KR20090005145A - A component for supercritical water oxidation plants, made of an austenitic stainless steel alloy - Google Patents

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로베르트 라우티오
토마스 오델스탐
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산드빅 인터렉츄얼 프로퍼티 에이비
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Abstract

The present invention relates to a component with improved corrosion resistance for use in supercritical water oxidation plants. The component is made of an austenitic stainless steel alloy comprising 15-30 % Cr and 20-35 % Ni.

Description

오스테나이트계 스테인리스 강 합금으로 제조된 초임계수 산화 플랜트용 구성품 {A COMPONENT FOR SUPERCRITICAL WATER OXIDATION PLANTS, MADE OF AN AUSTENITIC STAINLESS STEEL ALLOY}Components for Supercritical Water Oxidation Plants Made of Austenitic Stainless Steel Alloys {A COMPONENT FOR SUPERCRITICAL WATER OXIDATION PLANTS, MADE OF AN AUSTENITIC STAINLESS STEEL ALLOY}

본 발명은 수열 산화, 보다 자세하게는 초임계수 산화 (SCWO) 를 실시하도록 구성된 플랜트용 오스테나이트계 스테인리스 강 합금제 구성품에 관한 것이다. 이러한 산화에 대해서는, 특히 환경적인 이유로 인해 다수의 폐기물을 없애는 방법으로서 많은 잠재적인 관심을 받고 있다.The present invention relates to components of austenitic stainless steel alloys for plants configured to effect hydrothermal oxidation, more particularly supercritical water oxidation (SCWO). This oxidation has received a lot of potential attention as a method of removing a large number of wastes, especially for environmental reasons.

물을 적어도 221 bar 로 가압하고 374℃ 이상의 온도로 가열하면, 그 내부의 유기물과 가스가 완전히 용해되는 한 그 물리적 특성이 급격하게 변하게 되어 질량 이송 구속을 없애게 되는 초임계 상태에 진입하게 된다. 이러한 조건하에서 유기 구성물에 산소가 첨가되면, 매우 급속한 또한 효율적인 파괴 반응이 실시된다. 사실, 유기물의 종의 특성에는 상관없이 순식간에 99.999% 의 파괴 효율이 달성될 수 있다.When water is pressurized to at least 221 bar and heated to a temperature above 374 ° C., as long as the organics and gases therein are completely dissolved, their physical properties change drastically and enter a supercritical state that eliminates mass transfer constraints. When oxygen is added to the organic constituents under these conditions, very rapid and efficient destruction reactions are carried out. In fact, 99.999% destruction efficiency can be achieved in a matter of seconds, regardless of the nature of the species of the organic matter.

SCWO 공정을 산업으로 실시가능하도록 하기 위해 최근 수십년간 다양한 플랜트가 개발되었다. 이러한 플랜트의 설계를 변경할 수 있더라도, 그 플랜트내의 공정은 기본적으로 저장 탱크로부터의 폐수, 즉 유기 구성물과 무기 구성물을 포함 하는 물 슬러지를 고압 펌프에 의해 반응 용기로 유입하는 단계에 의해 실시되고, 상기 반응 용기내의 수압은 예를 들어 250 bar, 또는 적어도 임계 레벨 221 bar 이상으로 승압된다. 물은, 또한 반응 용기로 들어가기 전에 가열기 및 절탄기에 의해 예열되고, 보다 자세하게는 약 400℃, 즉 374℃ 의 임계온도 이상으로 예열된다. 다른 탱크로부터의 산소가 증발기를 통하여 반응 용기로 펌펑되어, 반응 용기내에서 산화가 바로 실시된다. 그 후, 자동열 공정으로 열을 발생시키고 또한 온도를 550 ~ 600℃ 로 추가로 상승시키면서 유기물이 용해된다. 이러한 공정은 폐수내의 유기물의 함량이 낮더라도 (3 ~ 6%) 실시되는데, 이는 절탄기를 통하여 반응기쪽으로 통과하는 폐수를 가열하기 위해 여분의 열이 항상 이용가능하다는 것을 의미한다. 또한, 상기 플랜트는 반응기를 나오는 처리된 수 상을 처리하기 위한 장치, 예를 들어 증기 보일러, 냉각기, 감압 장치, 가스/액체 분리기 등을 포함한다. 이러한 구성품 모두는 다양한 배관에 의해 상호연결되고 또한 밸브, 축압기, 감압 장치, 유체 진동기, 분사기, 노즐, 필터, 트랩 등의 다른 구성품에 의해 제어된다.Various plants have been developed in recent decades to make the SCWO process industrially feasible. Although it is possible to change the design of such a plant, the process in the plant is basically carried out by the step of introducing waste water from the storage tank, ie water sludge containing organic and inorganic components, into the reaction vessel by means of a high pressure pump, The water pressure in the reaction vessel is elevated to, for example, 250 bar, or at least at a critical level of 221 bar. The water is also preheated by a heater and a coal mill prior to entering the reaction vessel, and more particularly preheated above a critical temperature of about 400 ° C, ie 374 ° C. Oxygen from the other tank is pumped through the evaporator into the reaction vessel so that oxidation takes place directly in the reaction vessel. After that, the organic substance is dissolved while generating heat by an automatic heat process and further raising the temperature to 550 to 600 ° C. This process is carried out even if the organic content in the wastewater is low (3-6%), which means that extra heat is always available to heat the wastewater passing through the coal mill to the reactor. The plant also includes devices for treating the treated water phase exiting the reactor, for example steam boilers, coolers, pressure reducing devices, gas / liquid separators and the like. All of these components are interconnected by various piping and are also controlled by other components such as valves, accumulators, pressure reducing devices, fluid vibrators, injectors, nozzles, filters, traps and the like.

