1. 서 론
금속화재(D급화재)는 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 칼륨(K) 등 반응성이 높은 가연성 금속에서 발생하는 화재로, 일반 가연물 화재와 달리 매우 높은 연소온도를 형성하는 특성이 있다. 또한 이러한 금속은 물 또는 수계 소화약제와 반응하여 수소를 발생시키며, 이 과정에서 폭발적 연소 확대가 발생할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 금속화재는 일반적인 수계 소화설비나 분말 소화약제를 적용하기 어렵다는 점에서 대응에 큰 제약이 따른다(1).
금속화재의 위험성을 고려하여 국제적으로 다양한 안전기준과 시험방법이 제시되고 있다. NFPA 484에서는 가연성 금속의 저장⋅가공⋅취급 과정에서 발생할 수 있는 화재 위험성과 대응 전략을 제시하고 있으며, UL 711 및 ISO 7165에서는 금속화재용 소화기의 성능을 평가하기 위한 시험방법을 규정하고 있다(2,3). 특히 ISO 7165에서는 금속화재 시험을 금속 칩 또는 선반가공 부산물 화재(metal chip or turning fires), 금속 분말 또는 분진 화재(metal powder or dust fires), 얕은 액체 금속 화재(shallow liquid metal fires), 주조 공정 모사 화재(simulated casting fire) 등으로 구분하여 시험 절차를 제시하고 있다.
국내에서도 금속화재 대응과 관련된 연구가 수행되어 왔다. 금속화재 소화기의 소화성능 검증을 위한 시험방법 도입 연구에서는 ISO 7165 기반 시험절차의 국내 적용 가능성을 검토하였으며(4), 금속화재의 문제점과 안전대책 분석 연구에서는 금속화재 분류 기준의 미비와 안전대책 부족 등의 문제점을 제시하였다(5). 또한 국내 금속화재 사례 분석 연구에서는 산업단지 및 재활용 시설에서 발생한 금속화재의 특성과 대응상의 어려움을 분석하고, 금속화재 전용 소화약제 및 대응체계 마련의 필요성을 강조하였다(6).
또한, 금속 분진의 폭발특성에 관한 연구에서는 Mg, Al 및 Mg-Al 합금 분진의 폭발압력과 폭발하한계를 실험적으로 규명하여 금속 성분에 따른 연소 및 폭발 위험성 차이를 제시하였다(7). 이러한 연구는 금속의 반응성과 위험성을 이해하는 데 중요한 기초자료를 제공하지만, 실제 화재 진압 단계에서 적용 가능한 소화약제 및 간이소화용구의 성능을 비교⋅평가한 연구는 상대적으로 제한적인 실정이다.
한편 ISO 7165 시험방법을 준용하여 마른모래, 염화나트륨, 그라파이트, 구리분말, 탄산나트륨 등의 소화 효과성을 분석한 연구가 수행된 바 있다(8). 그러나 해당 연구는 국내 D급 화재용 소화기의 소화성능시험이 도입되기 이전에 수행된 것으로 시험체 형상이 원형으로 구성되어 있으며, 국내 ｢소화기구 및 자동소화장치의 화재안전기술기준(NFTC 101)｣ 및 금속화재 대응 표준작전절차(SOP 221)에서 대응 간이소화용구로 제시하고 있는 마른모래, 팽창질석 및 팽창진주암 등 간이소화용구의 열 억제 성능을 동일 조건에서 정량적으로 분석한 체계적인 비교 연구는 상대적으로 제한적이다(9,10).
최근에는 실제 금속폐기물을 대상으로 소화 효과성과 가스 유해성을 분석한 연구도 보고되었다. 해당 연구에서는 팽창질석 및 침윤소화약제의 적용 가능성을 실험적으로 검토하고, 약제 적용에 따른 냉각 특성과 가스 발생 특성을 분석하였다(11). 그러나 이러한 연구는 특정 소화약제의 효과성 평가에 초점이 맞추어져 있어, 국내에서 권고되는 여러 간이소화용구 간의 열 억제 성능을 동일 조건에서 비교⋅분석한 연구는 제한적인 실정이다.
이에 본 연구에서는 마그네슘 합금칩을 이용하여 금속화재를 재현하고, 국내에서 사용되는 대표적 간이소화용구인 마른모래, 규사류, 팽창질석 및 팽창진주암을 대상으로 시간에 따른 온도 곡선 기반의 냉각특성을 비교⋅분석하였다. 본 연구의 목적은 간이소화용구의 종류에 따른 열 억제 성능 차이를 정량적으로 규명하고, 금속화재 대응 시 재료 선택을 위한 기초자료를 제공하는 데 있다.
2. 실험방법
2.1 실험개요
본 연구는 금속화재 대응에 사용되는 간이소화용구의 종류에 따른 냉각특성을 정량적으로 비교하기 위해 수행되었다. 실험 설계는 ISO 7165에서 제시하는 Class D 화재 시험 절차를 기본 틀로 하였으며, 2024년에 제정된 ｢소화기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣의 D급 화재용 소화기의 소화성능시험을 참고하여 국내 적용 조건에 맞게 재구성하였다.
