KR100682234B1

KR100682234B1 - Fe-B-Cr-Ni-Mn-Si-Mo계 변성합금 용사피막 처리된 미분탄발전소 보일러 수관

Info

Publication number: KR100682234B1
Application number: KR1020040086397A
Authority: KR
Inventors: 김병두
Original assignee: 김병두
Priority date: 2004-10-27
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2007-02-12
Also published as: KR20060037202A

Abstract

스팀커팅,에어커팅이라 불리는 침식이 발생되는 미분탄 발전소 보일러 수냉벽의 수관에 20∼24메쉬(mesh)의 알루미나 모래를 7∼10kg/㎠ 의 압력으로 100-150mm 의 거리에서 직각으로 분사하여 요철을 만든 표면에 Fe56-80중량％, Cr15-30중량％, B1.5-4.5중량％, Mn0.5-2.0중량％, Ni 1.0-3.0중량％, Si 0.5-1.5중량％ Mo 0.25-0.75중량％, C 1.0-2.5중량％ 로 조성된 메탈 코어드 와이어 ( metal cored wire )를 아크용사공정을 이용하여 용융시켜 100-150mm 의 거리에서 직각으로 분사함으로서 상기조성의 재료를 수관외부에 부착시켜 고온 내침식성이 우수한 보호피막을 갖춘 석탄화력 수관을 만들 수 있었다.

미분탄 발전소 보일러 수냉벽 과 수관, 용사,

Description

Fe-B-Cr-Ni-Mn-Si-Mo계 변성합금 용사피막 처리된 미분탄 발전소 보일러 수관{The boiler tube of coal fired boiler on which Fe-B-Cr-Ni-Mn-Si-Mo metamorphic alloy was coated by thermal spray process.}

도1 : 그리트분사 개념도

도2 : 아크용사 개념도

도3 : 아크용사 미세조직

석탄화력발전소의 보일러는 미분탄을 이용하는 미분탄연소실형과, 굵은 모래 크기의 알맹이탄을 이용하면서 모래를 불어 올려 혼합된 부유상태에서 연소시키는 유동층 연소실형이 있으며, 그중 미분탄 방식은 연소효율이 높은 대신 대기환경 유해물인 질소산화물이 생성되어 환경처리 비용이 많이 소요되므로 주로 대형발전소에서 채택하고 있는 반면, 유동층 보일러는 주로 소형석탄발전소에서 채택하고 있다.

미분탄 발전소의 연소실벽은 수관이 집합된 수냉벽으로 구성되어 있으며, 이 수냉벽 속의 물이 증발되어 터빈 및 발전기를 돌리는 원동력이 된다.

수냉벽으로 구성된 연소실벽에는 연소된 재(ash)나 그으름(soot)등이 부착되면 열전도를 저하시키므로 일정간격으로 배치된 수트 블로우어 ( soot blower)라는 장치로 고압증기나 고압공기로 불어서 재나 그을음을 털어내고 있다. 이때 고압증기나 고압공기가 비행하면서 주변의 연소분진도 동반 가속시켜 보일러수관표면을 타격하므로, 입자충돌, 캐비테이션등의 효과로 수관표면이 심하게 침식된다. 유동층 보일러에서는 입자의 끊임없는 와류에 의한 침식이지만, 미분탄 보일러에서는 수관표면에 묻은 재나 검뎅을 고온연소 분위기 속에서 증기분사나 공기분사를 이용해 간헐적으로 털어내므로, 간헐적인 직접충돌 과 캐비테이션이 혼합된 경우가 많고, 열 싸이클 변화에 의한 열충격이 크므로 유동층보일러와 비교해 대응방법도 다르게 된다.

현재 까지는 마찰에 의해 비결정질조직으로 변하는 변성합금이 캐비테이션에도 가장 잘 견디고 내열충격성이 높은 것으로 나타나 많이 사용되고 있다. 그 중에도 미국특허 4725512로 공급되는 Fe-Cr-B- 계열이 가장 많이 적용되어 왔다. 그러나 종래기술에 속하는 이 재료는 마찰받기전의 초기마모에 의해 쉽게 마모되는 단점이 있다. 상기 이유로 본 출원인은 출원번호 10-2002-0075179에 의거 붕화물강화 변성합금계 코어드 와이어를 출원하였다

종래의 기술에 속하는 이 재료의 물성은 미국특허 4725512 의 단점을 보완한 우수한 재료로서 물성은 우수하나, 용사시에 미 용융된 붕화물 스모크가 발생되어 작업자들이 괴로워하고, 스모크가 발생되지 않게 하려면, 코어분말을 만들 때 붕화물을 고용하는 1차합금괴를 만들고, 다시 괴를 용융하면서 무화시켜 붕화물 고용형 분말을 만든 후, 이 분말을 스트립을 관형으로 만드는 조관공정에 투입한 후 인발과정을 거쳐야 하므로 금속코어드와이어 생산비가 높아져 고온 내침식 수관을 만드는 비용 또한 높아지는 문제가 발생하였다.

종래재료 사용 시 발생되는 초기마모와 스모크발생을 줄이는 재료를 보일러 수관에 적용하여야 할 기술적 과제가 있다.

본 발명에서는 Fe56-80중량％, Cr15-30중량％, B 1.5-4.5중량％, Mn 0.5-2.0 중량％, Ni 1.0-3.0중량％, Si 0.5-1.5중량％, Mo 0.25-0.75중량％, C 1.0-2.5중량％로 조성된 metal cored wire 를 용사하여 해결할 수 있다( 이하 ％는 중량％ 임).

