가도구는 이러한 절차가 체계적으로 이루어질 수 있도록 구성되어 있으며, 단계별 위험요소 식별, 평가, 개선조치 등의 모든 과정을 사업장 실정에 맞게 적용할 수 있도록 설계되어 있다1). 이러한 평가 과정은 현장 내 잠재적 위험요소를 파악하고 효과적으로 관리하기 위한 위험성 평가의 핵심적인 절차다.
본 연구에서는 ‘산업안전보건공단’에서 권장하는 평가도구를 활용하여 각 위험 구역별 평가를 진행하였다. 또한, 본 연구에서는 KNF에서 발생되는 지르코늄 합금 스크랩의 폭발위험성에 따른 폭발위험장소가 있는지 조사하였다. 폭발위험장소는 가스 또는 분진에 의한 폭발위험장소를 구분하는데 KNF 발생되는 스크랩에 의한 가스 폭발에 대한 위험성은 매우 낮음으로 분진에 의한 폭발에 대한 부분을 검토하였다. 국내 규정의 산업안전보건기준에 관한 규칙 제 230조에 따라 폭발 위험이 있는 장소에 대해서는 폭발위험장소로 구분하였으며, 하기는 해당 관련 법률 조항을 기입하였다.
8. 시험결과 분석
지르코늄 합금 스크랩 5종에 대한 발화 반응을 확인하여 보았다. 일반적인 상황에서는 지르코늄은 공기 중에서 얇은 산화막을 형성하여 산화에 대한 저항성을 갖는 것으로 알려져 있다. 이 산화막은 지르코늄을 보호하지만, 고온의 환경에서는 이러한 보호 효과가 감소한다. 특히, 지르코늄은 1,000 ℃ 이상의 고온에서 수증기와 반응하여 지르코늄 산화물(ZrO2)과 수소를 생성한다. 본 용역에서는 일반적인 지르코늄 산화(Zr + 2O2 → 2ZrO2)를 기초로 각 종류 스크랩에 점화원을 주입하여 발화되는 모습을 관찰하였다. 먼저 각각의 스크랩이 발화되는 모습을 육안으로 관찰하고 또한 발화가 잘 되는 스크랩을 선택하여 시험을 통해 위험성을 관찰했다.
스크랩의 발화 관찰을 위한 다음과 같은 절차로 진행하였다. 먼저 전자 저울로 착화 시킬 시료의 무게를 측정 후 산소 용접기 불(약 1,500 ℃)을 이용하여 3초간 열을 가하여 발화되는 것을 관찰하였다. 이후 발화 과정을 마친 스크랩을 다시 전자 저울로 무게를 측정하였다.
먼저 가장 굵은 원통(16 g)의 스크랩에 열을 가했을 때 붉게 열이 오르다 다시 줄어드는 현상을 발견했다. 본 스크랩은 발화가 되지 않는 것으로 관찰되었고 시험 전후의 무게도 동일(16 g)으로 동일하였다. 두 번째로 얇은 원통형 스크랩(14 g)으로 열을 가했을 때 굵은 원통형 스크랩과 마찬가지로 붉게 열이 오르다 다시 줄어드는 현상이 나타났다. 얇은 원통형 스크랩 또한 발화가 되지 않았고 시험 전후의 무게도 동일(14 g)으로 동일하였다.
다음으로 철수세미형 스크랩(15 g)으로 열을 가했을 때 발화가 잘되는 것으로 목격되었고 시험 전후의 무게를 비교했을 때 15 g에서 17 g으로 다소 증가되는 것으로 측정되어 되었다. 이는 스크랩이 산화 시 산소와 반응하며 산화물로 인해 전체 질량이 증가된 것으로 보인다. 돼지꼬리형 스크랩(15 g)으로 열을 가했을 때 발화가 잘되는 것으로 나타났으며, 수세미형 보다는 천천히 발화가 되었다.
한편, 시험 전후의 무게를 비교했을 때 다소 차이가 없는 것으로 측정되었다. 이는 산화 시 표면적이 큰 철수세미형에 비해서 표면적이 작고 공기가 잘 닿지 않는 구간은 발화가 덜 된 것으로 볼 때 질량 변화에 크게 영향을 주진 못한 것으로 판단된다. 그러나 많은 양으로 시험을 했을 시 그 결과는 다를 것으로 예측된다. 칩형의 스크랩(15 g)에 열을 가했을 때 큰 스크랩들과 동일하게 붉게 열이 오르다 다시 줄어드는 현상이 나타났으며, 본 스크랩은 발화가 되지 않는 것으로 관찰되었고 시험 전후의 무게도 동일(15 g)하였다.
분칩형의 스크랩(15 g)에 열을 가했을 때 빠르게 연소하는 현상이 나타났다. 이는 입자가 작은 고체일수록 빠르게 탈 수 있는 성질을 가지기 때문에 분칩형 스크랩이 작은 입자를 갖고 있다는 것 또한 동물성 유지와 함께 섞여 있음으로 빠르게 화염 전파가 이루어 지는 것으로 판단된다. 또한, 발화 후의 스크랩 전후의 무게도 15 g에서 11 g으로 다소 많이 줄었으며 입자 대부분이 산화된 것으로 보인다. 시험 후 스크랩 무게가 줄어든 이유는 동물성 유지가 산화되면서 기화되었기 때문인 것으로 판단되며, 번외로 본 스크랩은 라이터 부싯돌에도 착화가 되었다.
