Analysis on the Effects of Filter Shape and Magnetic Force on the Collecting Efficiency of Welding Spatter

필터 형상과 자력 특성이 용접 불티 포집 효율에 미치는 영향 분석

Abstract

Purpose: In this study, fundamental research was conducted to capture sparks generated during the arc welding process. Method: To this end, a mock-up collection device was developed, consisting of a blower for suction, a nozzle, and a filter and magnet at the suction point. To analyze the correlation between the shape of the filter and its magnetic properties, the porosity and pore size of both carbon filters and Colgate filters were quantified under conditions of a welding machine capacity of 1,800W and a welding time of 70s. The collection efficiency of sparks was calculated for magnetic strengths of 2.6, 3.4, and 4.05kgf. Result and Conclusion: As a result, empirical formulas were derived for the blower's suction capacity, magnetic strength, porosity, and pore diameter for capturing sparks, with experimental results confirming consistency within ± 10%. The findings of this study are expected to provide a quantitative design approach for collection devices that can minimize the risk of fire spread associated with welding operations at construction sites.

연구목적: 본 연구에서는 아크 용접 과정에서 발생하는 불티를 포집하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 연구방법: 이를 위해서 불티를 흡입하기 위한 송풍기와 노즐 그리고 흡입부의 필터와 자석으로 구성된 목업 포집 장치를 제작하였다. 필터의 형상과 자력 특성에 따른 상관관계를 분석하기 위하여 용접기의 용량 1,800W, 용접 시간 70s인 조건에서 카본필터와 콜게이트 필터 각각의 기공률과 기공의 크기를 정량화하였으며, 자력 크기 2.6, 3.4, 4.05kgf인 경우 불티의 포집 효율을 산출하였다. 연구결과 및 결론: 그 결과 불티를 포집하기 위한 송풍기 흡입 용량, 자력의 크기, 기공률 그리고 기공 직경에 대한 경험식을 도출하였으며, 실험 결과가 ± 10% 이내에서 일치하는 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 건설 현장에서 용접 작업에 따른 화재 확산 위험을 최소화할 수 있는 정량화된 포집기 설계 방안을 제시하는데 활용이 가능할 것으로 판단된다.

서론

아크 용접(Arc welding)은 용접봉과 모재 사이에 아크열을 발생시켜 용접봉을 용융하여 다양한 금속 소재를 접합하는 원리이며, 산업현장에서 가장 많이 사용되고 있는 용접 방식 중 하나이다(Hojjati et al., 2004; Hashemabad et al., 2016; Liu et al., 2018). 하지만 용접 과정에서 발생하는 용접 흄(Welding fume)에 의해서 인체 유해성 물질이 발생하며, 작업 지점 주위의 가연물로 비산되는 용접 불티(Welding sparks)에 의한 화재 사고 및 위험성이 보고되고 있다(Narasimhan et al., 2019; Urban, 2017; National Fire Agency, 2023). 이러한 이유로 한국산업안전보건공단에서는 용접 작업 현장에서 용접 흄에 의한 인체 유해성과 불티에 의한 화재 위험성을 예방하기 위해서 ｢용접작업 보건 관리 지침｣ 및 ｢용접·용단 작업 시 화재예방에 관한 기술지침｣을 배포하였으며, 재해 발생원인과 예방대책 그리고 작업 형태별 관리대책 등을 제시한 바 있다(Ryu, 2015; Lim, 2023).

또한, 용접 흄을 제거하기 위한 연구사례는 송풍기(blower)에 의한 강제 흡입 방식과 정전기 집진(Electrostatic precipitators) 방식으로 구분할 수 있다. Ha 등은(Ha, 2007) 밀폐 공간에서 팬(Fan) 방식을 사용하여 환기 방식에 따른 유해가스 농도 및 저감 효율을 분석하였으며, 효율적인 배기 팬의 크기와 용량 그리고 환기 형태 등을 제시한 바 있다. Xu 등은(Xu et al., 2016) 정전식 집진기를 사용하여 포집된 입자를 배출하지 않고 포집장치 내부의 금속 전극(Electrode)에 부착하기 위한 전극의 형상, 온도 그리고 전력 변화에 따라서 0.2-120µm 크기의 미립자 포집율의 상관 관계를 실험적으로 분석하였다.