ISO 7165에서는 금속화재 시험을 4가지로 구분하여 시험 절차를 제시하고 있다. 본 연구에서는 실제 산업 현장에서 발생하는 금속 가공 부산물 형태를 고려하여 마그네슘 합금칩을 시험 가연물로 사용하였다. 시험체는 일정 질량의 마그네슘 합금칩을 적재하여 구성하였으며, 외부 열원을 이용하여 점화를 수행하였다. 이후 연소가 진행되어 시험체의 연소 표면적이 일정 수준 이상 형성된 상태에서 간이소화용구를 투입하여 냉각특성을 평가하였다. 이러한 시험 절차는 국내 D급 화재용 소화기의 소화성능시험에서 제시하는 연소 표면적 기준(50%)을 고려하여 설계되었다.
실험의 주요 변수는 ｢소화기구 및 자동소화장치의 화재안전기술기준(NFTC 101)｣에서 제시하고 있는 금속화재용 간이소화용구를 참고하여 설정하였다. 비교 대상은 마른모래, 규사류, 팽창질석 및 팽창진주암 4종으로 선정하였으며, 각 재료는 동일 부피 조건에서 적용하였다. 또한 간이소화용구의 투입 시점과 투입 방법을 동일하게 유지하여 종류 외의 실험 조건이 결과에 미치는 영향을 최소화하였다. 시험체 내부의 열적 거동을 정밀하게 분석하기 위하여 총 9개의 열전대를 시험체 심부에 설치하였다. 모든 온도 데이터는 데이터로거를 통해 1 s 간격으로 연속 기록되었으며, 이를 통해 고온 구간에서의 급격한 온도 변화와 소화 이후 냉각 과정의 세부 거동을 분석하였다.
수집된 시간-온도 데이터는 반복 실험 결과를 기반으로 평균값과 표준편차를 산출하였다. 또한 온도 변화를 정량적으로 비교하기 위해 초기 냉각성(initial cooling performance), 지속냉각성(sustained cooling performance), 안정성 및 재상승 억제성(stability and rebound suppression)을 도출하였다. 실험 종료 조건은 마른모래를 기준으로 소화 이후 시험체 온도가 주변 온도에 근접하고 추가적인 재발화 징후가 관찰되지 않는 시점으로 설정하였다. 이러한 기준은 형식승인 시험에서 요구하는 재점화 방지 개념을 고려하여 설정하였다. 본 실험은 동일 화재 조건 하에서 간이소화용구의 종류만을 변수로 설정함으로써 재료 물성 차이에 따른 열 차단 및 냉각특성의 차이를 체계적으로 비교할 수 있도록 설계하였다.
2.2 실험구성
본 실험은 금속화재 상황을 재현하기 위하여 ISO 7165와 국내 D급 화재용 소화기의 소화성능시험을 참고하여 내열 강판 위에 시험체를 적재하는 구조로 구성하였다. Figure 1과 같이, 시험체는 강재 프레임(bed of the metal fuel)을 설치하여 마그네슘 합금칩을 일정 형상으로 균일하게 적재하여 구성하였으며, 연소 과정 시 강재 프레임에 의한 영향을 최소화하기 위하여 적재 완료된 이후 프레임을 제거하였다. 시험체의 바닥 면적은 프레임의 바닥 면적과 동일하게 600 mm × 600 mm로 유지하였다. 시험체는 두께 5 mm의 강판(steel baseplate) 위에 설치하였으며, 강판 하부에는 단열 지지 구조를 배치하여 하부 방향으로의 열손실을 최소화하였다. 모든 실험은 실내 환경에서 수행되었으며, 실험 당시 실내 평균 온도는 20 ± 2 ℃ 범위로 유지하였다. 또한, 실험 공간의 출입문을 폐쇄한 실내 환경에서 수행함으로써 ISO7165 및 ｢소화기의 형식승인 및 제품검사의 기술기준｣에서 규정하는 무풍상태(≤ 0.5 m/s)의 시험 조건을 만족하도록 하였다.
2.2.1 점화 장치
2.2.2 온도 계측 시스템
온도 계측에는 고온의 금속화재 환경에서의 계측 정확도를 향상하기 위하여 주문제작한 K-type (chromel-alumel, CA) 열전대를 사용하였다. 열전대 광섬유 선경(fiber optic line diameter)은 0.6 mm, 보호관 재질은 SUS304, 보호관 길이는 실험체를 고려하여 1 m로 제작하였다. Figure 4(a)와 같이, 열전대는 시험체 심부에 총 9개를 설치하였으며, 수직 방향을 기준으로 상부(top), 중부(middle), 하부(bottom)에 각각 3지점씩 균등하게 배치하였다. 각 열전대는 Figure 4(b)의 별도 제작한 틀을 사용하여 시험체 중심을 기준으로 대칭 위치에 삽입하였으며, 시험체 내부의 공간적 온도 분포를 측정할 수 있도록 구성하였다. 온도 데이터는 다채널 데이터로거(GRAPHTEC, GL840)를 이용하여 1 s 간격으로 연속 기록하였다. 실험 전 교정 절차를 수행하여 계측 신뢰성을 확보하였으며, 최고 온도 도달 시점과 냉각 직후 발생하는 급격한 온도 변화 구간을 정밀하게 분석할 수 있도록 하였다.
