KR100410699B1 - High and Low Pressure Integrated Rotor Alloy Steel for Steam Turbine - Google Patents

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KR100410699B1 KR10-2001-0004752A KR20010004752A KR100410699B1 KR 100410699 B1 KR100410699 B1 KR 100410699B1 KR 20010004752 A KR20010004752 A KR 20010004752A KR 100410699 B1 KR100410699 B1 KR 100410699B1
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Abstract

본 발명은 충격인성과 고온 크립강도의 성질이 우수한 증기터빈용 일체형 로타 합금강에 관한 것으로서, 특히 탄소 0.15 내지 0.45 중량%, 인 0.005 중량% 이하, 유황 0.005 중량% 이하, 망간 0.05 중량% 이하, 실리콘 0.05 중량% 이하, 니켈 1.0 내지 2.0 중량%, 크롬 1.0 내지 3.0 중량%, 몰리브덴 1.0 내지 2.0 중량%, 바나듐 0.1 내지 0.5 중량%, 나이비움 0.01 내지 0.05 중량%, 텅스텐 0.1 내지 0.4 중량%, 보론 0.001 내지 0.005 중량%, 인, 유황, 망간, 규소의 합이 0.2 중량% 이하, 잔부(殘部)는 철과 합금철 또는 제조과정 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로서 주석 0.001 중량% 이하, 비소 0.001 중량% 이하, 알미늄 0.02 중량% 이하의 화학조성으로 구성됨으로써, 종래에 증기터빈용 일체형 로타소재로 사용되어 왔던 강들에 비해 인, 유황, 망간, 규소와 같은 취성(脆性)원소를 최대한 억제시키고, 나오비움, 텅스텐, 보론을 최적으로 첨가해서 일체형 로타소재의 문제점인 충격인성과 고온 크립강도를 향상시켜 상기 충격인성과 고온 크립강도가 우수한 소재인 것을 특징으로 하며, 사용온도를 538℃에서 566℃로 증가시킴으로써 효율증가에 따른 연료비의 절감 및 오염배출량의 억제로 발전비용을 절감시킬 뿐만 아니라, 부수적인 수입대체의 효과도 얻을 수 있게 된다.The present invention relates to an integral rota alloy steel for steam turbines having excellent impact toughness and high temperature creep strength, and in particular, 0.15 to 0.45 wt% carbon, 0.005 wt% or less phosphorus, 0.005 wt% or less sulfur, 0.05 wt% or less manganese, silicon 0.05 wt% or less, nickel 1.0-2.0 wt%, chromium 1.0-3.0 wt%, molybdenum 1.0-2.0 wt%, vanadium 0.1-0.5 wt%, navidium 0.01-0.05 wt%, tungsten 0.1-0.4 wt%, boron 0.001 To 0.005% by weight, the sum of phosphorus, sulfur, manganese and silicon is 0.2% by weight or less, and the remainder is iron and alloy iron or impurities inevitably incorporated during the manufacturing process, and 0.001% by weight or less of tin and arsenic 0.001% by weight or less. , With a chemical composition of less than 0.02% by weight of aluminum, as much as possible to suppress brittle elements such as phosphorus, sulfur, manganese, and silicon, compared to steels that have been conventionally used as integral rota materials for steam turbines It is characterized in that the impact toughness and high temperature creep strength are improved by improving the impact toughness and high temperature creep strength, which are the problems of the integral rota material by optimally adding Naobium, tungsten and boron. By increasing the temperature to 566 ° C, not only the fuel cost and pollution emission reduction due to the efficiency increase, but also the power generation cost can be reduced, as well as an additional import replacement effect.

Description

증기터빈용 고압 및 저압 일체형 로타 합금강{High and Low Pressure Integrated Rotor Alloy Steel for Steam Turbine}High and Low Pressure Integrated Rotor Alloy Steel for Steam Turbine}

본 발명은 증기터빈용 고압부와 저압부에 각각 사용되는 로타 합금강의 충격인성 및 고온크립 성질을 향상시켜 상기 고압부와 저압부를 일체형으로 사용가능하도록 두 가지 성질을 동시에 만족시킨 합금강에 관한 것으로서, 특히 크롬(Cr)을 1.0∼3.0 중량% 함유한 강에 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 나이비움(Nb), 텅스텐(W), 보론(B) 등의 원소를 첨가하고, 인(P), 유황(S), 망간(Mn) 및 규소(Si)를 총중량 0.2중량% 이하로 규제하여, 충격인성과 고온크립 성질을 더욱 향상시킨 로타 합금강에 관한 것이다.The present invention relates to an alloy steel that satisfies both properties simultaneously to improve the impact toughness and high temperature creep properties of rota alloy steel used in the high pressure and low pressure portions of a steam turbine, so that the high pressure and low pressure portions can be used in one piece. To the steel containing (Cr) 1.0 to 3.0% by weight, elements such as nickel (Ni), molybdenum (Mo), vanadium (V), navy (Nb), tungsten (W) and boron (B) are added, The present invention relates to a rota alloy steel in which phosphorus (P), sulfur (S), manganese (Mn) and silicon (Si) are regulated to a total weight of 0.2% by weight or less, further improving impact toughness and high temperature creep properties.

