1. 서 론
산업통상자원부와 조선업계는 2020년 조선 산업 탄소중 립 위원회 1차 개최를 통해 선박 배출 온실가스 감축과 친 환경 선박 시장 창출을 논의한 데 이어 2021년에는 제2차 위 원회를 개최하였다(KEA, 2021). 제2차 탄소중립위원회의 핵 심 추진전략은 고탄소 원료 대체, 생산 공정 탄소 저감, 다 배출설비 전환, 재사용·재생이용·재자원화의 4대 전략별 세 부 과제 발굴로 구성되어있다(KEA, 2021). 특히, 제2차 탄소 중립위원회의 추진전략에서는 기존의 친환경 선박 개발에 집중했던 핵심 추진전략을 생산 공정의 친환경화로 선정하 는 변화를 주었다.
실제로 생산 공정에서 발생하는 탄소와 온실가스는 주목 할만하다. 선박용 후판의 가공과 조립공정에서 발생하는 온 실가스 배출량은 전체 공정의 약 17 %로, 약 40 %를 차지하는 도장 공정을 이어 두 번째로 높은 비중을 차지한다(Ministry of Knowledge Economy, 2011). 매년 국내 후판 출하량의 평균 약 40 %를 조선소에서 구입하며(KOSA, 2019), 선박용 후판 가공 및 조립공정의 온실가스 배출량은 저감을 위한 대응이 필요 한 수준이다.
특히, 선박용 후판은 화염을 이용하여 가공하기 때문에 가공 과정에서 온실가스가 발생하게 된다. 후판 가공 시 사 용되는 대표적인 연료로서 아세틸렌과 프로판이 사용되고 있다. 하지만 아세틸렌은 산소와 결합하였을 때 2.5 ~ 100 %의 넓은 폭발한계를 가지고 있기 때문에 폭발사고의 위험성이 크다(Explore the World of Piping, 2022;Nan, 2021). 이에 반하 여 프로판 연료는 2.1 ~ 9.5 %의 비교적 좁은 폭발한계를 가 지기 때문에 아세틸렌에 비해 안전하다. 최근에는 대체 연 료로 프로필렌이 주목받고 있다. 프로필렌의 품질 우수성과 안전성에 관한 여러 연구(Han et al., 2014, Choi and Choi, 2020) 가 수행되고 있지만 온실가스 배출 측면에서 기존의 연료와 비교한 연구는 미비하다.
이에 본 연구에서는 프로판 연료와 프로필렌 연료를 사용 해 선박용 강재를 절단할 때 발생하는 배출가스를 분석하여 프로필렌 연료의 친환경성을 확인하였다. 나아가 프로판 연 료로 선박용 강재를 가열할 때, 재료의 열 분포 특성을 확인 하였다. 끝으로 프로판 화염과 프로필렌 화염을 이용하여 가공한 시험편의 인장 특성을 실험방법으로 분석하였다.
2. 화염 특성 분석
2.1 온실가스 저감효과
본 연구에서는 프로필렌이 대체 연료로 사용되었을 때 온 실가스 저감효과에 관한 기초연구로써 배출가스 분석을 수 행하였다. 국제해사기구는 대표적으로 질소산화물(NOx)과 이산화탄소(CO2)를 포함한 배출가스에 대한 규제를 시행하 고 있다(Jeong et al., 2018). 이에 프로판 연료와 프로필렌 연 료를 사용한 화염의 질소산화물과 이산화탄소의 발생량을 비교하였다. 기초연구에서는 연료를 이용한 화염에서 발생 하는 배출가스의 분석을 위해 시스템을 구축하였으며, 시스 템의 구성은 Fig. 1과 같다.