2.3 실험조건
본 실험의 주요 조건은 Table 1에 정리하였다. 시험체는 마그네슘 합금칩(AZ91D)을 사용하였으며(12), 총 질량 6.0 ± 0.1 kg을 600 mm × 600 mm 면적으로 균일하게 적재하여 구성하였다. 사용된 마그네슘 합금칩은 길이 10∼25 mm, 폭 6∼13 mm 범위의 형상을 갖는 가공 부산물로, 국내 D급 화재용 소화기의 소화성능시험 기준을 고려하여 선정하였다. 간이소화용구는 마른모래(dry sand), 규사(silica sand), 팽창질석(expanded vermiculite) 및 팽창진주암(expanded perlite)의 총 4종을 대상으로 하였다(13-16). 각 간이소화용구는 동일 부피 조건(13.6 L)으로 준비하였으며, 각 간이소화용구에 대한 물성값은 일반적인 문헌상 보고값으로, 본 연구에서 사용된 간이소화용구의 밀도 및 다공성 구조에 따른 냉각특성 차이에 대한 정량적인 결과를 제공하기 위해 제시하였다. 다만 실제 시험에 사용된 개별 제품의 비열, 함수율, 입도분포, 피복층 두께는 본 연구에서 별도로 측정하지 않았다. 실험은 실내 환경에서 수행하였으며 실험 공간은 약 10 m × 10 m × 5 m 규모로 유지하였다. 실험 당시 실내 온도는 20 ± 2 ℃ 범위로 외부 기류의 영향을 최소화하기 위하여 풍속은 0.5 m/s 이하 조건으로 통제하였다. 온도 측정은 K-type 열전대를 이용하여 수행하였으며, 시험체 심부에 설치된 총 9개의 열전대에서 데이터를 수집하였다. 온도 데이터는 데이터로거를 통해 1 s 간격으로 기록되었으며, 분석 시에는 9개 측정지점의 평균값을 사용하였다. 각 조건에 대하여 일반적으로 유통되는 3∼4개 상업 등급을 대상으로 실험을 수행하였으며, 각 등급별 측정값은 3회 반복실험의 평균값으로 산출하였다. 규사(n = 4등급), 팽창질석(n = 4등급), 팽창진주암(n = 3등급)에 대해서는 등급 간 성능 편차를 포함한 기술통계 및 간이소화용구 간 유의성 검정을 수행하였다. 실험 데이터는 간이소화용구 투입 이후 14400 s (4 h)까지의 온도 변화를 기준으로 분석하였다.
Table 1
Experimental Conditions
| Category | Item | Condition | ||
|---|---|---|---|---|
| Environment | Space | Indoor Environment (10 m × 10 m × 5 m) | ||
| Temperature | Ambient Temperature (20 ± 2 ℃) | |||
| Wind Speed | Negligible Air Flow (≤ 0.5 m/s) | |||
| Portable Agents for Metal Fire | Type | Dry Sand, Silica Sand, Expanded Vermiculite, Expanded Perlite | ||
| Properties | Type | Bulk Density (kg/m3) | Thermal Conductivity (W/m⋅K) | |
| Dry Sand, Silica Sand(13) | Approx. 1,400-1,600 | approx. 0.15-0.35 (dry condition) | ||
| Expanded Vermiculite(14,15) | Approx. 80-150 | approx. 0.04-0.07 | ||
| Expanded Perlite(14,16) | Approx. 40-190 | approx. 0.04-0.07 | ||
| Volume | 13.6 L | |||
| Experimental Apparatus | Bed of the Metal Fuel | 600 mm × 600 mm × 300 mm | ||
| Steel Baseplate | 1 m × 1 m × 5 mm | |||
| Thermocouple Tree | 1 m × 1 m (Distance: 200 mm) | |||
| Thermocouple Type | K-Type With Stainless Steel (Measuring Range: -200~1260 ℃) | |||
| Metal Fuel | Type | Metal Chip (AZ91D)(11) | ||
| Size | (L) 10~25 mm, (W) 6~13 mm, (D) ≤ 0.3 mm | |||
| Weight | 6.0 ± 0.1 kg | |||
| Measurement Condition | Parameter | Temperature | ||
| Time | 14400 s | |||
3. 실험결과
본 장에서는 마그네슘 합금칩을 대상으로 수행한 금속화재 실험의 시간에 따른 온도 변화를 분석하였다. 간이소화용구로는 모래류(마른모래, 규사류), 팽창질석, 팽창진주암을 적용하였으며, 각 조건에 대해 3회의 반복실험을 수행하였다. 시험체 심부 상부, 중심, 하부에 열전대(K-type) 9개를 설치하여 측정값의 평균으로 결과를 산출하였고 표준편차를 그래프에 함께 제시하였다.
