비철금속/ 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황보고(IX)
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차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (IX)
-마그네슘 용탕 표면 보호를 위한 청정 생산 방안-

정 홍 규(부산대학교 ERC/NSDM 전임연구원)/강 충 길(부산대학교 기계공학부 교수)

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials(IX)
-Cleaner Production Technologies for the Surface Protection of Molten Magnesium-


Hong-Kyu Jung(Researcher of Engineering Research Center for Net Shape and Die Manufacturing (ERC/NSDM), School of Mechanical Engineering, Pusan National University)
Chung-Gil Kang(Faculty Member of School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

ABSTRACT: The current method of magnesium melt protection uses a cover gas mixture that results in the formability of a thin, coherent and stable film on the melt surface. The cover gas usually contains air or CO2, combined with a small amount of an inhibiting agent. Sulphur hexafluoride (SF6) has proved to be a successful inhibitor with an effective protection of molten magnesium at concentrations as low as 0.1 vol. %. The recommended concentrations of the sulphur hexafluoride must also be less than 0.5 vol. %. However, the increasing cost of SF6 and concern regarding the contribution of SF6 to the greenhouse effect has resulted in the need for a more detailed examination of these cover gas techniques. So, this contribution presents the cleaner production technologies for the surface protection of the molten magnesium.
Keywords: Cover gas mixture, Greenhouse effect, Molten magnesium, Sulphur hexafluoride (SF6), Surface protection.

1. 서 론

차세대 친환경 경량 소재를 이용한 부품 성형 공정에 관한 국제적 논의는 환경 관련 규제가 강화됨에 따라 기존의 성형법으로는 새로운 환경적 여건을 극복하기 어렵다는 판단 하에 독일, 네덜란드 등 EU 회원국들은 1992년 구주 통합을 계기로 환경 정책의 통합을 추진하는 과정에서 오염 물질이나 폐기물 발생의 예방을 환경 정책의 최우선 과제로 삼게됨에 따라 환경 정책의 기조는 산업계에 있어서 청정 생산 공정의 시도를 불가피하게 하는 계기가 되었다.
국제 표준화 기구 (ISO)의 소위원회에서도 환경 경영 체제 (EMS), 수명 주기 평가 (LCA) 등 청정 생산에 관하여 구체적으로 논의하고 있다.
마그네슘 합금은 종류에 따라서 다소 차이가 있으나 650∼680 의 저온에서 용해가 가능하기 때문에 재생에 필요한 에너지 소모가 적으며, 최초의 마그네슘 합금 잉곳 제조 시 필요한 에너지의 1/4 정도만으로도 재생이 가능하기 때문에 에너지 효율적인 차세대 대표적인 청정 비철 소재라고 할 수 있다.
그러나 마그네슘 합금은 산소와의 친화력이 크고 증기압이 높아 용탕이 대기에 노출되었을 경우 격렬한 산화 및 발화가 일어나므로, 합금의 용해 및 주조 공정에서 산화 및 발화를 억제하기 위해 보호성 가스 (SO2 또는 SF6)를 용탕 표면에 도포하여 용탕을 보호하는 있지만 SO2의 경우 인체에 유독하며, SF6의 경우 지구 온난화의 주범이 되고 있다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (IX)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 용탕 표면 보호를 위한 청정 생산 방안에 관하여 기술 하고자 한다.