일반적인 증기터빈용 로타의 소재로는 고압부에서는 고온 크립강도가 우수한1CrMoV 강이 주로 사용되어 왔고, 저압부에서는 인성이 우수한 3.5 NiCrMoV 강이 사용되어 왔는데, 이러한 소재로 제작되는 증기터빈용 일체형 로타는 고압부와 저압부에 사용되는 각각의 로타를 하나의 일체형인 로타로 제작함으로써 커플링이 없어져 로타의 길이가 줄어들게 되고, 또한 커플링을 제작하는데 필요한 기계장치나 하드웨어가 필요없게 된다.As a material for the rotor for general steam turbines, 1CrMoV steel having excellent high temperature creep strength has been mainly used in the high pressure section, and 3.5 NiCrMoV steel having excellent toughness has been used in the low pressure section. By manufacturing each rota used in the low pressure part and the one-piece rota, the coupling is eliminated and the length of the rota is reduced, and there is no need for the machinery or hardware required to manufacture the coupling.

따라서, 소요부지의 감소, 제작비용, 설치/운전비용의 절감 등 모든 면에서 장점을 지니고 있으나, 고압부와 저압부를 일체형으로 만들 때 요구되는 두 가지 특성을 동시에 모두 만족하는 강종의 개발이 매우 힘들다는 단점이 있다.Therefore, it has advantages in all aspects such as reduction of required site, manufacturing cost, and reduction of installation / operation cost, but it is very difficult to develop a steel grade that satisfies both characteristics required when making the high pressure part and the low pressure part in one piece. There are disadvantages.

특히, 고압부는 고온 크립강도가 요구되며, 저압부에서는 인성이 요구되는 상반된 성질을 요구하고 있어, 종래 1CrMoV 강과 동등한 크립강도를 가지면서 3.5 NiCrMoV 강과 비슷한 인성을 가지는 재료의 개발이 쉽지가 않다.In particular, the high pressure portion requires high temperature creep strength, and the low pressure portion requires the opposite property of requiring toughness, and thus it is not easy to develop a material having a creep strength equivalent to that of conventional 1CrMoV steel and having toughness similar to that of 3.5 NiCrMoV steel.

또한, 종래의 증기터빈용 일체형 로타의 소재는 충격인성이 낮을 뿐만 아니라, 장시간 사용에 따른 템퍼취성의 문제로 인해 연성-취성 천이온도(FATT:Fracture Appearance Transition Temperature) 증가와 고온크립 성질이 떨어지는 단점이 있으므로, 증기터빈용 고압 및 저압 일체형 로타가 안정적으로 운전되기 위해서는 고온 크립강도와 충격인성이 향상된 합금강 재료의 개발이 요구되어 진다.In addition, the conventional rotor rotor material for steam turbine is not only low impact toughness, but also due to the problem of temper brittleness due to long time use, the increase in ductility-brittle transition temperature (FATT) and low temperature creep properties Therefore, in order to operate the high pressure and low pressure integrated rotor for steam turbine stably, development of an alloy steel material having improved high temperature creep strength and impact toughness is required.

그래서, 고압부에서 사용되기 위한 고온 크립강도와 저압부에서 사용되기 위한 인성의 상반된 두 가지 요구성질을 만족시키기 위하여, 종래 고압로타의 소재인 1CrMoV 강(ASTM A 470 Class 8)과 저압로타의 소재인 3.5 NiCrMoV 강(ASTM A 470Class 7)을 조합하여 2.25CrMoV 강이나, 1.8NiCrMoV 강에 나오비움(Nb), 탄탈륨(Ta) 등을 첨가하여 크립강도나 인성을 향상시키거나, 칼슘(Ca), 세슘(Ce), 희토류 원소(REM:Rare Earth Metal) 등을 첨가하여 조합함으로써, 산화물, 황화물 등의 비금속 개재물을 구상화시켜 청정도와 기계적 성질을 향상시킨 합금강이 개발되어 있다.Thus, in order to satisfy the two opposite requirements of high temperature creep strength for toughness and toughness for use in the low pressure part, 1CrMoV steel (ASTM A 470 Class 8), which is a material of a high pressure rotor, and a low pressure rotor, Combination of 3.5 NiCrMoV steel (ASTM A 470Class 7) with 2.25CrMoV steel or 1.8NiCrMoV steel to add Navium (Nb) and tantalum (Ta) to improve creep strength, toughness, calcium (Ca) and cesium By adding and combining (Ce) and rare earth elements (REM: Rare Earth Metal), alloy steels which spheroidized non-metallic inclusions such as oxides and sulfides to improve cleanliness and mechanical properties have been developed.