3.1 초기냉각성
초기냉각성은 금속화재 발생 직후 고온 상태의 연소 표면으로부터 열을 얼마나 빠르게 제거할 수 있는지를 의미하며, 금속화재 대응에서 가장 중요한 성능 요소 중 하나이다. 특히 마그네슘 합금 화재는 높은 연소온도와 지속적인 산화반응 특성을 가지므로, 간이소화용구 투입 직후의 급격한 온도 저감 능력이 재연소 및 연소 확산 억제에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 간이소화용구의 투입 시점을 기준으로 0~1 h 구간의 평균온도 감소량, 누적 하강률, 평균 냉각속도를 이용하여 초기냉각성을 평가하였다. 각 간이소화용구에 따른 분석 결과는 Table 2에 나타내었다. 이때, 간이소화용구 약제 종류별 정량적인 비교를 위하여 누적 하강률(cumulative reduction rate, CRR)을 도출하였으며, 해당 지수는 식(1)에 따라 계산하였다.
Table 2
Initial Cooling Characteristics (0∼1 h)
이때, CRR은 누적 하강률을 나타내고 있으며 T₀는 간이소화용구 투입 시점의 평균온도를, Tt는 특정 시간(t)에서의 평균온도를 의미한다. 초기냉각성의 경우 Tt는 초기 60 min (3,600 s)을 의미한다. 또한, CRR은 절대량 비교가 아닌, 동일 시험 내에서 투입 시점(T₀) 대비 시간 경과에 따른 온도 감소의 상대 변화율을 정량화한 지표로, 약제 간 상대 성능 비교를 목적으로 한다. 이는 ISO 9705 등 화재 시험 표준에서 사용되는 온도 감소율 지표와 동일한 개념이다. 절대적인 온도감소량 및 냉각시간 정보는 Table 2의 temperature reduction 및 average cooling rate 항목으로 병기하여 제시하였다.
Figure 5에 각 간이소화용구별 시간에 따른 온도 변화 그래프를 나타내었다. 또한 간이소화용구 종류별 CRR 및 재상승률의 등급 간 평균과 표준편차를 Table 3에 나타내었다. 마른모래는 모든 약제 중 가장 높은 초기 냉각성능을 나타냈다. 간이소화용구 투입 직후 평균온도는 296.8 ℃에서 1 h 경과 후 142.3 ℃까지 감소하였으며, 총 154.5 ℃의 온도 감소가 발생하였다. 누적 하강률은 52.0%로, 동일 조건에서 타 간이소화용구 대비 가장 높은 수준이었다. Figure 5(a)에서와 같이 간이소화용구 투입 직후 상부, 중부, 하부 영역 모두에서 온도가 동시에 감소하는 경향이 나타났으며, 이를 통해 국부 냉각이 아닌 전체 금속칩 부분에 대한 균일한 냉각 효과가 형성되었음을 확인할 수 있다.
Table 3
Mean and Standard Deviation of CRR and Rebound Rate Across Commercial Grades of Each Suppression Agent
규사는 마른모래와 동일하게 점화 이후 온도가 지속적으로 상승하였으며, 시험체 표면에 연소가 진행된 시점인 약 1,740 s에 간이소화용구를 투입하였다. 규사 투입 직후부터 시간이 경과함에 따라 온도가 안정적으로 하강하는 경향이 나타났으나, 마른모래 대비 표준편차의 간격이 넓어 투입 방식에 따라 온도 하강 정도에 차이가 존재함을 확인하였다. 평균온도는 초기 331.3 ℃에서 1 h 경과 후 181.4 ℃까지 감소하였으며, 누적 하강률은 45.3%로 산정되었다. 이는 마른모래 대비 약 87.1% 수준으로, 규사 또한 유효한 초기냉각 성능을 보유하고 있음을 시사한다. 다만 규사의 경우에도 온도 감소 경향 자체는 안정적으로 유지되었으며, 급격한 재상승은 관찰되지 않았다.
팽창질석은 약 1,935 s에 간이소화용구를 투입하였다. 간이소화용구 투입 후 약 5,000 s까지는 온도가 일부 하강하는 경향이 나타났으나, 이후 온도가 재상승하거나 시간이 경과하여도 시험체 심부의 온도가 회복되지 않음을 확인하였다. 간이소화용구 투입 이후 평균온도는 296.1 ℃에서 367.6 ℃까지 상승하였으며, 누적 하강률은 -24.1%로 산정되었다. 이는 냉각이 아닌 열 축적 현상이 우세하게 발생하였음을 의미한다. 이러한 결과는 팽창질석의 경우 다공성 구조와 낮은 밀도로 인해 우수한 단열 특성을 가지지만, 이러한 특성이 금속화재에서는 오히려 내부 축열을 유도한 것으로 판단된다.