실제로, SCWO 공정은 거의 무한정의 폐기물을 중화하는데 사용될 수 있다. 따라서, 시영 물 슬러지는 그 내부의 유기물을 완전히 파괴하면서 처리될 수 있다. 그 후에, 배출물 중 비위험 물질인 무기 물질은 매립되거나 재생용 원료로서 사용될 수 있다. 가치있는 무기 물질을 포함하는 폐기물은 다르게 사용되기도 한다. 재생될 수 있는 순수 무기물 상은 남겨두고 유기 오염물은 완전히 파괴된다. 이러한 적용의 예로서는 종이 필러를 재생하면서 종이 슬러지를 탈묵 하는 (de-inking) 것 또한 귀금속을 재생하면서 폐 촉매를 처리하는 것이다. 또한, 폐수로부터 활성 조제 첨가물을 제거할 수 있고, 그리고 할로겐화 폐기물은 다이옥신 등의 위험한 부산물을 형성하지 않도록 파괴된다. 소각에 대한 대안으로서 SCWO 공정이 특별한 관심을 받고 있는데, 그 이유는 질소를 포함하는 폐기물을 NOx 를 형성하지 않고서 파괴할 수 있기 때문이다.Indeed, the SCWO process can be used to neutralize almost unlimited waste. Thus, municipal sludge can be treated while completely destroying the organic matter therein. Thereafter, the inorganic substances, which are non-hazardous substances in the discharge, can be buried or used as raw materials for regeneration. Wastes containing valuable inorganic materials may be used differently. Organic contaminants are completely destroyed, leaving behind a pure mineral phase that can be recycled. An example of such an application is to de-inking paper sludge while regenerating paper fillers and also to treat waste catalysts while regenerating precious metals. It is also possible to remove the active aid additives from the waste water, and the halogenated waste is destroyed so as not to form dangerous byproducts such as dioxins. As an alternative to incineration, the SCWO process is of particular interest because it can destroy wastes containing nitrogen without forming NOx.

어떠한 SCWO 플랜트에 있어서 환경은 일반적으로 매우 엄격하다. 특히, 반응 용기 및 그에 연결된 배관에서의 환경은 부식성일 수 있고, 다수의 종이 상이한 구성품의 재료에 대하여 매우 공격적이다. 예를 들어, 질산, 황산 및 염산 등의 산이 있고, 이러한 산은 270 ~ 380℃ 범위에서도 강한 부식성을 가진다. 그리하여, 공격성 및 부식성의 종과 접촉하는 어떠한 표면은 단시간에 부식되거나 그렇지 않으면 열화될 위험성이 있다.In any SCWO plant, the environment is generally very strict. In particular, the environment in the reaction vessel and the piping to which it is connected can be corrosive, and many species are very aggressive against materials of different components. For example, there are acids such as nitric acid, sulfuric acid and hydrochloric acid, and these acids have strong corrosiveness even in the range of 270 to 380 ° C. Thus, any surface in contact with aggressive and corrosive species is at risk of being corroded or otherwise degraded in a short time.

SCWO 플랜트에서의 공격적인 조건에 의해 유발되는 이러한 문제를 해결하기 위해서, 플랜트의 상이한 구성품에 대한 재료의 선택이 중요하지만 까다롭다. 현재, 통상의 구성 재료로서는 Alloy 625 이고, 이는 가열기, 절탄기, 반응기, 증기 보일러, 및 증발기 등의 플랜트 장치 뿐만 아니라 튜브와 플레이트 등의 단일 구성품에 사용된다. Alloy 625 를 사용하는 주요 이유로서는, 고압 (250 bar) 및 고온 (600℃) 을 견디고, 또한 예를 들어 270 ~ 380℃ 의 온도 범위에서 공정 유체의 내부식성을 적절하게 갖는데, 이는 이러한 장치와 구성품은 수용가능한 수명을 얻을 수 있음을 의미한다. 하지만, Alloy 625 등의 고합금 니켈계 등급의 심각한 단점은, 니켈과 몰리브덴의 고함량으로 인해 매우 값비싸고 그로 인해 플랜 트의 설치시 투자 비용이 크게 된다는 것이다. 니켈의 고함량 관점에서 Alloy 625 와 유사한 다른 오스테나이트계 스테인리스 강 합금으로는 C 276 이다. 이러한 등급 둘다 니켈을 60% 이상 포함한다.In order to solve this problem caused by aggressive conditions in SCWO plants, the choice of materials for the different components of the plant is important but difficult. Currently, the common constituent material is Alloy 625, which is used in plant devices such as heaters, coal mills, reactors, steam boilers, and evaporators, as well as single components such as tubes and plates. The main reasons for using Alloy 625 are to withstand high pressures (250 bar) and high temperatures (600 ° C.), and also to have adequate corrosion resistance of the process fluid in the temperature range of, for example, 270 to 380 ° C., which is such devices and components. Means that an acceptable lifetime can be obtained. However, a serious disadvantage of high alloyed nickel-based grades such as Alloy 625 is that they are very expensive due to the high content of nickel and molybdenum, resulting in high investment costs for plant installation. Another austenitic stainless steel alloy similar to Alloy 625 from the high nickel content is C 276. Both of these grades contain at least 60% nickel.