그러나, 상기 합금강은 크립강도가 1CrMoV 강보다 떨어지며, 장시간 사용할 때에는 불순물 원소들에 의한 템퍼취성으로 인해 인성저하가 발생되는 문제를 막을 수 없었다.However, the alloy steel has a creep strength lower than that of 1CrMoV steel, and when used for a long time, the degradation of toughness due to temper brittleness due to impurity elements could not be prevented.

즉, 종래의 증기터빈용 일체형 로타강 중에 함유된 원소들만으로는 고온 크립강도와 충격인성을 동시에 향상시키는데 한계가 있고, 장시간 사용됨에 따라 인(P), 유황(S) 등과 같은 불순물 원소들이 결정입계에서 편석을 일으키게 되고, 망간(Mn), 규소(Si) 등과 같은 취성조장 원소들이 인(P)과 유황(S) 원소들의 입계편석을 더욱 조장하는 역할을 함으로써, 로타강의 사용 중 연성-취성 천이온도가 증가해서 조기에 열화되거나 균열발생의 가능성이 높아져, 설계수명까지 사용하지 못하고 교체가 불가피하게 되므로 막대한 경제적 손실이 발생하는 문제점이 있었다.That is, only elements contained in the conventional rota steel for steam turbines have a limit in improving high temperature creep strength and impact toughness at the same time, and impurity elements such as phosphorus (P) and sulfur (S) are used as grain boundaries for a long time. Segregation at the brittle and brittle constituent elements such as manganese (Mn) and silicon (Si) further enhance the grain boundary segregation of phosphorus (P) and sulfur (S) elements, leading to soft-brittle transition during the use of Rota steel. There is a problem in that a significant economic loss occurs because the temperature is increased early deterioration or the possibility of cracking, the design life can not be used and replacement is inevitable.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 증기터빈용 로타 소재의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 1.0∼3.0 중량%의 크롬(Cr)을 함유한 강에 고온크립 향상을 위해 나이비움(Nb), 텅스텐(W), 보론(B) 원소를 첨가하고, 인(P), 유황(S),망간(Mn) 및 규소(Si)를 규제하여, 고온 크립강도와 충격인성을 동시에 향상시킴으로써 장시간 사용하여도 상기 고온 크립강도와 충격인성이 저하되지 않는 증기터빈용 일체형 로타 합금강을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the problems of the conventional rotor material for steam turbines as described above, to improve the high temperature creep in steel containing 1.0 to 3.0% by weight of chromium (Cr), Nab (Nb), tungsten (W) and boron (B) elements are added, and phosphorus (P), sulfur (S), manganese (Mn) and silicon (Si) are regulated to improve high temperature creep strength and impact toughness simultaneously, even when used for a long time. An object of the present invention is to provide an integral rota alloy steel for a steam turbine in which the high temperature creep strength and impact toughness do not decrease.

도 1은 본 발명에 따른 합금강과 비교강의 항복강도와 연성-취성 천이온도의 관계를 도시한 그래프,1 is a graph showing the relationship between yield strength and ductility-brittle transition temperature of alloy steel and comparative steel according to the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 합금강들과 비교강들의 크립파단강도와 라슨-밀러 파라미터(Parameter)와의 관계를 도시한 그래프.2 is a graph showing the relationship between creep rupture strength and Larson-Miller parameter of alloy steels and comparative steels according to the present invention.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소(C) 0.15 내지 0.45 중량%, 인(P) 0.005 중량% 이하, 유황(S) 0.005 중량% 이하, 망간(Mn) 0.05 중량% 이하, 규소(Si) 0.05 중량% 이하, 니켈(Ni) 1.0 내지 2.0 중량%, 크롬(Cr) 1.0 내지 3.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.0 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.5 중량%, 나이비움(Nb) 0.01 내지 0.05 중량%, 텅스텐(W) 0.1 내지 0.4 중량%, 보론(B) 0.001 내지 0.005 중량%이며, 잔부(殘部)는 철과 합금철 또는 제조과정 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로서 주석(Sn) 0.001 중량% 이하, 비소(As) 0.001 중량% 이하, 알미늄(Al) 0.02 중량% 이하의 화학조성으로 구성된 소재를 증기터빈용 고압 및 저압 일체형 로타소재로 사용하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is 0.15 to 0.45% by weight of carbon (C), 0.005% by weight or less of phosphorus (P), 0.005% by weight or less of sulfur (S), 0.05% by weight or less of manganese (Mn), 0.05 wt% or less of silicon (Si), 1.0 to 2.0 wt% of nickel (Ni), 1.0 to 3.0 wt% of chromium (Cr), 1.0 to 2.0 wt% of molybdenum (Mo), 0.1 to 0.5 wt% of vanadium (V), age Empty (Nb) 0.01 to 0.05% by weight, tungsten (W) 0.1 to 0.4% by weight, boron (B) 0.001 to 0.005% by weight, the remainder is iron and ferroalloy or impurities inevitably mixed during the manufacturing process Tin (Sn) 0.001% by weight or less, arsenic (As) 0.001% by weight or less, aluminum (Al) 0.02% by weight of the chemical composition is characterized by using a high pressure and low pressure integrated rota material for steam turbines.