연소 및 분석시스템은 화염의 배출가스를 가스분석기로 전달하도록 설계하였다. 동일한 양의 연료를 사용했을 때 배출되는 가스를 비교하기 위해 압력 조절기와 에어플로우 미터를 산소통과 연료통에 설치하여 공기-연료비(Air-Fuel Ratio, AFR)를 조절하였다. 공기-연료 혼합물의 연소 시 발생 하는 배출가스를 분석하기 위해 MEXA-7100 DEGR 배출량 측정 장비를 사용하였으며, 본 실험의 표적 배출가스인 질 소산화물과 이산화탄소에 대한 측정 사양은 Table 1과 같다 (HORIBA, 2001). 배출가스가 균일하게 측정 장비에 흡입될 수 있도록 배기 플레넘을 이용하여 공급하였다. 프로판 연 료와 프로필렌 연료를 사용한 화염의 질소산화물과 이산화 탄소의 발생량을 비교하기 위한 실험은 1800초 동안 진행하 였다.
공기-연료의 비율과 배출가스 발생량의 상관관계를 분석 하기 위해서 식(1)의 공기-연료비를 계산하였다. mair은 공기 의 질량, mfuel은 연료의 질량이다. 당량비는 실제 AFR과 이 론 AFR의 비율을 나타내며 식(2)로 표현된다.
본 실험에 사용된 프로판과 프로필렌의 특징은 Table 2에 나타내었다. 실험은 당량비의 변화에 따른 배출가스 발생 정도를 확인하기 위해 공기의 비율을 증가시키며 당량비를 조절하였다. 실험에 사용된 연료 압력은 1.5 bar이며 공기압 력은 5 bar이다. 질량 유량은 0.5 kg/s이며, 주위온도는 293 K로 통제하였다. 당량비 0.12, 0.24, 0.47, 0.71, 0.95, 1.18, 1.42의 경 우에 대해 배출가스를 분석하였다. 당량비 1을 기준으로 1보 다 크면 과농혼합기, 1일 경우 양론혼합기, 1보다 작으면 희 박혼합기로 분류된다.
Fig. 2는 당량비에 따른 프로판 화염과 프로필렌 화염의 질소산화물 배출 결과이다. 실험 결과로 희박혼합기 구간에 서는 당량비 증가에 따라 두 연료 모두 질소산화물의 배출 량이 증가하였다. 이는 당량비 증가와 함께 챔버 내부의 온 도가 증가했기 때문이다(Cho et al., 2009). 연소과정에서 반응 하는 공기 중의 질소는 고온에서 산화되어 질소산화물 형태 를 가진다. 특히 양론혼합기에서는 연소 온도가 가장 높기 때문에 챔버 내부의 온도는 최대점에 이르고 질소산화물의 배출량이 가장 크다(Park et al., 2008). 반면, 과농혼합기 구간 에서는 당량비 증가에 따라 질소산화물의 배출량이 감소하 며, 두 연료의 질소산화물 배출량 차이가 증가하는 경향을 보였다. 과농혼합기 구간의 당량비 증가에 따른 질소산화물 의 감소는 배출된 질소의 환원 반응이 활성화되기 때문이다 (Kim et al., 2016). 과농혼합기에서는 산소 함유량이 풍부하 기 때문에 반응과정에서 질소산화물을 질소(N2)로 환원시키 는 과정이 존재하므로 질소산화물의 배출량이 감소한다 (Moon et al., 1999). 결과적으로 프로필렌 화염의 사용은 당량 비에 관계없이 프로판 화염 사용보다 질소산화물 배출량을 감소시킬 수 있다.
Fig. 3은 프로판 화염과 프로필렌 화염에서 배출된 이산화 탄소량과 당량비 관계를 나타낸다. 두 연료 모두 이산화탄 소 배출량 경향은 당량비가 증가함에 따라 미약한 감소를 보였다. 전체 결과를 분석하면, 이산화탄소의 배출은 당량비 와 관계없이 프로판 화염이 프로필렌 화염과 비교해 평균 22.7 % 이상 많은 양이 발생하였다.