구성 재료의 비용을 줄이기 위해서, SCWO 플랜트에 아주 적절한 양의 니켈 (8 ~ 15%) 과 크롬 (18 ~ 20%) 을 포함하는 304 L 과 316 L 등의 저합금 등급을 사용하는 시도를 해보았고, 그 결과 고합금 등급에 비하여 저렴하였다. 하지만, 304 L 및 316 L 둘 다 고압 (221 bar) 또한 초임계 온도 (374℃) 바로 이하의 영역에 있는 유체의 고 부식성을 견디지 못함을 알았다.To reduce the cost of the constituent materials, we have attempted to use low alloy grades, such as 304 L and 316 L, which contain very suitable amounts of nickel (8-15%) and chromium (18-20%) in SCWO plants. As a result, it was cheaper than the high alloy grade. However, it was found that both 304L and 316L did not withstand the high corrosiveness of the fluid in the region just below the high pressure (221 bar) and the supercritical temperature (374 ° C).

상기 특허문헌에서, SCWO 플랜트에 니켈계 및 고합금 스테인리스 강 합금을 사용하는 것은, 예를 들어 미국특허 제 6,958,122 호 (인코넬 및 하스텔로이) 및 미국특허 제 5,804,066 호 (인코넬) 에 기재되어 있고, 저합금 316 L 의 사용에 대해서는 미국특허 제 5,823,220 호에 기재되어 있다.In this patent document, the use of nickel-based and high-alloy stainless steel alloys in SCWO plants is described, for example, in US Pat. Nos. 6,958,122 (Inconel and Hastelloy) and US Pat. No. 5,804,066 (Inconel). The use of alloy 316 L is described in US Pat. No. 5,823,220.

완벽을 기하기 위해, 또한 SCWO 플랜트에서 대체로 구성품의 라이닝 및 코팅으로서의 세라믹 및/또는 서멧의 사용은 미국특허 제 5,358,645 호, 제 5,461,648 호, 및 제 5,545,337 호에 제안되어 있다. 세라믹은 상당한 내부식성을 가지만, 이 세라믹은 구성 설계의 자유도를 엄청난 정도로 제한하는데, 이는 예를 들어 기계적 강도, 용접성, 기능성 등에 있어서 플랜트의 다양한 구조를 최상으로 실시할 수 없음을 의미한다.For the sake of completeness, the use of ceramics and / or cermets as a lining and coating of components in general in SCWO plants is also proposed in US Pat. Nos. 5,358,645, 5,461,648, and 5,545,337. Although ceramics have considerable corrosion resistance, they limit the degree of freedom of construction design to a great extent, which means that the various structures of the plant cannot be best implemented, for example in mechanical strength, weldability, functionality, and the like.

초임계수 산화가 다양한 면에서, 예를 들어 환경적으로 우수하다는 사실 및 위험한 폐기물을 안전하게 다룰 수 있는 능력에도 불구하고, 전술한 공지된 구성 재료의 단점은 소각 등의 폐기물 파괴의 전통적인 방법에 대한 매력적인 대안법이 되도록 SCWO 기법을 개량하고 상용화하는데 방해가 된다. 그리하여, 합리적으로 저렴하고 또한 그럼에도 불구하고 내부식성, 기계적 강도, 온도 강도, 용접성 및 기계가공성에 적합한 구성 재료에 대한 요구가 여전히 존재한다.Despite the fact that supercritical water oxidation is in many respects, for example, environmentally superior and the ability to safely handle hazardous wastes, the disadvantages of the known constituent materials described above are attractive for traditional methods of waste destruction such as incineration. It would hinder the improvement and commercialization of the SCWO technique as an alternative. Thus, there is still a need for construction materials that are reasonably inexpensive and nevertheless are suitable for corrosion resistance, mechanical strength, temperature strength, weldability and machinability.

본 발명은, 전술한 요구를 충족하고 초임계 또는 거의 초임계 용액과 직접 접촉하게 되는, 즉 유럽특허공보 제 1194606 호에 기재된 상표명 SANDVIK SANICRO

Figure 112008076212730-PCT00001
25 의 등급 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강을 제공한다. 그리하여, SANDVIK SANICRO
Figure 112008076212730-PCT00002
25 는 아주 적절한 함량의 고가 성분 (무엇보다도 니켈) 을 포함하여 Alloy 625 및 Alloy C 276 보다 생산 비용이 적다는 사실에도 불구하고, 특히 상기 특허문헌에 기재된 합금은 큰 기계적 부하에 성공적으로 대처할 뿐만 아니라 SCWO 환경에서 수용가능한 내부식성을 제공하는 것으로 판명났다.The present invention meets the above requirements and comes in direct contact with a supercritical or near supercritical solution, ie the trade name SANDVIK SANICRO described in EP 1194606.
Figure 112008076212730-PCT00001
It provides an austenitic stainless steel in grade 25. Thus, SANDVIK SANICRO
Figure 112008076212730-PCT00002
In spite of the fact that 25 is less expensive to produce than Alloy 625 and Alloy C 276, including a very high content of expensive components (most of all nickel), the alloys described in this patent document not only successfully cope with large mechanical loads, It has been found to provide acceptable corrosion resistance in SCWO environments.

후속의 부식 시험에 대한 보고에 따르면, SANDVIK SANICRO

Figure 112008076212730-PCT00003
25 는, 내부식성 및 수명에 있어서 고합금 등급 A 625 만큼 적어도 양호하며 어떤 면에서는 보다 훨씬 낫다.According to reports of subsequent corrosion tests, SANDVIK SANICRO
Figure 112008076212730-PCT00003
25 is at least as good as high alloy grade A 625 in corrosion resistance and service life and in some ways even better.