기존 연구사례와 같이 유해가스 저감을 고려한 흄 집진기의 설치 권고 및 관련 연구는 활발하게 수행되고 있지만 화재 위험성 저감을 위한 비산 불티 포집기 설계 방안에 관한 연구는 매우 부족한 것이 현실이다. 특히, 불티의 경우 기초 실험을 통해서 고온의 환경에서도 자력이 형성되는 것을 확인하였으나 자력의 크기 및 설치 거리에 따라서 불티 포집의 성능향상에 대한 기초 실험 자료는 없는 상태이다. 따라서 본 연구에서는 강제 흡입 방식의 송풍기를 사용하여 다공성 매질 필터와 자력의 크기 그리고 설치 거리를 고려한 기초 실험을 통하여 포집 효율 상관관계를 분석하고자 한다.

이론적 고찰 및 실험조건

이론적 고찰

Fig. 1은 불티 포집 방식을 나타낸 개략도이다. 그림에서 보듯이 용접기에 전력을 인가하여 용접봉이 용융되면 모재(base metal)에 부착되지 않은 불티가 주위로 비산되는 현상이 발생한다. 이러한 조건에서 자력이 부착된 강제 흡입 방식의 포집기를 작동하게 되면 불티의 총 포집력(F_total)은 식(1)과 같이 송풍기에 의한 흡입력(F_bl)과 자력에 의한 흡입력(F_ma)로 나타낼 수 있다.

F_total = F_{bl +} F_ma       (1)

Fig. 1. Schematic of welding fume & spatter extraction system, assumptions for analysis of the collection force(F_total)

여기서 F_bl은 실제 산업현장에서 작업자의 건강을 고려하여 포집기에 필터를 삽입하여야 하지만, 필터를 삽일할 경우 내부 차압이 증가하여 유속이 감소하게 된다. 따라서F_bl은 필터의 기공률 변화를 고려한 기존 연구사례를 적용하였으며, 식(2)와 같이 도출할 수 있다(Shin et al., 2021).

F_bl = ρA_blu²_bl       (2)

여기서 ρ, A_bl 그리고 u_bl은 각각 공기의 밀도, 필터의 기공 면적 그리고 포집기 유속을 의미하며, 본 연구에서 사용한 A_bl는 필터 3종의 기공률(ε)에 대해 Fig. 2와 같이 산출하였으며, Table 1에 필터의 형상에 따른 ε의 결과를 정리하여 나타내었다.

Fig. 2. Simplification method of carbon and corrugate filters

Table 1. Porosity of carbon and corrugate filters by simplification method

식(1)의 F_ma는 자력의 크기(G)와 자석으로부터 이격된 거리(h_ma)에 따라서 달라질 수 있기 때문에, 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

F_ma = f(G, h_ma)       (3)

실험조건

Fig. 3<a>는 본 연구에서 사용한 불티 발생 실험 장치 개략도로 용접 불티의 총 발생량(∆m_p,total)은 용접 전력(P_e), 용접시간(∆t)에 따라서 식(4)과 같이 관계식을 적용하였다(Shin et al., 2020).

∆m_p,total = (2.9 × 10^-5 + 1.23 × 10^-6 × ∆t) × P^1.289_e       (4)

Fig. 3. A picture of welding collector apparatus and schematic diagram of analysis method of collecting efficiency

여기서 P_e는 1,800W이며, ∆t = 70s인 조건에서 가우스 미터(Gauss meter)를 사용하여 자석과의 거리 변화에 따른 자력의 크기를 계측하였다. 포집기 주름관 중앙에는 열 유속계(Temperature anemometer)를 사용하여 필터의 형상과 포집기 용량변화에 따른 덕트 내부 유체의 온도와 유속을 계측하였으며, 본 연구에서 사용한 실험 장치의 규격은 Table 2와 같다.