2.2 열 분포 및 연료 소모 특성
또한 본 연구에서는 선박용 강재인 SS400(Lee et al., 1996) 후판을 화염으로 절단 가공할 때, 화염 종류에 따른 강재의 온도분포와 연료 소모 특성을 확인하였다. Fig. 4는 SS400 후 판의 온도분포를 측정하기 위한 실험구성을 보여준다. 실험 시스템의 구성은 Fig. 1의 구성과 유사하다. Fig. 4와 같이 온 도의 분포를 가시적으로 확인하기 위해 thermal camera를 추 가로 설치하였고, 동시에 후판의 온도분포를 측정하기 위한 thermocouple과 midi logger GL840을 추가 설치하였다. 500 mm 정사각 후판의 두께는 30 mm이다. 후판 전체의 온도분포 측 정을 위해 판을 가로 3개 구역, 세로 3개 구역, 총 9개의 정 사각 구역으로 나누었다. 각 구역 중앙부에 thermocouple을 설치하였으며, thermocouple 사이의 간격은 약 160 mm이다. 설 치된 thermocouple을 이용하여 후판 9개 구역의 온도분포를 각각 측정하였다. 화염의 분출구는 채널 5번 위치인 후판 뒷 면 정중앙에 60 mm 이격하여 설치하였다.
Fig. 5는 프로판 화염을 이용한 화염으로 가열한 후판의 온도분포이다. Fig. 5에서 보이는 바와 같이 화염이 직접 닿 는 위치인 5번 채널에서의 온도가 가장 높게 확인되었다. 주 변 채널의 온도 증가는 상대적으로 완만한 결과를 보였다. 전체적으로 프로판 화염은 가열 시간 증가에 따라 온도가 지속해서 상승하는 경향을 보였다.
Fig. 6은 프로필렌 화염을 이용하여 후판을 가열하였을 때 채널별 온도분포를 보여준다. 프로필렌 연료를 사용해 가열 한 경우 프로판 연료와 다르게 약 400초 이후 온도 상승의 기울기가 완만해지며, 온도가 일정온도에 수렴하는 듯한 경 향을 보였다. 또한, 프로판 연료와 마찬가지로 화염이 직접 가해지는 5번 채널에서의 온도가 가장 높게 나타났다. 반면 주변 채널로의 열전달이 상대적으로 용이하여 프로판 화염 결과보다 주변 채널의 온도 상승 폭이 크게 나타남을 확인 하였다.
Fig. 7은 각 화염을 사용하였을 때 시간에 따른 온도분포 이다. 결과로 프로판 화염의 온도분포는 프로필렌 화염의 온도분포에 비해 다소 집중된 분포를 보였다. 이는 재료의 국부적인 손상과 변형을 발생시킬 수 있다. 나아가 프로필 렌 화염의 연소는 프로판 화염보다 다소 안정적인 모습을 보였으며, 전체로의 열 전파가 프로판 화염보다 빠름을 확 인할 수 있다.
Fig. 8은 프로판 화염과 프로필렌 화염의 시간에 따른 연 료 소모량을 나타내었다. Fig. 8에 보이는 결과 값은 당량비 가 0.95로 양론혼합기에 근접한 경우를 선택하였다. 그 이유 는 당량비가 1일 때 연료는 가장 높은 온도로 연소하므로 (Lee et al., 2013) 화염이 강재에 가할 수 있는 가장 높은 온 도 조건을 부여할 수 있기 때문이다. 초기에는 프로판이 프 로필렌보다 연료 소모량이 높은 결과를 보였으며, 연소 시 작 600초 이후 유사한 소모량을 가졌다. Table 2와 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 프로필렌 연료는 프로판연료에 비해 초기 의 연료소모가 적고 화염온도가 더 높다. 높은 화염온도는 철판의 가공속도를 향상할 수 있으며, 생산성 증대로 이어 질 수 있다.
실험에서 프로판 화염과 프로필렌 화염의 배출가스 특성 을 비교한 결과, 프로필렌 연료 사용은 질소산화물과 이산 화탄소의 배출량을 줄일 수 있으므로 후판의 절단 가공 시 연료로 활용하면 친환경 효과를 기대할 수 있다.
