KR100825587B1

KR100825587B1 - 피복 아크 용접재를 사용한 황산노점부식특성 및고온강도가 우수한 용접금속부

Info

Publication number: KR100825587B1
Application number: KR1020060133198A
Authority: KR
Inventors: 홍승갑; 정홍철; 박영환
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-04-25

Abstract

피복 아크 용접재를 사용하여 황산노점부식특성 및 고온강도가 우수한 용접금속부가 제공된다.

이 방법은 용접금속부의 중량 %로 C: 0.02~0.15%, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.5~2.5%, S: 0.03%이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.03%이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 0.2~1.5%, Co:0.05~0.3%, Sb:0.05~0.35%를 포함하고, Cr:0.1~0.8%, Mo:0.01~0.15% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

황산노점부식, 고온강도, 내식성, 용접 금속부, 피복 아크용접

Description

피복 아크 용접재를 사용한 황산노점부식특성 및 고온강도가 우수한 용접금속부 {Welded zone having excellent sulfuric dew point corrosion characteristic and high temperature strength using shielded metal arc welding material}

도 1은 황산노점부식 시험편 크기 및 형상을 도시하는 도면이다.

일본 공개특허공보 평9-25536

일본 공개특허공보 평11-131179

일본 공개특허공보2000-17382

일본 공개특허공보2004-263235

일본 공개특허공보2005-290476

일본 공개특허공보2006-241476

일본 공개특허공보2004-90044

일본 공개특허공보 2004-90042

일본 공개특허공보2004-90045

본 발명은 내황산부식강을 사용하여 화력발전소 및 쓰레기/산업폐기물 소각로의 보일러덕트 등 황산노점부식성과 고온강도가 동시에 요구되는 부품을 피복아크 용접방법으로 제작함에 있어서 형성되는 용접금속부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접재료와 모재의 희석으로 이루어진 용접금속부의 Cu, Co, Sb, Cr, Mo, Mn성분 제어에 의하여 저온-저농도 황산분위기에서 용접금속부의 황산노점 부식특성 및 고온강도를 향상 시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 황산노점부식특성이 우수한 강재및 피복 아크 용접재료는 아황산가스가 함유된 배기가스와 접촉하는 소각설비 및 화력발전소의 탈황덕트, 예열기, 전기집진기 등의 부품 제작에 사용되고 있다. 따라서, 이와 같은 황산노점부식 환경에서 사용되는 강재 및 용접재료의 경우 황산분위기에서 일반강재 및 용접재료보다 부식속도를 지연시키기 위하여 강중에 Cu를 다량 첨가하는 것으로 알려져 왔다. Cu는 다른 첨가원소에 비해 황산 노점 부식속도를 크게 지연시키는 것으로 알려져있지만, 강재 제조를 위한 열간압연시 크랙발생 및 용접부 재열균열 등의 이유로 적당량이 첨가되고, 황산노점 부식특성을 더욱 향상 시키기 위해 기타 다른 원소를 복합첨가하는 경우가 많다. 또한, 화력발전소의 부품중 보일러덕트와 같이 황산노점부식 및 고온환경에 동시에 노출된 부품의 경우는 황산노점 부식성과 함께 고온강도도 매우 중요하게 된다.

일본 공개특허공보 평9-25536, 평11-131179, 2000-17382, 2004-263235, 2005-290476, 2006-241476 등은 황산노점 부식환경 혹은 황산/염산 복합 부식환경에 우수한 내식성을 가지는 강재를 제조하기 위한 방법에 관한 특허로서, 주로 Cu, Sb, Mo, Cr, Ni 등의 원소함량 최적화를 통하여 내식성을 확보하는 기술이다. 특히, 일본 공개특허공보 2000-17382 및 2006-241476는 Cu-Sb-Mg 복합첨가 및 극저C, Si 제어기술로 인하여 강재 황산노점부식 특성을 개선하고 있다.

용접재를 통한 황산 및 염산 복합노점부식성 개선의 예로서 황산노점부식성을 개선한 아크용접용 피복용접봉, 플럭스 코어드 와이어 및 솔리드 와이어에 대한 특허(일본 공개특허공보2004-90044, 2004-90042, 2004-90045)가 제안되어 있지만, 황산노점부식 환경에서는 기존 성분계로는 내식성을 충분히 개선하기는 힘들었다.

또한 상기 특허들은 모재의 성분또는 용접재의 성분 중 하나만을 조정하여 황산노점부식특성을 개선하려 하였으나, 일반적으로 화력발전소, 쓰레기 소각로, 산업페기물 소각설비, 중유 연소보일러 등에 사용되는 용접구조물의 경우 용접부와 모재사이에 내식성의 차이가 발생한다면, 내식성이 떨어지는 부위에서 선택적으로 부식되고 용접구조물의 수명이 현저히 짧아지게 된다. 또한, 고온환경에서 사용하 는 경우는 황산노점 부식성과 더불어 설비의 고온 안정성 및 내구성 측면에서 고온강도 또한 매우 중요하다. 그러나 황산노점부식특성과 고온강도에 기여하는 합금원소의 효과가 서로 상반되는 측면도 있기 때문에 최적의 합금성분 범위를 설정하는 것은 더욱 힘들다. 따라서, 강재의 황산노점부식성 개선과 더불어 용접금속부의 황산노점부식성과 고온강도를 개선할 필요성이 있다.