팽창진주암은 전체 간이소화용구 중 가장 낮은 초기냉각 성능을 나타냈다. 간이소화용구 투입 시점은 약 1,822 s이며, 평균온도는 초기 321.1 ℃에서 1 h 경과 후 472.4 ℃까지 증가하였다. 누적 하강률은 -47.1%로, 실질적인 냉각 실패 상태에 해당한다. 특히 Figure 5(d)를 살펴보면 간이소화용구 투입 이후 중부 및 하부 영역에서 지속적인 온도 상승이 관찰되었으며, 일부 구간에서는 700~800 ℃ 이상의 고온 상태가 유지되었다. 이는 팽창진주암이 가지는 초경량 다공성 구조로 인해 열전달보다는 단열 효과가 지배적으로 작용하였기 때문으로 판단된다.
한편, 간이소화용구 간 성능 차이의 통계적 유의성을 검토하기 위하여, 시판 유통 등급을 독립 관측치로 하여 일원분산분석(one-way ANOVA) 및 Welch t-검정을 수행하였다. 분석 결과는 Table 3에 제시하였다. 규사, 팽창질석, 팽창진주암을 대상으로 한 일원분산분석 결과, CRR (F = 9.53, p = 0.008) 및 재상승률(F = 11.79, p = 0.004) 모두 간이소화용구 간 차이가 통계적으로 유의한 것으로 확인되었다. Welch t-검정 결과, 규사 대비 팽창질석(CRR: p = 0.035), 규사 대비 팽창진주암(CRR: p = 0.006)에서 유의한 차이가 확인되었다. 이는 모래계와 팽창계 간 냉각성능 차이가 등급 간 변동성을 고려하더라도 통계적으로 구별 가능한 수준임을 의미한다.
3.2 지속냉각성
지속냉각성은 초기 냉각 이후 장시간 동안 온도를 안정적으로 감소시킬 수 있는 능력을 의미한다. 금속화재의 경우 표면 화염이 제거되더라도 내부 잔열과 산화반응이 지속될 수 있으므로, 단기 냉각뿐 아니라 장시간 냉각 유지성이 매우 중요하다. 이에 따라 본 연구에서는 1~2 h 및 2~3 h 구간의 평균 냉각속도와 누적 하강률을 이용하여 지속냉각성을 평가하였으며, 그 결과를 Table 4에 나타내었다.
Table 4
Sustained Cooling Characteristics
마른모래는 초기 냉각 이후에도 안정적인 온도 감소 경향을 유지하였다. 1~2 h 구간에서는 51.2 ℃/h, 2~3 h 구간에서는 42.0 ℃/h의 냉각속도가 나타났으며, 모든 측정 위치에서 온도가 동시에 감소하는 경향이 지속되었다. 냉각속도가 시간 경과에 따라 완만하게 감소하는 것은 연소층 자체의 온도가 점차 낮아지면서 열구배가 감소한 자연스러운 결과로 판단된다. 특히 모든 측정 위치에서 온도가 균일하게 감소하는 경향이 유지되었으며, 이는 피복층 붕괴 없이 안정적인 냉각 상태가 지속되었음을 의미한다.
규사는 1~2 h 구간 냉각속도가 78.1 ℃/h로 나타났으며, 이후 2~3 h 구간에서는 26.3 ℃/h로 감소하였다. 전반적으로 안정적인 온도 감소 경향을 유지하였으나, 최종 안정화 온도는 마른모래보다 높게 유지되었다. 특히 규사는 1~2 h 구간에서 마른모래 대비 오히려 높은 냉각속도를 보였는데, 이는 초기 온도가 다소 높은 상태에서 상대적으로 낮은 초기 냉각성을 보인 후, 열방출이 집중적으로 이루어진 결과로 판단된다. 따라서 규사는 마른모래 대비 절대적인 냉각성능은 다소 낮지만, 장기 안정성 측면에서는 일정 수준 이상의 적용 가능성을 가지는 것으로 판단된다.
팽창질석은 1~2 h 구간 냉각속도가 −94.7 ℃/h로 나타나 해당 구간에서 온도 상승이 지속되었음을 확인하였다. 이후 2~3 h 구간에서 37.1 ℃/h의 냉각속도가 나타났으나 완전한 안정화에는 도달하지 못하였다. 약제 투입 이후 일정 시간이 경과하면서 일부 냉각이 이루어지는 것으로 보이나, 초기 열 축적 및 재연소 지속에 따른 온도 상승 영향이 전반적인 냉각특성을 지배하는 것으로 판단된다.
팽창진주암은 1~2 h 구간 평균 냉각속도가 −243.6 ℃/h로 전체 간이소화용구 중 가장 큰 음의 값을 나타냈으며, 2~3 h 구간에서도 88.8 ℃/h로 다른 간이소화용구에 비해 높은 냉각속도가 확인되었으나 이는 이전 구간의 급격한 온도 상승에 따른 결과로, 전체적인 냉각 안정성은 매우 낮은 수준이었다. 2~3 h 구간에서의 냉각은 실질적인 소화 효과에 의한 것이 아니라 일시적인 열방출 완화에 기인한 것으로 판단되며, 이후에도 재상승 가능성이 존재한다.