프로필렌 연료의 친환경 이점은 확인되었지만 이를 대체 연료로 사용하려면 가공 후 구조 강재의 기계적 성능 검증 이 필요하다. 즉, 강재를 화염으로 가공할 때, 각 화염의 열 분포에 의한 재료의 기계적 특성 변화에 관한 연구가 필요 하다. 따라서 선박의 주요 후판 재료인 SS400을 대체 연료 후보인 프로필렌 화염으로 가공한 후 재료의 기계적 특성에 미치는 변화를 분석하였다. 화염을 이용한 절단 가공이 강 재의 인장 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 프로판 화 염을 이용해 절단한 강재와 프로필렌 화염을 이용해 절단한 강재, 열 영향을 받지 않은 강재를 시편으로 제작하여 인장 시험 수행 및 비교하였다.
3. 기계적 시험
3.1 시험편 준비
시편 제작을 위해 SS400 모재를 각각 프로판 연료와 프로 필렌 연료를 사용하여 절단하였다. 절단면은 각 연료 화염 에 의한 열 영향을 받은 부분이므로, 각각의 절단면을 채취 하여 인장 시편 형태로 가공하였다. 시편의 종류는 각 연료 화염에 의한 기계적 특성의 변화를 확인하기 위해 열 영향 을 받지 않은 시편(RW), 프로판 화염으로 절단한 시편(PA), 프로필렌 화염으로 절단한 시편(PY)으로 나누어 독립적으로 제작하였으며 과정은 Fig. 9와 같다. 열 영향을 받지 않은 시 편의 제작을 위해 모재를 CNC(Computer Numerical Control)를 이용하여 1 mm 두께의 판을 제작하였다. 열 영향을 받은 시 편의 경우 프로판 화염과 프로필렌 화염을 이용하여 모재로 부터 1 mm의 판을 채취하였다. 세가지 종류의 채취한 1 mm 두께의 판을 CNC 가공을 이용하여 소형인장시험편 형태로 제작하였다. 시편은 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해 종류 별로 7개, 총 21개를 제작하였다.
각각의 화염 연료별 열 분포 특성이 재료의 열 경화에 미 치는 영향을 확인하기 위해 인장시험을 통한 인장 변형률을 확인하였다. 시편의 앞면은 화염을 직접 받은 부분이며, 뒷 면은 화염으로부터 두께인 1 mm만큼 떨어진 부분이다.
시편의 치수는 Fig. 10과 같다. 소형 인장 시편의 각 치수 에 대한 기준이 명확하지는 않으나 두께(T)의 경우 평행부 너비(W)의 0.2배 이하가 되지 않도록 하였으며(Yoon et al., 2003), ASTM E8/E8M(ASTM, 2013)을 참고하여 제작하였다. 시편의 전체 길이(L)는 75 mm, 물림부의 너비(C)는 15 mm, 물 림부의 길이(B)는 20 mm이다. 평행부 길이(A)는 24 mm, 평행 부 너비는 4 mm, 모서리반지름(R)은 5.5 mm, 두께는 1 mm이다.
3.2 인장시험
인장시험은 ASTM E8/E8M(ASTM, 2013)을 준용하여 수행 하였다. 시험 장비는 Fig. 11과 같이 SALT 사의 ST-1000 UTM(Universal Testing Machine) 장비를 사용하여 수행하였다. 장비의 maximum load cell capacity는 3 kN, 인장시험 속도는 2 mm/min으로 시편이 완전 파단에 도달할 때까지 실험을 진 행하였다.
열 경화에 의한 변형률 차이를 확인하기 위해 시편의 앞 과 뒷면에 스트레인게이지를 부착하여 각 면의 변형률을 측 정하였다. 스트레인게이지의 신호는 NI(National Instrument)의 PXI 장비를 이용하여 계측하였다. 내장 프로그램인 NI Signal Express 2015로 스트레인 데이터를 기록하였으며, 데이터는 초당 100개의 데이터를 입력받도록 설정하였다. 실험과정 에서 얻은 하중 값과 변형률 값의 Time step을 일치시키기 위해 UTM 장비의 하중 gain 설정 또한 초당 100개로 설정 하였다.