9. 지르코늄 합금 스크랩의 산화 시 물과의 반응성
순수 지르코늄의 산화 시 물반응성을 기초로 KNF에서 발생되는 지르코늄 합금스크랩으로 산화 시 물과의 반응을 관찰했다. 발화반응이 잘되는 수세미형 스크랩을 발화시킨 후 해당 스크랩에 주수(Fire stream)하여 발열반응이 나타났다. 이때 일반적인 발화반응과 비교하여 더 큰 반응열을 일으켰고 더 빠르게 산화되는 것으로 나타났다.
9.1 지르코늄 합금 스크랩(수세미형) 발화 시험
일반적인 지르코늄 합금 스크랩(수세미형)을 연소했을 시 최고 온도는 약 2,012 ℃로 기록되었다(Figs. 4~7 참조). 열화상 온도 Fig. 8에서 온도 붉고 노란색은 지르코늄 합금 스크랩 연소 시 철판을 달군 부분임으로 무시해도 되는 데이터이다.
Peak Temperature (2,012.0 ℃)
Time of Complete Combustion (119 Seconds after Ignition)
Peak Temperature (1,959.3 ℃)
Time of Complete Combustion (30.67 Seconds after Ignition)
Thermal Image Temperature Image
지르코늄 합금 스크랩(수세미형) 연소 시 주수(Fire Stream)를 실시하였을 때 발화 온도가 상승되며 빠르게 연소되는 것을 확인했다. 하기 사진은 해당 시험에 대한 진행 과정을 확인했다.
본 연구의 시험 결과 지르코늄 합금 스크랩 연소 중 최고 온도는 1,831.3 ℃로 나타났으며, 물을 투입했을 시 1,959.3 ℃로 온도가 상승되었다. 이로써 지르코늄 합금 스크랩 연소 중 물 반응성이 있다는 것을 알 수 있다. 하지만 지르코늄 합금 스크랩이 연소 시 물반응성이 있다 할지라도 KNF에서 발생되는 지르코늄 합금 스크랩은 큰 연소 반응을 일으킬 만한 충분한 양을 보관되어 있지 않다. 이에 물 반응에 의한 수소 발생과 수소로부터의 화재폭발 위험성은 매우 낮을 것으로 예상되지만 연소 시 물과의 접촉으로 인해 더 큰 피해를 예방할 필요성은 있을 것으로 예상된다.
10. 지르코늄 합금 스크랩의 위험성 평가분석
현장에서 발생되는 지르코늄 합금 스크랩에 대한 위험성 평가는 하기와 같이 조사되었고 이를 Table 3과 같이 정리하였다.
Summary of Risk Assessment for Zirconium Alloy Scrap
11. 결론 및 제언
본 연구는 지르코늄 합금 스크랩의 화재 안전성을 평가하기 위해 ASTM E1226-19 규격을 기반으로 한 맞춤형 시험을 수행하였다. Kühner사의 MIKE-3 장비를 활용하여 최소착화에너지(MIE) 측정 실험을 진행했으며, 다양한 형태의 스크랩에 대한 발화 특성을 분석하였다. 연구 결과, 5가지 종류의 지르코늄 합금 스크랩(철수세미형, 돼지꼬리형, 원통형, 칩형, 분칩형) 중 철수세미형과 돼지꼬리형이 가장 높은 발화 위험성을 보였다. 특히 철수세미형 스크랩의 경우, 발화 후 무게가 15 g에서 17 g으로 증가하는 현상이 관찰되었는데, 이는 산화 과정에서 산소와의 반응으로 인한 것으로 분석되었다.
또한, 최소착화에너지(MIE) 측정 결과, 지르코늄 합금 스크랩의 MIE는 2.1 mJ로 확인되었다. 이는 인체에서 발생할 수 있는 정전기 방전 에너지(약 30 mJ)보다 낮은 수치로, 일상적인 정전기만으로도 발화가 가능함을 시사한다. 또한, 물과의 반응성 실험에서는 발화 온도가 1,831.3 ℃에서 1,959.3 ℃로 상승하는 것이 관찰되었으며, 연소 속도도 현저히 증가하는 것으로 나타났다.
지르코늄 합금 스크랩은 물과의 반응성이 매우 커서, 실제로 물과 접촉할 경우 연소 속도가 빨라지고 온도가 급격히 상승하는 현상이 관찰된다. 이러한 특성 때문에 기존의 침윤소화약제나 물을 기반으로 한 소화 방법은 화재 진압에 적합하지 않을 뿐만 아니라, 오히려 화재를 확산시키고 2차 사고를 유발할 위험이 있다. 따라서 지르코늄 합금 스크랩 화재에 대해서는 물을 이용한 소화 방식을 적용해서는 안 된다.