본원에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강 합금은 20 ~ 35 중량% 니켈 (Ni) 과 15 ~ 30 중량% 크롬 (Cr) 을 포함한다.Austenitic stainless steel alloys according to the present disclosure comprise 20 to 35 weight percent nickel (Ni) and 15 to 30 weight percent chromium (Cr).

보다 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 합금은 20 ~ 35 중량% 니켈 (Ni); 15 ~ 30 중량% 크롬 (Cr); 및 0.5 ~ 6.0 중량% 구리 (Cu) 를 포함한다.In a more preferred embodiment, the alloy comprises 20 to 35 weight percent nickel (Ni); 15-30% chromium (Cr); And 0.5-6.0 wt% copper (Cu).

실제로, 본원에 따른 합금은 20 ~ 35 중량% 니켈 (Ni); 15 ~ 30 중량% 크롬 (Cr); 0.5 ~ 6.0 중량% 구리 (Cu); 0.01 ~ 0.10 중량% 탄소 (C); 0.20 ~ 0.60 중량% 니오븀 (Nb), 0.4 ~ 4.0 중량% 텅스텐 (W); 0.10 ~ 0.30 중량% 질소 (N); 0.5 ~ 3.0 중량% 코발트 (Co); 0.02 ~ 0.10 중량% 티타늄 (Ti); 4.0 중량% 이하의 몰리브덴 (Mo); 0.4 중량% 이하의 규소 (Si); 및 0.6 중량% 이하의 망간 (Mn) 을 바람직하게 포함하고, 잔부는 철 및 통상의 제강 불순물이다.Indeed, alloys according to the present disclosure may comprise 20 to 35 weight percent nickel (Ni); 15-30% chromium (Cr); 0.5-6.0 wt.% Copper (Cu); 0.01-0.10 weight percent carbon (C); 0.20 to 0.60 weight percent niobium (Nb), 0.4 to 4.0 weight percent tungsten (W); 0.10 to 0.30 wt% nitrogen (N); 0.5 to 3.0 weight percent cobalt (Co); 0.02-0.10 weight percent titanium (Ti); Up to 4.0% molybdenum (Mo); 0.4 wt% or less of silicon (Si); And up to 0.6% by weight manganese (Mn), with the balance being iron and common steelmaking impurities.

도 1 은 350 ℃ 에서 시뮬레이팅된 SCWO 환경에 125 시간 동안 노출될 때 본원에 따른 2 개의 합금 및 Alloy 625 의 중량 변화를 도시한 도면, 및1 shows the weight change of two alloys and Alloy 625 according to the present application when exposed to a simulated SCWO environment at 350 ° C. for 125 hours, and

도 2 는 600 ℃ 에서 시뮬레이팅된 SCWO 환경에 125 시간 동안 노출될 때 본원에 따른 2 개의 합금 및 Alloy 625 의 중량 변화를 도시한 도면.FIG. 2 shows the weight change of two alloys and Alloy 625 according to the present application when exposed to a simulated SCWO environment at 600 ° C. for 125 hours.

본원의 바람직한 실시형태에 따라 사용되는 합금의 성분은 이하와 같다 (모든 %는 중량% 이다).The components of the alloy used according to the preferred embodiment of the present application are as follows (all% are by weight).

니켈nickel

니켈은 안정적인 오스테나이트 조직을 보장하기 위한 주요 성분이다. 조직 안정성은, 한편으로는 크롬, 규소, 텅스텐, 티타늄 및 니오븀 등의 페라이트 안정제, 다른 한편으로는 니켈, 탄소 및 질소 등의 오스테나이트 안정제의 상대량에 따른다. 승온 상태에서 장시간 있은 후에, 특히 고온 내부식성 및 높은 크리프 파단 강도를 보장하기 위해 필요한 고함량의 크롬, 텅스텐 및 니오븀을 사용할 때, 시그마 상의 형성을 억제하기 위해서, 니켈 함량은 적어도 20%, 바람직하게는 적어도 22.5% 이어야 한다. 또한, 니켈은 25% 이상일 수 있다. 특정 크롬 레벨에서, 니켈 함량이 증가됨으로써 산화물 성장률을 억제하고 또한 연속적인 크롬 산화물층을 형성하는 경향을 향상시킨다. 하지만, 재료 비용을 합리적인 수준으로 유지하기 위해서는, 니켈 함량은 35% 를 초과하지 말아야 하며, 바람직하게는 32% 초과하지 말아야 한다. 이러한 점을 고려하여, 합금 중 니켈 함량은 20 ~ 35% 범위로 한정된다.Nickel is a major component to ensure a stable austenite structure. The tissue stability depends on the relative amounts of ferrite stabilizers such as chromium, silicon, tungsten, titanium and niobium on the one hand and austenite stabilizers such as nickel, carbon and nitrogen on the other. After prolonged periods at elevated temperature, the nickel content is at least 20%, preferably in order to suppress the formation of sigma phases, especially when high amounts of chromium, tungsten and niobium are required to ensure high temperature corrosion resistance and high creep rupture strength. Should be at least 22.5%. Nickel may also be at least 25%. At certain chromium levels, the nickel content is increased to inhibit oxide growth and also to improve the tendency to form a continuous chromium oxide layer. However, in order to keep material costs at a reasonable level, the nickel content should not exceed 35%, preferably not 32%. In view of this, the nickel content in the alloy is limited to the 20 to 35% range.