4. 기계적 시험 결과
각 실험 결과들의 COV(Coefficient of Variable)를 계산해 보 았을 때 평균 약 5 % 이하의 결과를 보였기 때문에 실험 결 과의 신뢰성이 확보되었음을 확인하였다. Fig. 12 ~ 15의 결과 는 각 경우의 대표 결과 값을 사용하였다.
Fig. 12는 열 영향을 받지 않은 시편의 공칭응력-변형률 곡선이다. 그래프 내부에 삽입된 보조 그래프는 스트레인게 이지로 계측한 시편의 변형률을 시간에 따라 나타낸 그래프 이다. RW 시편의 실험 결과로 시편의 탄성계수는 앞면 191.3 GPa, 뒷면 192.7 GPa의 결과로 매우 유사한 값을 가졌 다. 인장강도 404.3 MPa에서 초기 항복 거동을 보였으며, 변 형률 0.002 ~ 0.046, 인장응력 404.3 ~ 434.4 MPa 구간에서 지속 적인 항복 거동을 보였다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 파 단 변형률은 0.146이며, 앞면과 뒷면의 일치율은 99.4 %로 매 우 유사한 결과를 보였다. RW 시편의 실험 결과, 열 영향이 없을 때, 시편 양쪽 면의 변형률 특성은 동일함을 확인하였 다. 이 결과를 기준으로 PA 시편과 PY 시편에 각각 작용한 프로판 화염과 프로필렌 화염의 영향을 분석하고자 한다.
Fig. 13 ~ 15의 그래프 범례에 표현된 Direct와 Indirect는 각 각 시편의 앞면과 뒷면을 의미하며, 열 영향을 받은 PA 시편 과 PY 시편의 경우 Direct는 화염이 직접 닿은 부분이며, Indirect는 Direct에서 두께 1 mm만큼 떨어진 면이다.
Fig. 13에는 프로판 화염의 영향을 받은 시편의 공칭응력- 변형률 선도를 나타내었다. 시편의 탄성계수는 앞면 195.5 GPa, 뒷면 197.6 GPa의 결과로 매우 유사한 값을 가졌다. 탄성계수 는 RW 시편과 유사한 결과를 얻었으며, 프로판 화염에 의한 탄성계수의 변화는 미미한 것으로 판단된다. PA 시편은 인 장강도 400.5 MPa에서 초기 항복 거동을 보였으며, 변형률 0.002 ~ 0.025, 인장응력 400.5 ~ 427.3 MPa 구간에서 지속적인 항 복 거동을 보였다. 반면, 변형률 경화의 시작점에서 앞면과 뒷면의 변형률 차이가 발생하였다. 내부 보조 그래프의 공 칭 변형률 0.023 지점에서 최초로 변형률 차이가 관찰되기 시작했으며, 나아가 파단 변형률 값은 94.3 %의 일치율을 보 였다. 파단 변형률은 Direct가 Indirect보다 낮은 값을 보였으 며, RW 시편의 결과와 명확한 차이가 관찰되었다. 파단 변 형률의 차이가 발생한 이유는 Direct 부분에 발생한 열 경화 에 의함이다(Park et al., 2017).
Fig. 14는 프로필렌 화염 영향을 받은 시편의 공칭응력-변 형률 선도이다. 시편의 탄성계수는 앞면 208.7 GPa, 뒷면 209.9 GPa의 결과를 보였다. 특히, 결과에서 주목할만한 점은 파단 변형률이 RW 시편과 비교해 52.3 %로 감소하였다. 동 시에 변형률 경화 지점이 0.005 지점으로 당겨지는 현상을 보였다. 이는 상대적으로 높은 입열량을 가지는 프로필렌 화 염에 의해 열 경화 발생량이 증가하였기 때문이다(Park et al., 2016). 파단 변형률의 경우 앞면과 뒷면의 차이가 눈에 띄게 증가하였다. RW와 PA 시편에 비해 뚜렷한 항복점이 관찰되 지 않았으며, 일정 범위의 지속적인 항복 거동 또한 나타나지 않았다. 이는 열 가공에 의한 잔류응력의 영향으로 불분명해 진 것으로 판단된다(Andrew Pytel and Jaan Kiusalaas, 2013).