2. 마그네슘 용탕 표면 보호를 위한 청정 생산 방안

초창기에는 마그네슘 용탕 표면을 보호하는 방안으로 염화물계 용제를 표면에 도포하여 용탕과 산소와의 접촉을 차단하는 방법이 사용되었지만, 마그네슘 용탕과 용제와의 반응에 의해 용탕의 일부가 손실될 뿐만 아니라 주조 과정에서 불순 반응물이 유입되어 최종 제품의 기계적 성질 및 내식성에 치명적인 영향을 끼침에 따라 용제를 사용하는 대신에 보호성 가스를 도포하여 용탕을 보호하는 방법이 사용되고 있다.
보호성 가스로는 SO2 가 오래 전부터 사용되어 왔으나 SO2는 인체에 유독하며, 스틸 재질의 장비를 부식시켜 장비의 수명을 단축시키기 때문에 사용이 제한되고 있다.
이 후 Ar이나 N2 등의 불활성 가스를 이용하여 용탕을 보호하는 방안이 시도되었으나, 실제 산업 현장에 적용하기에는 용탕 보호 효과가 미미하였다.
용제 (Flux)를 사용하지 않고 보호성 가스를 이용하여 용탕을 보호하는 무용제 공정 (Fluxless process)이 산업 현장에 본격적으로 적용되기 시작한 시점은, 보호성 가스로서 SF6의 응용 기술이 획립된 1970년 이 후이며, 그 후 무용제 공정에 기초하여 마그네슘 관련 산업은 현재까지 비약적인 발전을 거듭해 왔다.
SF6는 무색 무취로 다른 보호성 가스에 비해 특별히 인체에 해롭지는 않지만 공기와 비교하여 비중이 약 5배이며, 800 까지는 열적으로 안정하여 마그네슘 용탕 보호에 적합하다 (마그네슘의 융점은 650 이며, 현재 마그네슘 다이 캐스팅의 경우 670∼720 온도에서 조업이 이루어진다).
대기 중으로 방출되는 SF6의 대부분은 Electric power industry에서 방출되고 있지만, 마그네슘 합금의 용해 및 주조 공정에서의 사용량 및 배출량도 약 30 %에 이른다 (1997년 미국 통계). SF6의 방출량은 현재 방출되는 온실 가스의 총량을 기준으로 할 때 많은 양이 아니지만, SF6는 GWP (Global Warming Potential)가 23,900으로 온실 가스로 분류되고 있는 가스중 가장 효과가 큰 가스이다.
또한, 대기 중에서 분해되지 않고 남아 있는 기간으로 볼 때 메탄은 10년, 이산화 탄소 및 프레온 가스는 약 100년으로 추정되는 반면, SF6는 32,00년으로 극히 오랜 기간 분해되지 않고 대기 중에 잔존하기 때문에 연간 방출되는 양이 작더라도 오랜 기간 누적되면 그 파장이 엄청난 가스이다.
대기 중의 SF6의 농도를 조사한 결과에 의하면 1953년이래 SF6의 농도가 수백 배 증가한 것으로 보고되고 있다.
그러나 현재까지는 SF6의 사용이 불가피하며, SF6의 사용 공정 및 설비를 최소화함으로써 방출되는 SF6의 양을 줄이려는 노력이 경주되고 있다. SF6의 농도가 일정량 이상이 되면 용탕의 표면에서 SF6는 분해되어 HF 및 SO2가 발생하고, 수분이 존재하는 분위기에서는 두 가지 가스 모두 산을 형성하면서 도가니로 사용하는 스틸 소재의 벽에 다공질의 스케일을 만든다.
이는 부식의 원인 되는데 부식 속도는 SF6의 농도가 증가함에 따라 급격히 증가한다. 따라서 IMA (International Magnesium Association)에서는 보호성 가스로 사용하는 SF6의 농도를 0.5 % 이하로 권장하며, 혼합 가스의 수분 함량을 줄이도록 하고 있다.
SO2의 경우 공기와 일정량 혼합하여 사용하면 용탕의 표면에 두꺼운 산화층을 형성하여 산화 속도를 낮추지만, 형성되는 산화층이 SF6를 사용할 때의 산화층에 비해 용탕 보호 효과가 떨어지고, 작업자의 눈이나 목에 손상을 준다는 문제점이 있다.
그러나, 최근 SO2 사용에 관한 많은 연구가 진행되면서 공기와 1∼4 %의 SO2를 혼합한 보호성 가스의 경우 산화 억제 효과가 크고 인체에 크게 해롭지 않으며, 폭발의 원인이 되는 퇴적 현상도 나타나지 않는 것으로 보고되고 있다.
이와 같이 SO2를 사용하는 공정 개발에 관한 연구 외에 최근 호주에서는 HFC-134a를 이용하여 마그네슘 용탕을 보호하는 기술을 개발했다고 발표하였다.
이들의 주장에 따르면 HFC-134a의 용탕 보호 효과는 SF6의 용탕 보호 효과 이상이며, GWP가 SF6의 1/18 정도이고, 가격도 SF6의 1/3인 장점이 있는 것으로 보고하였다.
그러나 아직까지는 실험실 규모의 결과로 현재 양산용 설비에의 적용 연구를 수행중인 것으로 알려져 있다.
그러나 HFC-134a 또한 GWP가 1,300으로 SF6의 GWP에는 미치지 못하나 역시 강력한 온실 가스이며, 현재 그 사용을 제한하고자 하는 가스중의 하나로서 SF6의 사용을 완전 대체하기에는 미흡한 점이 있다.
현재 가장 현실적이며 지구 온난화를 억제할 수 있는 마그네슘 용탕 보호 방법으로 첨가 원소를 이용하여 마그네슘 용탕의 산화를 근본적으로 억제하는 기술이 개발되고 있다. 이와 같은 연구는 일본, 한국, 중국 등의 아시아 국가 및 독일에서 연구되고 있는데 마그네슘에 Al, Be, Ca 등을 첨가하게 되면 고온에서도 마그네슘 용탕의 산화 및 발화가 극도로 억제되는 것으로 보고하고 있다.
일반적인 다이 캐스팅 공정에서도 산화 억제를 위해 합금에 약 5∼30 ppm의 Be를 첨가하고 있으나, SF6 등의 보호성 분위기를 제거하는 경우 내산화성이 급격히 감소한다.
반면 Ca을 첨가하는 경우 마그네슘 용탕 표면에 치밀한 산화층을 형성하여 산화 및 발화를 극도로 억제하기 때문에 가장 유력한 SF6의 절감 및 대체 방안으로 제시되고 있으며 Ca를 첨가하는 마그네슘 합금의 내산화성을 보다 향상시켜 실용화하기 위한 연구가 진행 중에 있다.
일본에서 1990년대 초 난연성 마그네슘 합금이라는 이름으로 개발된 Ca을 첨가한 합금은 발화의 억제 효과가 우수하여 마그네슘 합금임에도 불구하고 대기 중에서 용해를 한 후 주조할 수 있는 합금이며, 현재 실용화를 위한 본격적인 연구를 수행하고 있다.
그러나 이와 같은 내산화성을 얻기 위해서 첨가해야 하는 Ca의 양은 합금의 화학적 및 기계적 특성을 변화시킬 수 있는 양이기 때문에 특성 변화에 관한 연구와 더불어 용도에 따른 새로운 차세대 맞춤 마그네슘 합금의 설계 (Next-generation tailored magnesium alloy design: NTMAD) 및 적용 연구가 향 후 SF6의 절감 및 대체의 열쇠이다.