3.3 안정성 및 재상승 억제성
금속화재에서는 표면 화염 제거 이후에도 내부 잔열에 의해 재상승(rebound) 현상이 발생할 수 있다. 따라서 장기 안정성은 단순 냉각성능 이상으로 중요한 평가 요소이다. 본 연구에서는 최대 재상승폭, 재상승 발생 시점, 재상승률을 기준으로 안정성을 평가하였으며, 해당 결과를 Table 5에 나타내었다. 재상승률(rebound rate)은 식(2)에 따라 산출하였으며, 재상승 발생 여부는 온도가 최저점(T min.after)에 도달한 시점을 기준으로, 이후 60 s 이상 연속적으로 온도가 상승하는 경우로 정의하였다. 이는 1 s 간격으로 수집되는 온도 데이터에서 발생할 수 있는 일시적 측정 변동을 재상승으로 오인하지 않도록 설정한 기준이다. 또한 재상승 정도에 따른 분류(none, significant, severe)는 재상승 이후 도달한 최고온도(T max.after)가 시험재료인 마그네슘 합금(AZ91)의 보고된 발화온도(약 600 ℃)(17) 대비 어느 수준에 있는지를 기준으로 구분하였다. 재상승이 발생하지 않거나 도달 온도가 발화온도 대비 현저히 낮은 경우를 ‘none’, 도달 온도가 발화온도에 근접하는 수준까지 상승하는 경우를 ‘significant’, 도달 온도가 발화온도를 상회하여 실질적인 재발화 위험이 존재하는 경우를 ‘severe’로 구분하였다.
Table 5
Rebound Characteristics
이때, T₀는 간이소화용구 투입 시점의 초기 평균온도를 의미하며, T min.after는 간이소화용구 투입 이후 온도가 도달하는 최저온도(재상승 전 최저온도)를, T max.after는 T min.after 도달 이후 온도가 다시 상승하여 도달하는 최고온도(재상승 후 최고온도)를 의미한다.
마른모래에서는 유의미한 재상승 현상이 관찰되지 않았으며(재상승률 0%), 약 3 h 경과 후 최종 온도는 약 50 ℃ 수준까지 감소하여 장기 안정성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 규사 또한 실험 전 구간에 걸쳐 재상승 현상이 관찰되지 않았으며(재상승률 0%), 전체적으로 안정적인 냉각상태를 유지하였다. 이는 모래계 약제가 연소 표면과의 밀착성이 높고 산소 차단 효과가 우수하여, 약제층 붕괴 없이 장시간 안정적으로 유지되었기 때문으로 판단된다.
팽창질석은 뚜렷한 재상승 현상이 확인되었으며(재상승률 56.3%), 재상승 발생 시점은 약 8,830 s였다. 최대 재상승폭은 166.7 ℃로, 도달 온도가 마그네슘 합금 발화온도(약 600 ℃)에 근접하는 수준이었다. 이후 일부 감소 경향이 나타났으나 완전한 안정화에는 도달하지 못하였다. 팽창진주암은 전체 간이소화용구 중 가장 높은 재상승률(126.8%)을 나타냈으며, 재상승 발생 시점은 약 8,143 s였다. 최대 재상승폭은 407.2 ℃로, 도달 온도가 발화온도를 크게 상회하여 실질적인 재발화 위험이 존재하는 수준이었다. 간이소화용구 투입 이후에도 온도가 초기 상태보다 크게 증가하였음을 확인하였다.
3.4 종합비교 및 고찰
Figure 6은 각 간이소화용구별 top, middle, bottom 위치의 평균온도를 이용하여 산정한 대표온도(representative temperature)의 시간 변화를 나타낸 것이다. 전체적으로 모든 간이소화용구는 투입 직후 일정 수준의 초기 온도 감소 효과를 나타냈으나, 장기적인 냉각에서는 간이소화용구 종류에 따라 뚜렷한 차이가 확인되었다. 특히 모래계(마른모래, 규사)는 지속적인 온도 감소 경향이 나타난 반면, 팽창계(팽창질석, 팽창진주암)는 일정 시간 이후 재상승 현상이 발생하였다. 또한, 간이소화용구 종류별 투입 시점의 초기온도 차이를 보정하기 위해 Figure 7에 투입 시점을 기준(t = 0)으로 정규화한 온도비(T/T₀) 변화를 추가로 제시하였다. T/T₀는 투입 시점 온도를 기준으로 정규화한 상대 온도비로, 서로 다른 초기온도를 가진 시험 조건을 동일한 출발점(T/T₀ = 1.0)으로 통일하여 냉각의 상대적 차이를 시각화하기 위한 지표이다. 모든 간이소화용구가 동일한 출발점(T/T₀ = 1.0)에서 시작하며, 마른모래와 규사는 투입 직후 T/T₀가 빠르게 감소하는 반면, 팽창질석과 팽창진주암은 T/T₀가 지속적으로 상승하여 초기온도 보정 이후에도 간이소화용구별 냉각특성의 차이가 명확히 확인된다.