이하, 상기한 바와 같은 화학조성으로 구성된 증기터빈용 일체형 로타강의 각각의 성분을 상기와 같이 한정한 이유에 대하여 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the reasons for limiting the respective components of the integral rota steel for steam turbines composed of the chemical composition as described above are as follows.

1. 탄소(C)1. Carbon (C)

강 중에 과포화되어 있는 탄소는 급냉이나 템퍼링 도중에 탄화물로 석출되어, 석출강화, 고온크립 성질 향상 등의 원인이 된다. 연성-취성 천이온도를 향상시키기 위해서는 템퍼링 과정이나 단시간 측에서의 일시적인 탄화물 석출을 억제하고, 장시간측에서의 미세 탄화물을 석출시키기 위해서는 탄소함량이 낮아야 하나, 탄소가 0.15 중량% 이하가 되면 상온 기계적 강도가 저하되고 충격인성은 나빠지며, 0.45 중량% 이상이 되면 조대 탄화물이 형성되어 고온크립 성질이 감소되므로 탄소함량은 0.15 내지 0.45 중량%로 한다.Carbon supersaturated in steel precipitates as carbide during quenching and tempering, causing precipitation strengthening and improving high temperature creep properties. In order to improve the ductile-brittle transition temperature, it is necessary to suppress the tempering process or temporary carbide precipitation on the short time side, and to deposit fine carbide on the long time side, the carbon content should be low. Toughness deteriorates, and when the content becomes 0.45% by weight or more, coarse carbides are formed, and thus the high temperature creep property is reduced, so that the carbon content is 0.15 to 0.45% by weight.

2. 몰리브덴(Mo)2. Molybdenum (Mo)

몰리브덴은 고용강화와 석출강화를 통해 고온강도 향상에 효과적이고 안정한 탄화물을 형성하여 강도 향상에 기여한다. 이것은 몰리브덴의 고용효과 및 미세 석출효과가 장시간까지 유지되어 고온 장시간의 크립강도가 향상된다. 첨가량이 많을 경우 석출물이 조대화되어 인성의 저하가 일어날 수가 있고 비경제적이기 때문에 몰리브덴 함량은 1.0 내지 2.0 중량%로 한다.Molybdenum contributes to strength improvement by forming carbides that are effective and stable in improving high temperature strength through solid solution strengthening and precipitation strengthening. This maintains the solid solution effect and the microprecipitation effect of molybdenum for a long time to improve the creep strength at high temperature and long time. When the addition amount is large, the precipitate is coarsened and the toughness may occur and the molybdenum content is 1.0 to 2.0% by weight because it is uneconomical.

3. 바나듐(V)3. Vanadium (V)

바나듐은 고용강화와 석출강화를 통해 고온강도 향상에 효과적이며, 템퍼링동안 많은 탄화물을 석출하게 된다. 바나듐의 량이 많으면 상기 바나듐이 기지 중의 탄소를 모두 소모시켜 사용 도중에 M23C6탄화물이나 다른 형태의 탄화물이 계속해서 석출하는 것을 어렵게 만들고, 바나듐의 량이 적으면 석출하는 장소가 감소하여 M23C6탄화물이 균일하게 분포하는 것이 어려워 결과적으로 조대화가 쉬어지므로, 바나듐 함량은 0.1 내지 0.5 중량%로 한다.Vanadium is effective in improving high temperature strength through solid solution strengthening and precipitation strengthening, and precipitates many carbides during tempering. If the amount of vanadium is large, the vanadium consumes all of the carbon in the matrix, making it difficult to continuously precipitate M 23 C 6 carbides or other forms of carbide during use, and if the amount of vanadium is small, the deposition place is reduced and M 23 C 6 Since it is difficult to uniformly distribute carbides and the coarsening becomes easy as a result, the vanadium content is 0.1 to 0.5% by weight.