즉, 용접금속부는 용접재료와 모재의 일부가 희석되어서 만들어지는 것으로서 용접재료 성분만 혹은, 강재 성분만 제어해서는 다양한 용접조건에 있어서 원하는 황산노점부식특성 및 고온강도를 얻기가 힘들다. 따라서 용접금속부의 성분을 조정하여 황산노점부식특성 및 고온강도를 개선할 필요성이 부각되고 있으나, 그 대안은 제시되고 있지 않은 실정이다.

본 발명은 강재와 피복아크 용접재료가 혼합되어 만들어지는 용접금속부의 성분을 제어하여 우수한 황산노점부식특성 및 고온강도를 가지는 용접금속부를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용접금속부는, 피복 아크용접재를 이용하며, 중량 %로 C: 0.02~0.15%, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.5~2.5%, S: 0.03%이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.03%이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 0.2~1.5%, Co:0.05~0.3%, Sb:0.05~0.35%를 포함하고 Cr:0.1~0.8%, Mo:0.01~0.15% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

본 발명자들은 황산노점부식특성과 고온강도에 미치는 야금학적 인자들을 검토한 결과, Cu-Co-Sb 복합첨가에 의해 내황산부식성이 현저히 개선됨을 확인하였다. 이에 비해 Cr과 Mo는 Cr탄화물, Mo탄화물 형성으로 고온강도를 향상시키는 효과는 있으나, 황산노점부식성에는 악영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, Mo는 고온강도와 염산노점부식 혹은 황산/염산 복합부식성 개선에는 매우 유용한 것으로 보고되나(일본 공개특허공보2004-90044, 2004-90042, 2004-90045), 황산노점부식 환경에서는 최대한 적게 첨가되어야 함을 확인하였다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

C : 0.02~0.15중량%

용접부의 상온 및 고온강도를 확보하기 위해서는 용접부의 C함량이 0.02%이상이어야 하나, C의 함량이 0.15%를 초과하는 경우 고온강도는 향상되나 황산노점부식성이 크게 저하되며, 특히, 용접금속부의 경화도를 증가시켜 용접부 균열발생을 조장할 가능성이 증가한다.

Si : 0.1~1.5중량%

Si은 상온강도에 유용한 원소로써 주로 용융금속에서 슬래그를 형성하여 용융금속을 대기로부터 보호하며, 용접금속의 강도를 향상시키는 원소로 0.1%이상 첨가하여야 상기효과를 얻을 수 있다. 그러나, Si 함량이 1.5%를 초과할 경우 저온-저황산 농도구간에서 황산노점 부식특성이 열화되기 때문에 1.5%이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

Mn : 0.5~2.5중량%

Mn은 상온 및 고온강도 향상에 매우 유용한 원소로써 상온 및 고온강도 향상에 기여를 하기 위해 0.5%이상 첨가하는 것이 바람직하나, 2.5%를 초과하여 첨가될 경우, 슬래그 점성이 저하되어 용접비드(bead) 형상이 나빠지는 결과를 초래한다.

S : 0.03중량%이하(0중량%를 포함하지 않음)

S의 경우 CuS 안정막을 형성시켜 황산노점 부식성을 향상시키는 효과도 있으나, 0.03%를 초과하여 첨가될 경우용접금속부 고온균열을 조장하므로, 0.03%이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

P : 0.03중량%이하(0중량%를 포함하지 않음)

P의 경우 강도 상승의 효과는 기대할 수 있으나, S와 마찬가지로 0.03%를 초과하여 첨가될 경우 용접금속부 고온균열을 조장하므로, 0.03%이하로 첨가하는 것 이 바람직하다.

Cu : 0.2~1.5중량%

Cu 함량은 0.2~1.5%가 바람직하다. Cu는 황산노점부식성을 고려했을 때 받드시 첨가해야하는 원소로서, 그 함량이 0.2%이상 되어야 내식특성의 효과가 크게 나타난다. 그러나, Cu가 1.5%를 초과할 경우 첨가량 증가에 비해 내식성 향상 효과는 상대적으로 적으며, 용접특성에 있어서도 재열균열을 유발할 가능성이 커지므로, 0.2~1.0%로 첨가하는 것이 바람직하다.

Co : 0.05~0.3중량%

Co 함량은 0.05~0.3% 첨가가 바람직하다. Co는 내식성을 향상시키는 원소로서 CuS 안정막 형성을 활성화시켜 내식성을 향상시키는 원소로써 Cu 단독첨가에 비해 Cu-Co 복합첨가가 내식성을 향상시키며, 보다 바람직하게는 Cu-Co-Sb 복합첨가가 더욱 효과적이다. 상기 복합첨가에 의한 효과를 거두기 위해서는 0.05%이상 첨가해야 하나, 0.3%를 초과할 경우 첨가량 대비 내식성 향상이 미비할 뿐 아니라, 용접재료 및 모재 원가를 상승시키는 단점이 있다.