이러한 연구 결과를 바탕으로 지르코늄 합금 스크랩이 발생할 수 있는 산업 현장에서는 비수계(非水系) 소화시스템을 도입해야 한다. 구체적으로, 금속 화재 전용 건식 소화약제(예를 들어 드라이파우더나 금속계 분말 소화약제)를 준비⋅비치하여 신속히 대응할 수 있도록 하고, 저장 및 취급 구역에는 사람이 직접 초기 진화를 하지 못하는 경우 자동으로 작동할 수 있는 건식 분말 또는 불활성 가스계(예를 들어 아르곤, 질소 등) 자동 소화장치를 설치하는 것이 필요하다. 아울러, 감지 센서와 연동된 시스템으로 온도 이상 상승이나 연기, 화학 반응 징후를 즉시 포착하여 소화장치가 자동으로 작동할 수 있도록 해야 한다.
또한, 스크랩 보관 장소는 필히 건조한 환경을 유지하고, 습기나 물이 외부로부터 유입되지 않도록 밀폐⋅차단 조치를 강화해야 한다. 이를 위해 실내 저장소의 기밀성을 점검하고, 우천 시 습기 차단용 커버의 활용, 바닥 및 저장 용기의 배수와 환기 관리 등도 병행해야만 한다. 작업자 교육 또한 필수적으로 이루어져야 하며, 금속 분진, 스크랩 취급 시 절대 물을 사용하지 않도록 반복 안내하고, 화재 초기 대응 절차와 지정된 안전장비 사용법에 대한 실습을 정기적으로 실시해야 한다.
지르코늄 합금 스크랩의 화재 위험성 평가와 실험 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 실제 현장에 적용 가능한 구체적인 지침과 정책적 시사점을 다음과 같이 제언할 수 있다.
첫째, 스크랩을 취급⋅보관하는 모든 산업 현장에서는 반드시 비수계(非水系) 소화 시스템을 기본적으로 갖추어야 한다. 금속 화재 특성상 기존의 물이나 일반 소화약제는 오히려 연소 속도를 높이고 2차 사고를 유발할 수 있으므로, 금속 전용 건식 분말 소화약제(예: 드라이파우더, 금속계 분말 등)를 비치하고, 저장용기와 작업장 내에는 자동화된 불활성 가스계(아르곤, 질소 등) 소화장치 도입을 의무화하는 정책이 요구된다.
둘째, 작업장 내 위험요소 모니터링과 자동경보 체계를 강화해야 한다. 온도, 연기, 정전기 발생 등 화재 징후를 실시간 감지할 수 있는 센서와 IoT 기반 중앙 감시 시스템을 도입해, 이상 신호 발생 시 즉시 소화장치가 동작하고 긴급조치가 이뤄질 수 있도록 한다.
셋째, 지르코늄 스크랩의 취급⋅보관 표준화가 현장마다 통일되도록 국가적 가이드라인을 마련해야 한다. 스크랩 저장소는 외부 습기 및 물이 절대 유입되지 않도록 밀폐하고, 바닥과 용기에는 배수 및 환기 시스템을 갖추어야 하며, 정기적으로 점검⋅보수 작업이 이뤄져야 한다. 관련 기준을 안전관리 규정에 명확히 반영하고 관리주체별 책임 범위를 세분화해야 한다.
넷째, 현장에서 일하는 작업자에 대한 안전교육 및 훈련을 정기적으로 실시해야 한다. 지르코늄 화재의 특성과 유해성, 취급 시 지켜야 할 안전수칙, 실제 비상상황에서 초동조치 방법(예: 침착한 분말 소화 방식 사용, 물 사용의 금지 등)을 반복적으로 교육하고 실습해, 사고 발생 시 신속하고 정확한 초동 대응이 가능하도록 한다. 다섯째, 정부 및 관계 기관에서는 지르코늄 등 금속 스크랩 취급 사업장에 대한 정기적 위험성 평가와 점검을 의무화해야 하며, 평가 결과에 따라 미흡한 사업장에는 시정명령⋅과태료 등 실질적 법적조치를 병행할 필요가 있다. 동시에 신규 사업장 인허가 단계에서부터 스크랩 화재 예방설비의 구축을 사전 요건으로 명시함으로써, 제도적으로 안전관리가 시작부터 내재화되도록 해야 한다.
마지막으로, 화재사고 발생 시 환경오염과 2차 피해 최소화를 위해 신속한 현장 대응 매뉴얼과 전문 소방팀과의 연계체계를 구축해야 한다. 관련 법령⋅지침 개정, 정보 공유 시스템 마련 등도 함께 이루어져야 하며, 정책적 과제로서 각종 금속 화재의 특수성에 부합하는 표준화된 관리 방식의 국가 차원 도입을 촉진할 필요가 있다. 이와 같은 구체적이고 실효성 있는 지침과 정책 마련을 통해서만이 지르코늄 합금 스크랩 화재에 대한 근본적 예방과 산업 현장 안전의 실질적 향상을 도모할 수 있을 것이다.
References
Notes
한국산업안전보건공단