바탕인 Fe 가 포함되는 비율이 클 수록 비용은 저렴하게 되나 내열성, 내산화성 등 필요한 기능을 발휘하기 위해서는 제한을 받게 되며 56-80％ 정도로 하고 붕소(B)를 1.5-4.5％ 넣으면 Fe-B 계의 비정질 변성합금바탕이 되기 때문에 열 수축팽창 유연성이 커서 보일러수관의 수축팽창에 적응하여 탈락없이 부착되어 있을 수 있는 내 열충격성을 가지게 되어 보일러 수관재료의 바탕이 되며, Fe-B 의 취성을 감소시키고, 고온 산화방지를 도모하고, 강인성을 보강하고, 경도, 강도, 내마모성, 내열성을 보강하기 위해 크롬(Cr)을 15-30％ 첨가하는 것이 바람직하며, 철속에 불순물로 들어있는 탄소의 흑연화로 균열방지 효과를 내게 하고, 고온산화방지효과, 내열성효과를 증진시키는 실리콘(Si)을 0.5 -1.5％ 첨가하고, 유황제거 효과와 압력을 받을 때 경화능이 생기는 망간(Mn)을 0.5-2.0％ 첨가한다. 망간(Mn)을 많이 넣을수록 경화능은 증대되나 2％ 이상 첨가되면 용융이 어려워 용사성이 나빠진다.

강인성을 보강하고, 퍼얼라이트(Pearlite)와 흑연을 미세화 하며 크롬과 함께 고온내식성을 보강하는 니켈(Ni)은 1.0-3.0% 정도로 첨가하는 것이 바람직 하다. 또한 고온 특성을 개선하기 위해 몰리브데늄(Mo)을 0.25-0.75% 첨가하면 고온에서의 안정성이 높아진다. 그 외 탄소(C)는 Fe₃C 와 B₄C 석출을 위해1.0-2.5% 함유하는 것이 바람직하며 S는 적을수록 바람직하나 불순물정도의 함유는 별 문제가 없다. 그 외에 알루미늄, 구리, 티타늄을 미량 첨가하여 내식성 및 내마모성을 안정시킬 수도 있다.

상기 성분의 용사피막의 성능을 평가하기 위해 스텐레스 304 관속에 코어분말을 넣어 단면조성이 상기조성비율이 되게 metal cored wire를 만든 후 인발하여 용사 가능한 칫수로 만든 후 아크용사 시험해 보았다.
시험 순서는 다음과 같이 행하였다.
아크 용사시 녹은 용사쇳물이 비행하여 피사체 표면에 잘 부착하도록 수관 표면을 요철화 시켜야 한다. 이를 위해 도면 1에서와 같이 경도가 높은 알루미나 모래(3)를 분사하는 분사총(2)을 수관(1)에서 120 mm 의 거리에 설치한 후 20 메쉬 크기의 알루미나 모래(3)를 사용하여 7kg/㎠ 의 공기압력으로 120mm 의 거리에서 직각방향으로 분사하여 표면요철(4)을 만들었다.
그 다음 아크용사장치로 용사하는 데 다음과 같이 수행하였다
상기 성분으로 만든 와이어를 감개(9)에 감아 두었다가 와이어 이송롤(5)을 회전시켜 이송시키면서 접근시키면서 전기 +,-(7,8)를 공급한다. 그러면 전기를 띈 와이어가 접근하면서 아크를 발생시켜 본재료의 와이어를 녹이고, 그 녹은 쇳물을 공기노즐(6)에서 불어서 가속시켜 비행쇳물(10)을 만들어 120-150mm 떨어진 수관(1)의 요철부(4)에 부착시켜 부착물(11)을 형성시켰다. 이렇게 부착물을 누적시켜 0.5 mm 의 부착 누적층인 코팅층(11)을 형성하였다. 상기 재료를 이런 공정을 거쳐 수관표면의 문제점인 초기마모가 억제되었고, 용사 중 스모크 발생이 적어 작업자에게도 괴로움을 주지 않는 결과를 얻을 수 있었다. 현미경조직을 관찰해본결과는 도3 과 같이 아크용사된 층(11)을 확대하여 본 결과 도3과 같이 비정질 조직의 형태를 잘 보여주고 있다.

본 발명에 의해 용사피막 처리된 수관표면의 비커스 경도는 900∼1,100Hv이고, 고온경도는 500℃에서 550∼750Hv 이고, 접착강도는 9 KN 이상이었고, 내열충격성 또한 우수하여 종래보다 더 우수하고 작업성도 우수한 미분탄 보일러 수관을 얻을 수 있었다.

Claims

Fe 56-80％중량％, Cr 15-30중량％, B 1.5-4.5 중량％, Mn 0.5-2.0중량％, Ni 1.0-3.0중량％, Si 0.5-1.5중량％, Mo 0.25-0.75중량％ C 1.0-2.5중량％ 용사피막이관 외부표면에 부착된 석탄화력 보일러 수냉벽 수관.
제1항에 있어서 Fe 56-80중량％, Cr 15-30중량％, B 1.5-4.5중량％, Mn 0.5-2.0 중량％, Ni 1.0-3.0중량％, Si 0.5-1.5중량％, Mo 0.25-0.75중량％ C 1.0-2.5중량％, 외에 미량으로서 내부식 및 경도를 향상시키는 Al 0.30중량％이하, Cu0.30중량％이하, Ti 0.1중량％이하 함유된 용사피막이 관 외부표면에 부착된 석탄화력 보일러 수냉벽 수관.