크롬chrome

크롬은 일반적인 내부식성 및 내산화성을 향상시키는데 효과적이다. 이러한 면에서 충분한 내부식성 및 내산화성을 얻기 위해서, 크롬 함량은 적어도 15% 로 정해진다. 바람직하게는 20% 이상의 크롬이 추가될 수 있다. 하지만, 크롬 함량이 27% 를 초과하여 30% 에 도달하면, 안정적인 오스테나이트 조직을 생성하기 위해서는 니켈 함량이 더 증가되어야 한다. 30% 를 초과하는 크롬 함량은 니켈 함량을 너무 많이 (35% 이상) 증가시킬 것을 필요로 하여 비용 효율적인 조성을 보장하지 못한다. 이러한 이유로 인해, 크롬 함량은 15 ~ 30%, 바람직하게는 20 ~ 27% 범위로 한정된다.Chromium is effective in improving general corrosion and oxidation resistance. In order to obtain sufficient corrosion and oxidation resistance in this respect, the chromium content is set at least 15%. Preferably at least 20% chromium may be added. However, if the chromium content exceeds 30% and reaches 30%, the nickel content must be further increased to produce a stable austenite structure. Chromium content above 30% requires increasing the nickel content too much (35% or more), which does not guarantee a cost effective composition. For this reason, the chromium content is limited to the range of 15 to 30%, preferably 20 to 27%.

구리Copper

크리프 파단 강도를 개선하는데 기여하면서 매트릭스내에 미세하게 그리고 균일하게 석출된 구리 농후 상을 생성하기 위해 구리가 첨가된다. 이러한 효과는 적어도 0.5% 함량의 구리를 필요로 하고, 약 2% 함량으로 현저하게 향상된다. 구리는 또한 황산에 대한 일반적인 내부식성을 개선하기 위해 첨가된다. 하지만, 과도한 함량 (6% 이상) 의 구리는 가공성을 감소시키게 된다. 또한 경제적인 이유로 인해, Cu 함량은 적절하게, 예를 들어 3.5% 로 유지되어야 한다. 이러한 점을 고려하여, 구리 함량은 0.5 ~ 6%, 바람직하게는 2 ~ 3.5% 범위로 한정된다.Copper is added to create fine and uniformly precipitated copper rich phases in the matrix while contributing to improving creep rupture strength. This effect requires at least 0.5% content of copper and significantly improves to about 2% content. Copper is also added to improve the general corrosion resistance to sulfuric acid. However, excessive amounts of copper (6% or more) will reduce workability. In addition, for economic reasons, the Cu content should be kept at an appropriate level, for example 3.5%. In view of this, the copper content is limited to the range of 0.5 to 6%, preferably 2 to 3.5%.

탄소carbon

탄소는 고온 강에 필요한 적절한 인장 강도와 크리프 파단 강도를 제공하는데 효과적인 성분이다. 하지만, 너무 많은 탄소가 첨가되면, 합금의 인성이 감소되고 또한 용접성이 열화될 수 있다. 게다가, 탄소 함량이 너무 높으면 SCWO 환경에서 내부식성을 감소시킨다. 이러한 이유로 인해, 탄소 함량은 최대 0.1% 로 한정된다. 바람직하게는 탄소 함량은 0.04 ~ 0.08% 일 수 있다.Carbon is an effective component for providing the proper tensile strength and creep rupture strength required for high temperature steels. However, if too much carbon is added, the toughness of the alloy may be reduced and the weldability may be degraded. In addition, too high a carbon content reduces corrosion resistance in the SCWO environment. For this reason, the carbon content is limited to a maximum of 0.1%. Preferably the carbon content may be 0.04 to 0.08%.

니오븀Niobium

니오븀은 일반적으로 탄질화물 및 질화물의 석출에 의해 크리프 파단 강도의 향상에 기여하는 것으로 여겨진다. 하지만, 과도한 함량의 니오븀은 용접성 및 가공성을 감소시킬 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 니오븀 함량은 0.20 ~ 0.60% 범위로 한정된다. 바람직하게는, 니오븀 함량은 0.33 ~ 0.50% 이어야 한다.Niobium is generally believed to contribute to the improvement of creep rupture strength by precipitation of carbonitrides and nitrides. However, excessive amounts of niobium can reduce weldability and processability. In view of this, the niobium content is limited to the range of 0.20 to 0.60%. Preferably, the niobium content should be 0.33 to 0.50%.

텅스텐과 몰리브덴Tungsten and molybdenum

주로 고용체 경화에 의해 고온 강도를 향상시키기 위해 텅스텐이 첨가되고, 이러한 효과를 얻기 위해서는 최소 0.4% 가 필요하다. 또한, 텅스텐과 몰리브 덴은 SCWO 환경에서 일반적인 내부식성에 기여한다. 하지만, 몰리브덴과 텅스텐은 시그마 상의 형성을 촉진시킨다. 강도의 향상에 있어서, 몰리브덴보다는 텅스텐이 보다 효과적인 것으로 여겨진다. 이러한 이유 및 경제적인 이유로 인해, 몰리브덴 함량은 적게, 0.5% 이하, 바람직하게는 0.02% 보다 낮게 유지된다. 충분한 가공성을 유지하기 위해서, 텅스텐 함량은 4% 초과하지 말아야 하며, 그리하여 텅스텐 함량은 0.4 ~4%, 바람직하게는 1.8 ~ 3.5 % 범위로 한정된다.Tungsten is added mainly to improve the high temperature strength by solid solution hardening, and at least 0.4% is required to obtain this effect. Tungsten and molybdenum also contribute to the general corrosion resistance in SCWO environments. However, molybdenum and tungsten promote the formation of sigma phases. In improving the strength, tungsten is believed to be more effective than molybdenum. For these and economic reasons, the molybdenum content is kept low, below 0.5%, preferably below 0.02%. In order to maintain sufficient processability, the tungsten content should not exceed 4%, so that the tungsten content is defined in the range of 0.4-4%, preferably 1.8-3.5%.