Table 2. Specification of experiment apparatus

포집된 불티의 질량(m_c,p)은 Fig. 3<b>에서 보듯이 송풍기로 흡입된 질량 (m_bl,p) 과 자석에 부착된 불티 질량(m_ma,p) 의 합으로 식(5)와 같다.

m_c,p = m_bl,p + m_ma,p       (5)

따라서 포집기의 효율(η_c,p)은 용접 불티의 총 발생량(∆m_p,total)에 대해서 송풍기와 자력에 의해서 포집된 불티의 질량(m_c,p) 비를 백분율로 나타낸 식(6)과 같이 표현할 수 있다.

\(\begin{align}\eta_{c, p}=\frac{m_{c, p}}{\Delta m_{p, \text { total }}} \times 100 \%\end{align}\)      (6)

용접 불티 포집장치의 효율 산출

Fig. 4<a>는 2.6kgf, 3.4kgf 그리고 4.05kgf인 자력의 크기(G) 각각에 대해서 이격거리(h_ma) 변화에 따른 자력에 의한 흡입력(F_ma)를 측정한 결과이다. 그림에서 보듯이 동일한 h_ma에 대해서 F_ma는 G에 비례하며, h_ma > 3cm 이상인 경우 F_ma의 값은 0kgf에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 G와 h_ma에 대한 F_ma의 관계는 오차범위 ±5%에서 식(7)과 같은 관계를 갖는 것으로 나타났다.

Fma = a1 × bhma1       (7)

Fig. 4. Effects of installation distance on magnetic force

여기서 a₁, b₁은 실험 상수를 의미하며, Fig. 4<b>와 같이 a₁과 G의 관계는 오차범위 ±1 % 이내에서 b₁ = 0.250로 일정할 때 식(8)과 같은 관계로 실험식을 표현할 수 있다.

F_ma = (1.036G^0.948 × 0.250^h_ma)       (8)

Fig. 5<a>는 송풍기 덕트의 직경이 0.12 m인 조건에서 용량(P_bl)이 (127.5 ~ 1,051)W인 경우 필터의 기공률(ε) 변화에 따른 유속의 크기(u_bl)를 측정한 결과이다. P_bl이 동일한 조건에서 ε의 값이 증가할수록 덕트 내부의 차압이 감소하기 때문에 u_bl은 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 오차범위 ±10%에서 식(9)와 같은 관계로 표현할 수 있다.

u_bl = a₂ × (ε)^b₂       (9)

Fig. 5. Experiment results of exhaust velocity and experiment coefficient(a₂) in accordance with blower capacity and porosity of filters

여기서 a₂, b₂는 P_bl와 ε에 따른 u_bl에 대한 실험 상수를 의미하며, Fig. 5<b>와 같이 a₂와 P_bl의 관계는 오차범위 ±10% 이내에서 b₂=0.13로 일정할 때 ε 및 P_bl에 따른 u_bl은 식(10)과 같이 산출할 수 있다. 따라서 식(2)는 식(11)과 같은 관계를 갖는다.

u_bl = 0.4P^0.46_bl × (ε)^0.13       (10)

F_bl = ρA_bl(0.4P^0.46_bl × (ε)^0.13)²       (11)

실험식에서 도출된 결과로부터 식(1)의 총 포집력(F_total)은 자력의 크기(G)와 거리(h_ma) 그리고 P_bl과 ε에 따라서 달라질 수 있기 때문에, 다음 식과 같은 관계를 갖는 것으로 나타났다.