3. 결 론

본 저자는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 용탕 표면 보호를 위한 청정 생산 방안에 관하여 기술하였다.
OECD, ISO 및 유엔 환경 계획 (United Nations Environmental Plan) 등 여러 국제 기구에서도 청정 생산에 관한 논의가 활발히 진행되고 있으며, 지속 가능한 산업 발전을 달성하기 위한 산업계의 핵심적인 역할로서 청정 생산의 중요성이 부각됨에 따라 전 세계적으로 청정 생산이 이 시대의 화두가 되고 있다.
지구의 환경을 개선하고 청정 생산을 보다 효율적으로 확산하기 위해서는 지속 가능한 생산과 소비를 위한 실천적 방안, 청정 생산 기술 혁신, 생태 효율성 및 녹색 생산성 등 환경 예방적 전략을 구현하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 청정 생산과 환경 경영 체제 (EMS)간의 상호 연계 강화를 통하여 보다 체계적이고 장기적인 청정 생산에 대한 투자의 확대, 기술 협력 및 구체적인 활성화 방안이 심도 깊게 강구되어야 할 것으로 사료된다.

본 원고에 대한 문의는 저자: 정 홍 규/ E-mail: hongkyuj@hanmail.net

Acknowledgments

The authors would like to express their appreciations to the ERC/NSDM, CANSMC (RRC), KITECH, KNCPC, KIMM, KOSEF, KISTI, KISTEP, ITEP, MOST (Ministry of Science and Technology), MOCIE (Ministry of Commerce, Industry and Energy), OPM (Office of the Prime Minister) and NSTC (National Science & Technology Council) for providing the invaluable aid and helpful assistance.

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