질소nitrogen

탄소 뿐만 아니라 질소도 승온 상태, 예를 들어 500℃ 이상에서의 강도 및 크리프 파단 강도를 향상시키고 또한 오스테나이트 상을 안정화시키는 것으로 알려졌다. 하지만, 질소를 과도하게 첨가하면, 합금의 인성 및 연성을 감소시킨다. 이러한 이유로 인해, 질소의 함량은 0.10 ~ 0.30%, 바람직하게는 0.20 ~ 0.25% 범위로 한정된다.It is known that not only carbon but also nitrogen improves strength and creep rupture strength at elevated temperatures, for example 500 ° C. or higher, and also stabilizes the austenite phase. However, excessive addition of nitrogen reduces the toughness and ductility of the alloy. For this reason, the content of nitrogen is limited to the range of 0.10 to 0.30%, preferably 0.20 to 0.25%.

코발트cobalt

코발트는 오스테나이트 안정화 원소이다. 코발트를 첨가함으로써, 승온 상태에서 장기간 노출된 후에 시그마 상의 형성을 억제하고 또한 고용체의 강화에 의해 고온 강도를 향상시킬 수 있다. 하지만, 제조 비용을 합리적인 수준으로 유지하기 위해서, 코발트 함량은, 첨가된다면, 0.5 ~ 3.0% 범위로 하여야 한다.Cobalt is an austenite stabilizing element. By adding cobalt, it is possible to suppress the formation of sigma phase after prolonged exposure at elevated temperature and to improve the high temperature strength by strengthening the solid solution. However, in order to keep manufacturing costs at a reasonable level, the cobalt content, if added, should be in the range of 0.5-3.0%.

티타늄titanium

탄질화물, 탄화물 및 질화물의 석출에 의해 크리프 파단 강도를 개선시키 위해서 티타늄이 첨가된다. 하지만, 과도한 함량의 티타늄은 용접성 및 가공성을 감소시킬 수 있다. 이러한 이유로 인해, 티타늄의 함량은, 첨가된다면, 0.02 ~ 0.10% 범위로 한정된다.Titanium is added to improve creep rupture strength by precipitation of carbonitrides, carbides and nitrides. However, excessive amounts of titanium can reduce weldability and processability. For this reason, the content of titanium, if added, is limited to the range of 0.02 to 0.10%.

본원에 따른 강 합금으로 제조되는, 초임계 또는 거의 초임계 용액과 직접 접촉하게 되는 구성품 또는 구조 부재의 일예로서는, 튜브, 플레이트, 바아, 봉 (rods), 스트립, 호일, 라이닝, 블록, 슬리브, 와이어, 빔, 거더 (girders), 필라 (pillars) 및 웨브일 수 있다. 이러한 구성품 모두는 또한 (개별적으로 또는 조합하여) 반응기, 산소 탱크, 슬러지 수탱크, 증발기, 절탄기, 증기 보일러, 냉각기, 가스/액체 분리기 뿐만 아니라 다양한 밸브, 축압기, 감압 장치, 유체 진동기, 분사기, 노즐, 필터 및 트랩 등의 완성된 SCWO 플랜트에 포함되는 다양한 기구 및 장치를 구성하도록 사용될 수 있다. 튜브와 플레이트는 전술한 강 합금으로부터 제조하기가 간단하다.As an example of a component or structural member which is made of the steel alloy according to the present application in direct contact with a supercritical or near supercritical solution, there are tubes, plates, bars, rods, strips, foils, linings, blocks, sleeves, Wires, beams, girders, pillars, and webs. All of these components are also (individually or in combination) reactors, oxygen tanks, sludge water tanks, evaporators, coal mills, steam boilers, coolers, gas / liquid separators, as well as various valves, accumulators, pressure reducers, fluid vibrators, injectors. It can be used to construct various instruments and devices included in the finished SCWO plant, such as nozzles, filters and traps. Tubes and plates are simple to manufacture from the aforementioned steel alloys.

SCWO 플랜트의 반응기의 상류측 및 하류측 필요 장비에 관해서, 본 발명에 따른 구성품, 즉 전술한 바와 같이 강 합금으로 이루어진 구성품을 사용함으로써, Alloy 625 등의 고합금 등급에 대한 비용에 비하여 SCWO 플랜트의 설치와 관련된 재료의 비용을 대략 25 ~ 40% 감소시키는 것으로 예상된다. 따라서, 본 발명은 추후의 개량 및 환경에 해롭지 않도록 유기 폐기물을 없애는 방법으로서 SCWO 기법을 사용하는데에 긍정적인 기여를 한다.With respect to the necessary equipment upstream and downstream of the reactor of the SCWO plant, by using the components according to the invention, i.e. the components made of steel alloys as described above, the cost of the high alloy grades such as Alloy 625, It is expected to reduce the cost of materials associated with installation by approximately 25-40%. Therefore, the present invention makes a positive contribution to the use of the SCWO technique as a method of eliminating organic waste in order to be improved later and not harmful to the environment.