4. 나이비움(Nb)4. Nb

나이비움은 기지에 고용도가 거의 없기 때문에 첨가된 량의 대부분이 탄화물로 존재한다. 미세한 나이비움카바이드는 결정립 크기를 미세화시켜 연성-취성 천이온도를 낮춘다. 나이비움을 미량 첨가한 경우 VN 분산석출 강화의 상승효과로 저온인성과 크립강도가 향상되나, 다량으로 첨가하면 조대한 Nb(C) 공정탄화물이 석출하여 인성을 감소시키므로, 적정 나이비움 함량이 필요로 하기 때문에 나이비움 함량은 0.01 내지 0.05 중량%로 한다.Since navirium has little solid solubility at the base, most of the added amount is present as carbides. Fine nacicarbide reduces the ductile-brittle transition temperature by miniaturizing grain size. In case of adding a small amount of navium, low temperature toughness and creep strength are improved by synergistic effect of strengthening VN dispersion precipitation, but adding a large amount of coarse Nb (C) process carbide precipitates to reduce toughness. Therefore, the navy content is set at 0.01 to 0.05% by weight.

5. 크롬(Cr)5. Chrome (Cr)

크롬은 고용강화와 석출강화를 통해 고온강도 향상에 기여하며, M23C6탄화물 형성의 주된 원소로서 강도와 인성을 향상시킨다. 크롬은 그 첨가에 의해 내부식성과 내산화성이 증가되고, 고온강도 향상에도 기여하는 필수적인 원소이나, 저합금강의 경우 경제성을 고려하면 크롬 함량은 3.0 중량%가 최대이다. 크롬 함량이 1.0 중량% 미만이 되면 고온강도 유지에 필요한 탄화물이 적기 때문에, 크롬 함량은 강도와 인성을 유지하기 위해 1.0 내지 3.0 중량%로 한다.Chromium contributes to high temperature strength through solid solution strengthening and precipitation strengthening, and improves strength and toughness as a major element of M 23 C 6 carbide formation. The addition of chromium increases the corrosion resistance and oxidation resistance and contributes to the improvement of high temperature strength. However, in the case of low alloy steel, the chromium content is 3.0% by weight in consideration of economical efficiency. When the chromium content is less than 1.0 wt%, there is less carbide required to maintain high temperature strength, so the chromium content is 1.0 to 3.0 wt% to maintain strength and toughness.

6. 니켈(Ni)6. Nickel (Ni)

니켈을 첨가하면 인성은 향상되지만, 니켈이 많이 첨가되면 오스테나이트 시작온도가 저하되어서 고온 크립시험에서 기지조직의 회복이 가속되어 크립 파단강도를 저하시킨다. 그러나, 크립강도의 관점에서 최대 2.0 중량%를 초과하게 되면 급격한 크립강도의 저하가 발생될 수 있으므로, 니켈 함량은 크립강도가 저하되지 않고 인성을 향상시킬 수 있는 범위인 1.0 내지 2.0 중량%로 한다.The addition of nickel improves toughness, but the addition of nickel lowers the austenite starting temperature, which accelerates the recovery of the matrix structure in the high temperature creep test, thereby reducing the creep rupture strength. However, if the maximum strength exceeds 2.0 wt% in terms of creep strength, a sudden drop in creep strength may occur, so the nickel content is 1.0 to 2.0 wt%, which is a range in which the creep strength is not reduced and the toughness can be improved. .

7. 텅스텐(W)7. Tungsten (W)

텅스텐은 철에 치환 고용되며, 첨가된 일부는 기지조직에 고용되어 기지의 회복을 지연시키고, 일부는 W2C, Fe2W와 같은 석출물을 생성시키며, M23C6, M6C형 탄화물에 일부 고용되어 탄화물의 조대화를 지연시킨다. 텅스텐은 크립강도 향상에 큰 기여를 하지만, 첨가량이 많아지면 단시간측에서 AB2형으로 조밀 충전구조를 갖는 금속간 화합물의 한 무리의 총칭인 라베스상(Laves Phase)의 생성으로 인하여 인성을 급격히 저하시키므로, 텅스텐 함량은 0.1 내지 0.4 중량%로 한다.Tungsten is substituted and dissolved in iron, and some of it is added to the matrix to delay the recovery of the matrix, and some form precipitates such as W 2 C, Fe 2 W, and M 23 C 6 and M 6 C carbides. Some are employed to delay the coarsening of carbides. Tungsten makes a great contribution to improving creep strength, but as the amount of addition increases, the toughness rapidly increases due to the generation of a Laves phase, a generic term for a group of intermetallic compounds with a dense filling structure of type AB 2 on the short-term side. Since it lowers, tungsten content shall be 0.1-0.4 weight%.

8. 보론(B)8. Boron (B)

보론은 철에 침입형 혹은 치환형으로 고용되며, 보론카바이드나 보라이드로 존재해서 입계 강화작용을 한다. 보론은 경화능과 고온 크립강도 향상에 효과적인 원소이지만, 적정량보다 많으면 오히려 역효과를 미치게 되고, 쉽게 질소와 산소 등과 결합해서 제거가 힘들게 된다. 보론은 0.0012 중량%일 때 최대 크립강도를 보이며 0.0048 중량%에서 최고 크립 파단연성을 나타내므로, 보론 함량은 0.001 내지 0.005 중량%로 한다.Boron is employed as iron invasive or substituted, and exists as boron carbide or boride to strengthen grain boundaries. Boron is an effective element to improve the hardenability and high temperature creep strength, but if it is more than the proper amount, it is adversely affected, and it is difficult to remove by easily combining with nitrogen and oxygen. Since boron shows the maximum creep strength at 0.0012% by weight and shows the highest creep ductility at 0.0048% by weight, the boron content is 0.001 to 0.005% by weight.