본 연구에서 나타난 간이소화용구별 냉각특성의 차이는 각 재료의 물리적 특성, 특히 밀도와 공극 구조의 차이에 기인하는 것으로 판단된다. 마른모래와 규사는 상대적으로 높은 밀도와 낮은 공극률을 가지며, 이로 인해 연소 표면과의 밀착성이 높고 산소 유입을 효과적으로 차단할 수 있다. 또한 높은 열용량과 열전도 특성을 통해 연소열을 외부로 효과적으로 전달함으로써 빠른 초기 냉각 효과를 나타낸 것으로 보인다. 반면 팽창질석과 팽창진주암은 다공성 구조와 낮은 밀도로 인해 단열 효과가 지배적으로 작용하였으며, 이는 금속화재 환경에서 내부 축열을 유도하는 요인이 된 것으로 판단된다. 본 시험 조건에서 관찰된 팽창계의 열 축적 경향은 Park 등(11)의 연구에서 팽창질석의 단열 특성이 금속폐기물 화재에서 냉각보다 보온 효과로 작용할 수 있음을 지적한 결과와 유사한 방향을 나타냈다. 다만 Park 등(11)의 연구에서는 시험 조건 및 대상에 따라 팽창질석의 적용 가능성을 긍정적으로 평가한 결과도 함께 보고되고 있어, 팽창계의 성능은 시험 규모, 마그네슘 형태, 부피/질량 조건, 피복 방식 등 시험 조건의 차이에 따라 상이하게 나타날 수 있음을 함께 고려할 필요가 있다.
한편, 팽창질석과 팽창진주암에서 관찰된 재상승 현상은 다음과 같은 복합적 메커니즘에 의해 발생한 것으로 분석된다. 첫째, 높은 공극률로 인해 피복층 내부로의 국부적 산소 공급이 지속되어 연소가 유지되었을 가능성이 있다. 둘째, 다공성 구조에 의한 우수한 단열 특성이 내부 축열을 촉진하여 간이소화용구 투입 이후에도 시험체 내부 온도가 지속적으로 상승하였다. 셋째, 간이소화용구 층의 균일하지 않은 피복으로 인해 국부적인 연소 지속이 발생하였을 가능성도 배제할 수 없다. 특히 팽창진주암의 경우 재상승률이 126.8%로 가장 높게 나타났으며, 본 시험 조건에서 나타난 이러한 경향은 Kwon 등(8)의 연구에서 팽창계가 금속폐기물 화재에서 초기 피복 효과는 나타내나 장기 안정성 확보에는 한계가 있음을 보고한 결과와 유사한 방향성을 보인다. 다만 해당 연구 역시 시험 조건이 본 연구와 상이하므로, 직접적인 정량 비교보다는 경향성 측면에서 참고할 필요가 있다. 다만, 이러한 결과는 본 연구의 시험 조건(AZ91D 마그네슘 합금칩, 동일 부피 13.6 L)에서 관찰된 것으로, 시험 조건이 달라질 경우 상이한 결과가 나타날 수 있음을 고려할 필요가 있다. 이러한 결과는 금속화재 대응 간이소화용구 평가 시 단순 초기 냉각 여부뿐만 아니라 장기 안정성과 재상승 억제 특성을 함께 고려해야 함을 시사한다.
본 연구 결과를 실제 금속화재 현장 대응 관점에서 해석하면, 마른모래는 본 시험 조건에서 초기 냉각성과 장기 안정성 모두 안정적인 변화를 나타내어 금속화재 대응 간이소화용구로서의 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 다만 마른모래는 단일 등급에 대한 실험 결과로 통계적 검증에는 포함되지 않았으며, 본 결과는 시험 조건에서 관찰된 결과임을 밝힌다. 향후 다양한 등급에 대한 추가 실험을 통해 통계적 검증이 필요하다. 규사는 마른모래 대비 초기 냉각성능은 다소 낮으나 장기 안정성 측면에서 일정 수준 이상의 적용 가능성을 가지는 것으로 확인되었다. 반면 팽창질석과 팽창진주암은 일반 화재에서의 단열 및 피복재로서의 활용 가능성과는 별개로, 마그네슘 합금과 같이 자체 산화반응이 지속되는 금속화재 환경에서는 내부 열 축적을 유발하여 오히려 냉각성능을 저해할 가능성이 있는 것으로 판단된다. 이는 일반 가연물 화재 대응 소재의 특성이 금속화재에서는 상이하게 작용할 수 있음을 보여주는 결과로, 금속화재 전용 소화용구 선정 시 재료 물성과 화재 특성을 종합적으로 고려할 필요가 있다.