시험 보고Test report

거의 임계 및 초임계 용액 조건하에서 내부식성을 결정하기 위해서 상이한 3 개의 초합금을 시험하였다. 초합금을 29 MPa 의 압력 및 350℃ 와 600℃ 의 각 각의 온도에서 125 시간 동안 노출하였다. 가혹한 SCWO 환경을 시뮬레이팅하기 위해서, 상기 용액은 염화 이온과 산소를 포함하였다. 시험된 합금의 조성은 표 1 에 기재하였고, 실험 조건은 표 2 에 요약하였다. 2 개의 실행 (runs) 은 단지 적용된 온도만 상이하고, 그리하여 유체의 밀도도 상이하다.Three different superalloys were tested to determine corrosion resistance under near critical and supercritical solution conditions. The superalloy was exposed for 125 hours at a pressure of 29 MPa and at temperatures of 350 ° C. and 600 ° C., respectively. In order to simulate a harsh SCWO environment, the solution contained chloride ions and oxygen. The compositions of the tested alloys are listed in Table 1 and the experimental conditions are summarized in Table 2. The two runs differ only in the temperature at which they are applied, and so also in the density of the fluid.

Figure 112008076212730-PCT00004
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Figure 112008076212730-PCT00005
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합금 중에서 사각형의 쿠폰 (cupons) 을 절취하여, 그 후에 (80 ~ 100 메시) 연삭하고 (9 ~ 0.25㎛ 다이아몬드) 연마하였다. 이 쿠폰은 전술한 실험 조건에 노출되기 전후에 중량을 측정하였다. 실험시 형성된 표면층은 전계 방출형 주사 전자 현미경 (SEM) 및 X 선 마이크로분석 (EDX) 에 의해 조사되었다. 쿠폰의 다른 시험은 광학 현미경으로 하였다. 현미경 관찰을 통하여 부식 공격을 평가하였다.Square coupons were cut out of the alloy, then ground (80-100 mesh) and ground (9-0.25 μm diamond). This coupon was weighed before and after exposure to the experimental conditions described above. The surface layer formed during the experiment was examined by field emission scanning electron microscopy (SEM) and X-ray microanalysis (EDX). Other tests of coupons were made with an optical microscope. Corrosion attack was evaluated through microscopic observation.

350℃ 에 대한 결과Results for 350 ℃

시험을 받은 쿠폰은 추후의 중량측정 (back-weighing) 및 다른 검사 단계를 수행하기 위해 정류수 및 아세톤으로 세척되고, 최종적으로 송풍 건조되었다. 이 시험에서는 중량 변화로 나타나는 상당한 재료의 손실이 나타났다. 노출전의 중량 및 치수 그리고 350℃ 에서의 실행 후의 중량 변화량은 표 3 에 나타내었다. 평균값은 도 1 에 도시하였다.The coupons tested were washed with rectified water and acetone and finally blow dried to perform later back-weighing and other testing steps. This test resulted in significant material loss resulting from weight change. The weight and dimensions before exposure and the weight change after execution at 350 ° C. are shown in Table 3. The average value is shown in FIG.

Figure 112008076212730-PCT00006
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Figure 112008076212730-PCT00007
Figure 112008076212730-PCT00007

쿠폰은 주사 전자 현미경 (SEM) 에 의해 촬영된 후, 에너지 분산형 X 선 분광법 (EDX) 으로 표면층의 원소 조성을 분석하였다. 표면의 마이크로분석 결과, 스케일의 조성은 주로 산화물과 소량의 염소로 되어 있는 것으로 나타났고, 그 결과는 표 4 에 나타내었다.The coupon was photographed by scanning electron microscopy (SEM), and the elemental composition of the surface layer was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). As a result of micro analysis of the surface, the composition of the scale was mainly composed of an oxide and a small amount of chlorine, and the results are shown in Table 4.

600℃ 에 대한 결과Results for 600 ℃

노출 후에 샘플에서는 주목할만한 부식 공격이 관찰되지 않았다. 시편의 표면에는 단지 얇은 산화물층이 잔류하고, 약간의 중량 증가를 나타내었다. 노출 전의 중량 및 치수 그리고 600℃ 에서 실행 후의 중량 변화량은 표 5 에 나타내었다. 평균값은 도 2 에 도시되어 있다.No significant corrosion attack was observed in the sample after exposure. Only a thin layer of oxide remained on the surface of the specimen and showed a slight weight increase. The weight and dimensions before exposure and the weight change after running at 600 ° C. are shown in Table 5. The average value is shown in FIG.

쿠폰은 주사 전자 현미경 (SEM) 에 의해 촬영된 후, 에너지 분산형 X 선 분광법 (EDX) 으로 표면층의 원소 조성을 분석하였다. EDX 분석을 통하여, 얇은 층의 산화 조성물이 형성되었음을 확인하였다. EDX 결과는 표 6 에 요약되었다.The coupon was photographed by scanning electron microscopy (SEM), and the elemental composition of the surface layer was analyzed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). EDX analysis confirmed that a thin layer of oxidizing composition was formed. EDX results are summarized in Table 6.

Figure 112008076212730-PCT00008
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Figure 112008076212730-PCT00009
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본원에 따른 구성품은, 이 구성품이 초임계 또는 거의 초임계 용액과 직접 접촉했을 때 향상되거나 견줄만한 내부식성과 함께, 통용되는 SCWO 플랜트의 구성 재료에 견줄만한 기계적 강도를 제공한다.The component according to the present invention provides mechanical strength comparable to the constituent materials of SCWO plants that are commonly used, with improved or comparable corrosion resistance when the component is in direct contact with a supercritical or near supercritical solution.