9. 인(P) 및 유황(S)9. Phosphorus (P) and Sulfur (S)

인과 유황은 고온에서 사용되는 재료에서 강도와 충격에너지를 저하시키고, 입계편석으로 템퍼취성의 방지에 큰 기여를 하기 때문에 최대함량이 제한된다. 템퍼취성이 일어나지 않게 하기 위해서, 인은 최대 0.005 중량%, 유황은 최대 0.005 중량% 정도로 제한하는 것으로 한다.Phosphorus and sulfur reduce the strength and impact energy in materials used at high temperatures, and the maximum content is limited because they contribute greatly to the prevention of temper embrittlement as grain boundary segregation. In order to prevent temper embrittlement, phosphorus is limited to about 0.005% by weight at maximum and sulfur is at most about 0.005% by weight.

10. 망간(Mn) 및 규소(Si)10. Manganese (Mn) and Silicon (Si)

망간은 강의 열간가공성을 개선시키고 조직의 안정화에도 유효하지만, 많이 함유되면 유황과 결합하여 MnS 개재물을 형성시켜 인성을 저하시키고, 템퍼취성을 조장하는 역할을 한다. 또한, 규소는 제강(製鋼)할 때 탈산제 역할을 하고, 내산화성을 향상시키지만, 많이 첨가되면 인성을 저하시키고, 크립강도를 저하시키기 때문에 가능한 낮게 유지시켜야 한다. 따라서, 템퍼취성이 일어나지 않기 위해서 망간과 규소는 각각 최대 0.05 중량%로 제한하는 것으로 한다.Manganese is effective in improving the hot workability of steel and stabilizing the structure, but when it is contained in a large amount, it combines with sulfur to form MnS inclusions to reduce toughness and promote temper brittleness. In addition, silicon acts as a deoxidizer when steelmaking and improves oxidation resistance, but if it is added a lot, the toughness lowers and the creep strength should be kept as low as possible. Therefore, in order to prevent temper embrittlement, manganese and silicon are respectively limited to 0.05 wt% at maximum.

11. 알미늄(Al), 주석(Sn), 비소(As)11.Aluminum (Al), Tin (Sn), Arsenic (As)

알미늄은 제강 중의 탈산을 위해 투입되며, 질소나 산소와 결합하여 결정립 성장을 억제한다. 또한, 크립 파단강도와 연성에 미치는 영향은 거의 없지만, 적정량 이상이 존재하면 고용질소를 모두 AIN으로 소모하게 되어 크립강도가 급격하게 감소한다. 따라서, 탈산제로 사용된 Al이 최대로 잔류할 수 있는 함량은 AIN으로서 N의 화학량론적 결합에 필요한 값 이하가 되어야 하므로, 최대 0.02 중량%로 제한하는 것으로 한다.또한, 주석과 비소는 모두 입계에 편석되어 충격저항성을 저하시킬 뿐만 아니라 뜨임취성을 유발하는 원소로서, 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 상기 주석과 비소를 필히 각각 0.001중량% 이하로 제한하여야 한다.Aluminum is added for deoxidation in steelmaking and combines with nitrogen and oxygen to inhibit grain growth. In addition, there is little effect on creep rupture strength and ductility, but if an appropriate amount is present, all of the dissolved nitrogen is consumed as AIN, and the creep strength is drastically reduced. Therefore, the maximum amount of Al remaining as the deoxidizer should be less than the value required for the stoichiometric bonding of N as AIN, so it is limited to a maximum of 0.02% by weight. As a segregation to lower the impact resistance as well as causing temper brittleness, in the present invention, in order to prevent this, the tin and arsenic must be limited to 0.001% by weight or less.

(실시예)(Example)

본 발명의 로타강과 종래 사용되어 왔던 로타강을 비교강으로 하여 각종의 특성을 시험하여 서로 비교하였다.Using the Rota steel of the present invention and the Rota steel which has been used conventionally as a comparative steel, various characteristics were tested and compared with each other.

다음의 표 1에 있어서, 비교강 1은 종래 증기터빈용 고압 로타강으로 사용되었던 1CrMoV의 강이고, 비교강 2는 저압 로타강으로 사용되었던 3.5NiCrMoV의 강이며, 비교강 3은 일체형 로타강으로 사용되는 일본공개특허 평09-194946의 강, 비교강 4는 일본공개특허 평10-183294의 강이다.In the following Table 1, Comparative steel 1 is a steel of 1CrMoV, which was conventionally used as a high pressure rota steel for a steam turbine, Comparative steel 2 is a 3.5NiCrMoV steel used as a low pressure rota steel, Comparative steel 3 is an integral rota steel Steels of Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-194946 and Comparative Steel 4 are steels of Japanese Patent Application Laid-open No. Hei 10-183294.