특히, 본 연구는 동일 부피 조건(13.6 L)에서 간이소화용구 종류에 따른 냉각 특성을 비교하였다는 점에서 의의를 가지나, 간이소화용구 고유의 단위 질량당 열적 특성을 직접적으로 의미하는 것은 아니다. 또한 비열, 함수율, 입도분포 등 세부 물성에 대한 직접 측정은 수행되지 않았으므로, 향후 연구에서는 동일 질량 조건과의 비교 및 종류별 세부 물성 측정을 통한 보완이 필요할 것으로 판단되며, 추가적으로 몇 가지 한계점이 존재한다. 첫째, 본 연구에서는 간이소화용구의 부피를 기준으로 비교하였으므로, 밀도 차이에 따른 질량 기준 성능 비교가 추가적으로 수행될 필요가 있다. 둘째, 입자 크기 및 수분 함유량과 같은 세부 변수에 따른 냉각 성능 변화에 대한 추가 검토가 필요하다. 셋째, 본 연구에서 사용된 마그네슘 합금칩 외에 알루미늄, 나트륨 등 다른 금속에 대한 적용성 검토도 향후 연구 과제로 남아 있다. 넷째, 마른모래는 단일 등급 데이터만 존재하여 등급 간 변동성 분석 및 표준편차 산출이 불가하였다. 또한 본 통계 분석은 각 등급의 반복실험 평균값을 독립 관측치로 취급한 것으로, 이러한 방식은 등급 간 성능 편차를 반영한 비교에는 유효하나, 동일 조건 반복실험 원자료 기반의 순수 오차 통계와는 방법론적 차이가 있음을 밝힌다. 특히 마른모래는 단일 등급 데이터만 존재하여 등급 간 변동성 분석 및 표준편차 산출이 불가하였으며, 통계 검정에서 제외되었다. 향후 연구에서는 동일 등급에 대한 반복실험 자료를 확보하여 보다 엄밀한 통계 검증을 수행할 필요가 있다. 이러한 추가 연구를 통해 금속화재 대응 간이소화용구의 성능 평가 기준 마련에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
4. 결 론
본 연구에서 평가한 간이소화용구의 냉각특성은 ISO 7165 및 별표 7에서 규정하는 D급 화재 소화성능시험의 판정기준에 준하여, 약제 투입 후 온도 감소 및 재상승 억제 특성을 중심으로 평가한 것임을 밝힌다. 앞서 말한 바와 같이, ISO 7165 규정을 준용하여 마그네슘 합금칩(AZ91D) 화재에 대한 4종 간이소화용구(마른모래, 규사, 팽창질석, 팽창진주암)의 냉각특성 및 장기 안정성을 비교⋅분석하였다. 각 간이소화용구별 top, middle, bottom 위치의 평균온도를 기반으로 시간-온도 곡선을 분석하였으며, 초기냉각성, 지속냉각성 및 재상승 억제성을 중심으로 평가를 수행하였다. 실험 결과, 간이소화용구 종류에 따라 냉각특성 및 장기 안정성에서 뚜렷한 차이가 나타났으며, 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
첫째, 마른모래는 투입 직후 가장 빠른 온도 감소를 나타냈으며(초기냉각률 52.0%), 실험 종료 시점까지 뚜렷한 재상승 현상이 관찰되지 않아 장기 안정성이 가장 우수한 것으로 확인되었다. 다만, 마른모래는 단일 등급에 대한 실험 결과로, 본 시험 조건에서 관찰된 결과임을 밝힌다. 둘째, 규사는 마른모래 대비 초기 냉각속도는 다소 낮게 나타났으나(초기냉각률 45.3%), 전반적으로 안정적인 온도 감소 경향을 유지하였으며, 유의미한 재상승 현상이 관찰되지 않아(재상승률 0%) 금속화재 대응 간이소화용구로서 일정 수준 이상의 적용 가능성을 가지는 것으로 판단된다. 셋째, 팽창질석은 투입 이후 실험 후반부에서 유의미한 재상승 현상이 확인되었으며(재상승률 56.3%), 초기 피복 효과는 존재하나 장기 안정성 확보에는 한계가 있는 것으로 나타났다. 넷째, 팽창진주암은 전체 간이소화용구 중 가장 낮은 초기냉각 성능과 가장 높은 재상승률(126.8%)을 나타냈으며, 투입 이후에도 지속적인 온도 상승이 관찰되어 금속화재 대응 간이소화용구로서의 적용에는 제한이 있는 것으로 판단된다.
본 연구는 금속화재 대응 간이소화용구의 종류별 냉각특성과 장기 안정성을 동일 조건에서 정량적으로 비교⋅분석하였다는 점에서 의의를 가지며, 금속화재 현장에서의 적절한 간이소화용구 선정을 위한 기초자료를 제공한다. 향후 연구에서는 간이소화용구의 입자크기, 밀도 및 수분 함유량 등 세부 변수에 따른 냉각성능 변화와 다양한 금속 연료에 대한 적용성 검토가 추가적으로 수행될 필요가 있다.
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