Sb : 0.05~0.35중량%

Sb의 함량은 0.05~0.35% 첨가가 바람직하다. Sb는 CuS 안정막 형성을 활성화시켜 내식성을 향상시키는 원소로써 0.05%미만에서는 양호한 내식성이 얻기 힘드 나, 0.05%이상 첨가시 황산노점 부식성이 크게 향상된다. 더욱더 바람직한 것은 Cu-Co-Sb 복합첨가이다. 0.35%를 초과하여 첨가시에는 용접비드 형상 불량 및 스패터를 다량 발생시켜 용접작업성을 악화시킨다.

Cr : 0.1~0.8중량%, Mo : 0.01~0.15중량% 중 1종 또는 2종

Cr은 상온 및 고온강도를 상승시키는 효과가 있으며, 0.1%이상 첨가했을 경우 Cr계 산화물을 생성하여 내식성도 향상시킨다. 다만, 첨가량이 0.8%를 초과할 경우 내식성을 오히려 악화시키는 효과를 보인다.

Mo는 Cr과 마찬가지로 상온 및 고온강도를 상승시키는데 매우 효과적인 원소로 0.01%이상 첨가하는 것이 바람직하나, 0.15%를 초과하여 첨가될 경우 황산노점 부식성을 급격히 저하시키므로, 0.15%이하의 첨가가 바람직하다.

상기 용접금속부의 성분량은 강재와 피복아크 용접재료가 용접과정에서 혼합되어 만들어지며, 용접 재료의 성분에 의존도가 크고 강재의 성분에 의해 용융과정에서 용접부의 성분함량이 변화된다. 이러한 용접부 자체의 성분범위 조정은 1차적으로 용접재료의 선택에 주로 결정되며, 모재의 성분 범위와 용접방법, 용접시간, 용접량을 고려하여 실시할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 용접부는 중량 %로 상기의 Cu, Co, Sb, Cr, Mo로 구성되는 S.C.I.(Sulfuric Corrosion Index)값이 수학식 1을 만족하고 H.T.I(High temperature Tensile strength Index)값이 수학식 2를 만족하는 경우 황산노점부식성과 고온강도가 보다 우수한 용접금속부를 얻을 수 있다.

[수학식 1]

0≤S.C.I≤25

[수학식 2]

H.T.I≥2

즉, Cu-Co-Sb의 복합첨가량과 황산노점부식특성에 악영향을 미치는 Cr, Mo량을 상기와 같이제어하고 고온강도에 기여하는 Mn, Cr, Mo량을 상기와 같이 제어하는 경우 황산노점부식특성과 고온강도가 함께 개선된다.

이하 본 발명을 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

표 1과 같은 화학조성을 가지는 피복아크 용접금속부를 만들어, 저온-저농도 황산조건에서 황산노점 부식특성 및 고온강도를 평가하기 위하여 70^oC/50%황산용액에 시험편을 3시간 침적시켜 부식감량을 측정하였다. 부식감량은 단위시간당 단위면적당 무게감량으로 비교했으며, 부식시험편 형상 및 크기는 도 1과 같다.

표 1의 결과에서도 알 수 있듯이, 황산노점 부식감량 기준 40mg/cm²/hr이하의 우수한 부식감량을 나타내고, 500℃에서 400Mpa이상의 인장강도를 나타내는 용접금속부 화학조성은 상기 용접금속 성분계를 만족하는 B1~B4의 경우이다. 특히, S.C.I.값과 H.T.I값이 모두 식 1, 식 2를 만족하는 경우, 우수한 황산노점부식성((40mg/cm²/hr) 및 고온강도((400Mpa at 500℃)가 매우 우수함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 Cu-Co-Sb의 복합첨가와 성분계의 제어에 의해용접금속부에서 황산노점 부식특성 및 고온강도가 개선되는 유용한 효과가 있다.

Claims

피복 아크 용접재를 이용하여 얻어지며, 중량 %로 C: 0.02~0.15%, Si: 0.1~1.5%, Mn: 0.5~2.5%, S: 0.03%이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.03%이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 0.2~1.5%, Co:0.05~0.3%, Sb:0.05~0.35%를 포함하고, Cr:0.1~0.8%, Mo:0.01~0.15% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 황산노점부식특성 및 고온강도가 우수한 용접금속부.
제 1항에 있어서, 상기 Cu, Co, Sb, Cr, Mo는 수학식 1을 만족하고 상기Mn, Cr, Mo는 수학식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 피복 아크 용접재를 사용한 황산노점부식특성 및 고온강도가 우수한 용접금속부.

[수학식 1]

0≤S.C.I≤25

[수학식 2]

H.T.I≥2