상기 표 1에 나타낸 바와 같은 합금을 전기로에서 용해하고, 950∼1200℃ 범위에서 폭 100㎜, 두께 50㎜, 길이 300㎜의 사각 바(Bar) 형상으로 강괴를 단조한 후, 850℃에서 20시간 풀림(Annealing) 처리를 하였다. 열처리는 900∼1050℃에서 가열해서 물에 침적하여 급냉한 후, 재료에 연성과 인성을 부여하기 위해 템퍼링 열처리를 500∼700℃로 가열한 후 서냉하였다. 열처리 후 기계적 성질을 조사하기 위해 인장시험편, 충격시험편, 크립시험편을 채취하였다.The alloy as shown in Table 1 was dissolved in an electric furnace, and forged ingot into a square bar shape having a width of 100 mm, a thickness of 50 mm, and a length of 300 mm in the range of 950 to 1200 ° C., followed by 20 hours at 850 ° C. Annealing treatment was performed. The heat treatment was heated at 900 to 1050 캜, immersed in water and quenched, and then, the tempering heat treatment was heated to 500 to 700 캜 and then slowly cooled to impart ductility and toughness to the material. Tensile test pieces, impact test pieces, and creep test pieces were taken to investigate the mechanical properties after heat treatment.

다음의 표 2는 상기 비교강과 본 발명강의 기계적 성질을 시험한 결과를 나타낸 것이다.Table 2 below shows the results of testing the mechanical properties of the comparative steel and the inventive steel.

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명강의 경우 인장강도와 연성-취성 천이온도가 종래의 비교강에 비해 우수하게 나타나고 있다.As can be seen in Table 2, in the present invention, the tensile strength and the ductile-brittle transition temperature are superior to those of the conventional comparative steel.

도 1은 종래의 비교강과 본 발명강의 항복강도와 연성-취성 천이온도와의 관계를 나타낸 그래프로써, 도시한 바와 같이, 항복강도 대비 연성-취성 천이온도를 비교해 보면, 종래의 비교강은 동등한 항복강도에서 연성-취성 천이온도가 높은 반면, 본 발명강은 항복강도가 높으면서 연성-취성 천이온도가 낮아 충격인성이 우수하였다.1 is a graph showing the relationship between the yield strength and the ductility-brittle transition temperature of the conventional comparative steel and the present invention steel, as shown, when comparing the ductility-brittle transition temperature to yield strength, the conventional comparative steel is equivalent yield While the ductile-brittle transition temperature is high in strength, the steel of the present invention has high impact strength with low yield strength and low ductility-brittle transition temperature.

도 2는 종축에 크립 파단강도와 횡축에 온도와 시간을 하나의 매개변수로 나타낸 라슨-밀러 파라미터(Parameter)를 이용하여, 시간과 온도에 따른 종래 비교강과 본 발명강의 크립강도의 관계를 나타낸 그래프로써, 일점 쇄선은 종래의 고압부 소재인 1CrMoV 강(ASTM A 470 Class 8)의 크립 파단강도를 나타내며, 점선은 비교강 3의 크립 파단강도의 결과이고, 실선은 본 발명강 1∼4의 크립 파단강도를 나타낸 것이다,Figure 2 is a graph showing the relationship between the creep strength of the conventional comparative steel and the inventive steel according to time and temperature by using the Larson-Miller parameter, which shows the creep rupture strength on the vertical axis and the temperature and time on the horizontal axis as one parameter. As a result, the dashed-dotted line indicates the creep rupture strength of 1CrMoV steel (ASTM A 470 Class 8), which is a conventional high-pressure part material, and the dotted line is the result of the creep rupture strength of the comparative steel 3, and the solid line is the creep rupture of the inventive steels 1-4. It shows the strength,

도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 라슨-밀러 파라미터(Parameter)가 566℃, 10만 시간에 해당되는 20.98인 값에서 본 발명강의 크립 파단강도는 150㎫이고, 비교강의 경우 95㎫이다. 한편, 566℃, 10만 시간에서의 설계 요구강도가 최소한 100㎫인 것을 감안한다면, 본 발명강이 종래의 비교강보다 크립 파단강도가 우수하며, 566℃에서도 증기터빈용 일체형 로타의 소재로 사용할 수 있는 강임을 나타내고 있다.As can be seen in FIG. 2, the creep rupture strength of the inventive steel is 150 MPa and 95 MPa for the comparative steel at a value of 20.98 corresponding to a Lason-miller parameter of 566 ° C. and 100,000 hours. On the other hand, considering that the required design strength at 566 ° C. and 100,000 hours is at least 100 MPa, the present invention steel has better creep rupture strength than conventional comparative steels, and can be used as a material for integral rotors for steam turbines even at 566 ° C. It shows the strength that can be.