F_total = (1.036G^0.948 × 0.25^hm) + (ρA_bl(0.4P^0.46_bl × (ε)^0.13)²)       (12)

Fig. 6<a>는 송풍기의 흡입 유속(u_bl)이 15.1m/s이고 자석과의 이격거리(h_ma)가 0cm에 가까운 조건에서 자석에 부착된 불티 질량(m_ma,p)의 측정값을 분석한 결과이다. 그림에서 보듯이 F_ma가 각각 (2.56, 3.30, 3.90) N인 조건에서 m_ma,p는 각각 (0.025, 0.049, 0.097) g으로 측정되었으며, ±10% 이내에서 m_ma,p = 1.21 × 10^-3(F^3.18_ma)과 같은 관계를 갖고 있는 것으로 나타났다. 그림에서 오차범위 이상에서 m_ma,p가 측정된 이유는 용접봉이 용융될 때 비산되는 각각의 불티 입자가 서로 다른 자성 비를 가질 수 있기 때문에 발생한 것으로 판단된다(Shin et al., 2020).

Fig. 6. Experiment results of collected mass(m_a,p) by magnetic force(F_ma) and collected mass(m_bl,p) by blower force(F_bl)

Fig. 6<b>는 필터 3종에 대하여 F_bl가 (0.28 ~ 3.23) N인 조건에서 m_bl,p을 분석한 결과이다. F_bl이 증가함에 따라 m_bl,p가 비례적으로 증가하는 경향을 확인할 수 있으며, m_bl,p = 0.77 × F^0.37_bl인 경우 ±10% 이내에서 일치하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 포집기의 효율(η_c,p)은 아래와 같은 실험식으로 산출할 수 있으며, 관계식에서 보듯이 용접 시간(∆t)과 용접기 전력(P_e)이 증가할수록 불티의 총 발생량(∆m_p,total)이 증가하기 때문에 η_c,p의 값이 반비례하는 반면 F_ma와 u_bl이 증가할수록 η_c,p가 증가하는 것으로 예측할 수 있다.

\(\begin{align}F_{\text {total }}=\left(1.036 G^{0.948} \times 0.25^{h m}\right)+\left(\rho A_{b l}\left(0.4 P_{b l}^{0.46} \times(\varepsilon)^{0.13}\right)^{2}\right)\end{align}\)       (12)

결론

본 연구에서는 허니컴과 콜게이트 형상의 카본필터를 사용하여 자력의 크기(G)와 송풍기 용량(P_bl) 변화에 따른 불티의 포집 효율(η_c,p)을 실험적으로 분석하였다. 불티의 총 포집력(F_total)을 산출하기 위해서 자력에 의한 흡입력(F_ma)과 송풍기에 의한 흡입력(F_bl)으로 구분하여 G의 크기가 2.6kgf , 3.4kgf 그리고 4.05kgf인 경우에 대해 이격거리(h_ma) 변화에 따른 F_ma의 관계를 도출하였으며, P_bl과 필터의 기공률(ε)에 따른 흡입 유속(u_bl) 실험결과로부터 F_bl의 상관관계를 분석하였다. 불티의 포집 효율(η_c,p)과 F_total의 관계를 예측하기 위해서 P_bl가 (127.5 ~ 1,051)W인 조건에서 필터의 ε 변화에 따라서 자석에 부착된 불티 질량(m_ma,p)과 송풍기로 흡입된 질량(m_bl,p)을 측정하였으며, 기존 연구사례로부터 불티의 총 발생량(∆m_p,total)을 적용하여 η_c,p를 예측하기 위한 실험식을 도출하였다. 그 결과 불티의 포집효율(η_c,p)은 자력에 의한 흡입력(F_ma)과 필터의 기공률에 따른 흡입 유속(u_bl)의 크기에 비례하는 반면, 용접 시간(∆t)과 용접기 전력(P_e)에 반비례하는 것으로 나타났다. 하지만 강제 집진 방식의 불티 포집장치의 효율을 예측하기 위해서는 다양한 형상의 필터와 자력의 크기를 적용한 실험자료가 구축될 필요가 있으며, 본 연구는 용접 불티에 의해서 화재 위험성을 최소화하기 위한 불티 포집기 설계방안을 제시하는데 기초 자료의 활용이 가능할 것으로 판단된다.