Fig. 15는 RW, PA, PY 시편의 인장 거동을 비교한 결과이 다. 화염 영향에 의한 인장 특성의 변화를 확인하기 위해 시 편의 앞면에서 추출한 변형률 데이터를 활용하여 공칭응력- 변형률 그래프를 작성하였다. 각 시편의 극한 인장강도 결 과는 RW 시편은 524.3 MPa, PA 시편은 524.9 MPa, PY 시편은 534.9 MPa로 나타났다. 극한 인장강도 결과로부터 프로필렌 대체 연료 사용 시 극한 인장강도 저하에 미치는 영향은 없 는 것으로 판단된다.
Fig. 16은 각 시편에 대해 Direct와 Indirect에서의 파단 변형 률을 정리한 선도이다. 먼저 RW 시편의 경우 열 영향이 없 으므로 시편의 앞면과 뒷면이 동일한 변형률 결과를 보이 며, 이 값을 reference value로써 비교하였다. RW 시편을 기준 으로 PA 시편의 결과를 분석해보면, 열을 간접적으로 받은 Indirect의 변형률이 Direct에 비해 큰 값을 보이는데, 이는 열 영향을 직접 받은 Direct 부분에 열 경화가 상대적으로 크게 발생하였기 때문이다. PY 시편의 경우 PA 시편보다 Indirect 와 Direct의 결과가 모두 낮은 값을 보였으며, 특히 RW 시편 보다 Indirect의 변형률 감소 폭이 큰 것을 확인할 수 있었다. 이는 프로필렌 화염의 경우 프로판 화염과 비교해 상대적으 로 높은 화염온도를 가지기 때문에 열에 의한 재료의 경화 가 두께 방향으로 미치는 영향이 PA보다 크며, Indirect 부분 까지 상당한 경화를 발생시켰을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 선박 강재 가공을 위해 사용되는 프로판 화염과 대체 연료로 주목받고 있는 프로필렌 화염의 친환경 특성, 열 분포 특성과 각 화염으로 가공된 시편의 인장 특성 을 비교하였다.
온실가스감소 효과를 살펴보기 위해 프로필렌 화염과 프 로판 화염의 배출가스와 열 분포 특성을 분석하였다. 연구 결과, 프로필렌 화염은 프로판 화염보다 질소산화물과 이산 화탄소 배출량이 적게 나타났다. 화염의 열 분포 특성의 경 우 프로판 연료는 열 분포가 국부적으로 집중되는 반면, 프 로필렌 화염의 열 분포는 상대적으로 넓은 범위로 열전달이 이루어지기 때문에 열 집중에 의한 국부 손상을 방지할 수 있다. 동시에 프로필렌 연료는 프로판 연료보다 연료 소모 량을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한 프로판 화염과 프로필렌 화염으로 절단 가공한 시편 의 인장 특성을 비교한 결과, 프로필렌 화염이 재료의 최대 인장강도에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 확인되었다.
결론적으로 프로필렌 연료는 프로판 연료에 비해 안전하 며, 가공 후 품질이 우수하다. 선박용 강재 가공 과정에서 대체 연료로써 프로필렌을 사용할 때 온실가스 저감효과, 재료의 국부 변형 방지 및 연료 소모량 절감을 기대할 수 있 다.
향후, 본 연구에서 연구된 결과를 바탕으로 조선소 및 현 장에서 강재 가공 및 절단 등의 현장 테스트와 현장 모니터 링을 통해 프로필렌 화염을 이용한 향상된 강재 가공법 및 환경오염 감소에 관한 연구를 지속해서 수행할 예정이다.