Claims (14)

오스테나이트계 스테인리스 강 합금으로 제조되는, 초임계수 산화물 플랜트용 구성품으로서, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강 합금은,A component for a supercritical water oxide plant, made of an austenitic stainless steel alloy, wherein the austenitic stainless steel alloy is 15 ~ 30 중량% 크롬 (Cr) 과,15 to 30 wt% chromium (Cr); 20 ~ 35 중량% 니켈 (Ni) 을 포함하고,20 to 35 weight percent nickel (Ni), 상기 구성품은 초임계 또는 거의 초임계 용액과 직접 접촉하게 되는 구성품.The component is in direct contact with the supercritical or near supercritical solution. 제 1 항에 있어서, 상기 합금은,The method of claim 1, wherein the alloy, 15 ~ 30 중량% 크롬 (Cr),15 to 30 wt% chromium (Cr), 20 ~ 35 중량% 니켈 (Ni), 및20 to 35 weight percent nickel (Ni), and 0.5 ~ 6.0 중량% 구리 (Cu) 를 포함하는 구성품.Component comprising 0.5 to 6.0 wt% copper (Cu). 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 0.01 ~ 0.10 중량% 탄소 (C) 를 더 포함하는 구성품.The component of claim 1, wherein the alloy further comprises 0.01 to 0.10 wt% carbon (C). 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 4.0 중량% 이하의 몰리브덴 (Mo) 을 더 포함하는 구성품.The component of claim 1, wherein the alloy further comprises up to 4.0 wt% molybdenum (Mo). 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 0.2 ~ 0.6 중량% 니오븀 (Nb) 을 더 포함하 는 구성품.The component of claim 1, wherein the alloy further comprises 0.2-0.6 weight percent niobium (Nb). 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 0.4 ~ 4.0 중량% 텅스텐 (W) 을 포함하는 구성품.The component of claim 1, wherein the alloy comprises 0.4 to 4.0 wt% tungsten (W). 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 0.10 ~ 0.30 중량% 질소 (N) 를 포함하는 구성품.The component of claim 1, wherein the alloy comprises 0.10 to 0.30 wt% nitrogen (N). 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 0.5 ~ 3 중량% 코발트 (Co) 를 더 포함하는 구성품.The component of claim 1, wherein the alloy further comprises 0.5 to 3 weight percent cobalt (Co). 제 1 항에 있어서, 상기 합금은 0.02 ~ 0.10 중량% 티타늄 (Ti) 을 포함하는 구성품.The component of claim 1, wherein the alloy comprises 0.02 to 0.10 wt% titanium (Ti). 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 플레이트, 튜브, 바아, 봉, 스트립, 호일, 라이닝, 슬리브, 블록, 와이어, 빔, 거더, 필라 및 웨브의 형태로 된 구성품.The component according to claim 1, in the form of plates, tubes, bars, rods, strips, foils, linings, sleeves, blocks, wires, beams, girders, pillars and webs. 제 10 항에 있어서, 반응기, 산소 탱크, 슬러지 수탱크, 증발기, 절탄기, 증기 보일러, 냉각기, 가스/액체 분리기, 밸브, 축압기, 감압 장치, 유체 진동기, 분 사기, 노즐, 필터 및 트랩의 적어도 일부인 구성품.The method of claim 10, wherein the reactor, oxygen tank, sludge water tank, evaporator, coal mill, steam boiler, cooler, gas / liquid separator, valve, accumulator, pressure reducing device, fluid vibrator, separator, nozzle, filter and trap Components that are at least part of them. 초임계수 산화 플랜트에서 15 ~ 30 중량% Cr 과 20 ~ 35 중량% Ni 을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스 강 합금의 용도.Use of austenitic stainless steel alloys containing 15 to 30 wt% Cr and 20 to 35 wt% Ni in a supercritical water oxidation plant. 제 12 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강 합금은 초임계 또는 거의 초임계 용액과 직접 접촉하게 되는 오스테나이트계 스테인리스 강 합금의 용도.13. The use of an austenitic stainless steel alloy as claimed in claim 12, wherein the austenitic stainless steel alloy is in direct contact with a supercritical or near supercritical solution. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 오스테나이트계 스테인리스 강 합금은,The austenitic stainless steel alloy according to claim 12 or 13, 20 ~ 35 중량% 니켈 (Ni); 15 ~ 30 중량% 크롬 (Cr); 0.5 ~ 6.0 중량% 구리 (Cu); 0.01 ~ 0.10 중량% 탄소 (C); 0.20 ~ 0.60 중량% 니오븀 (Nb), 0.4 ~ 4.0 중량% 텅스텐 (W); 0.10 ~ 0.30 중량% 질소 (N); 0.5 ~ 3.0 중량% 코발트 (Co); 0.02 ~ 0.10 중량% 티타늄 (Ti); 4.0 중량% 이하의 몰리브덴 (Mo); 0.4 중량% 이하의 규소 (Si); 및 0.6 중량% 이하의 망간 (Mn) 을 포함하고, 잔부는 철 및 통상의 제강 불순물인 오스테나이트계 스테인리스 강 합금의 용도.20 to 35 weight percent nickel (Ni); 15-30% chromium (Cr); 0.5-6.0 wt.% Copper (Cu); 0.01-0.10 weight percent carbon (C); 0.20 to 0.60 weight percent niobium (Nb), 0.4 to 4.0 weight percent tungsten (W); 0.10 to 0.30 wt% nitrogen (N); 0.5 to 3.0 weight percent cobalt (Co); 0.02-0.10 weight percent titanium (Ti); Up to 4.0% molybdenum (Mo); 0.4 wt% or less of silicon (Si); And up to 0.6% by weight manganese (Mn), with the balance being iron and common steelmaking impurities.
KR1020087026946A 2006-05-02 2007-04-27 A component for supercritical water oxidation plants, made of an austenitic stainless steel alloy KR20090005145A (en)

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