상기한 결과와 같이, 본 발명강은 종래에 사용되어 왔던 비교강에 취성원소와 취성 조장원소인 인(P), 유황(S), 망간(Mn), 규소(Si)를 감소시키고, 나이비움(Nb)과 텅스텐(W) 및 보론(B)을 최적으로 첨가해서 종래 비교강의 가장 큰 문제점이었던 연성-취성 천이온도 증가에 따른 충격인성 저하와 고온크립 성질의 저하를 방지하여, 고온 크립강도와 충격인성이 우수한 1.0∼3.0 중량%의 크롬강을 제조할 수 있었다.As described above, the inventive steel reduces the brittle and brittle constituent elements phosphorus (P), sulfur (S), manganese (Mn) and silicon (Si) in the comparative steels that have been used in the past, Optimum addition of (Nb), tungsten (W) and boron (B) prevents the drop in impact toughness and high temperature creep properties due to the increase in ductile-brittle transition temperature, which was the biggest problem of conventional comparative steels. It was possible to produce 1.0 to 3.0% by weight of chromium steel having excellent impact toughness.

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명의 증기터빈용 일체형 로타 합금강에 의하면, 종래에 사용되어 왔던 강들에 비해 인, 유황, 망간, 규소와 같은 취성조장 원소를 최대한 억제시키고, 나이비움, 텅스텐, 보론을 최적으로 첨가해서 증기터빈용 일체형 로타소재의 문제점인 연성-취성 천이온도 증가에 따른 충격인성과 고온 크립강도의 저하를 방지하여, 고온 크립강도가 우수하면서 충격인성도 우수하게 된다.According to the integrated rota alloy steel for steam turbine of the present invention having the above object and configuration, as compared with steels that have been used in the past, brittle coarse elements such as phosphorus, sulfur, manganese, and silicon are suppressed as much as possible. By adding boron optimally, the impact toughness and high temperature creep strength are prevented from increasing the ductile-brittle transition temperature, which is a problem of the integral rota material for steam turbines, and thus the high temperature creep strength is excellent and the impact toughness is also excellent.

또한, 고온크립 성질의 향상에 따라 증기터빈용 일체형 로타소재의 사용온도가 538℃에서 566℃로 상승되어 효율증가에 따른 연료비 절감 및 오염배출량 억제로 발전비용을 저감시킬 뿐만 아니라, 부수적으로는 수입대체의 효과도 얻을 수 있게 된다.In addition, due to the improvement of the high temperature creep properties, the operating temperature of the integral Rota material for steam turbine is raised from 538 ℃ to 566 ℃, thereby reducing the power generation cost by reducing fuel cost and suppressing pollutant emissions due to increased efficiency, and incidentally imported Substitution effects can also be obtained.

Claims (2)

탄소(C) 0.15 내지 0.45 중량%, 인(P) 0.005 중량% 이하, 유황(S) 0.005 중량% 이하, 망간(Mn) 0.05 중량% 이하, 규소(Si) 0.05 중량% 이하, 니켈(Ni) 1.0 내지 2.0 중량%, 크롬(Cr) 1.0 내지 3.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.0 중량%, 바나듐(V) 0.1 내지 0.5 중량%, 나이비움(Nb) 0.01 내지 0.05 중량%, 텅스텐(W) 0.1 내지 0.4 중량%, 보론(B) 0.001 내지 0.005 중량%를 함유하며, 잔부는 철과 합금철 또는 제조과정 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로서 주석(Sn) 0.001 중량% 이하, 비소(As) 0.001 중량% 이하, 알미늄(Al) 0.02 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 증기터빈용 고압 및 저압 일체형 로타 합금강.0.15 to 0.45 wt% of carbon (C), 0.005 wt% or less of phosphorus (P), 0.005 wt% or less of sulfur (S), 0.05 wt% or less of manganese (Mn), 0.05 wt% or less of silicon (Si), nickel (Ni) 1.0 to 2.0% by weight, chromium (Cr) 1.0 to 3.0% by weight, molybdenum (Mo) 1.0 to 2.0% by weight, vanadium (V) 0.1 to 0.5% by weight, Nabium (Nb) 0.01 to 0.05% by weight, tungsten (W) ) 0.1 to 0.4% by weight, boron (B) 0.001 to 0.005% by weight, the balance is iron and ferroalloy or impurities inevitably incorporated during the manufacturing process Tin (Sn) 0.001% by weight or less, arsenic (As) 0.001 A high-pressure and low-pressure integrated rota alloy steel for steam turbines, characterized in that the weight% or less, aluminum (Al) 0.02% or less. 삭제delete
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