KR101050225B1 - 내식성이 향상된 가스가스히터 열소자 코팅방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

종래의 열소자 코팅방법은 칼날면이 발생되고, 예민부에 대한 보강이 되어 있지 않아 열소자의 예민부를 따라 부식이 진행되기 시작하고, 한번 부식이 시작되면 그 안에 철이 연속되어 있어 쉽게 부식이 진행되어 버리는 문제점이 있어 칼날면을 제거하고, 예민부에 대하여 별도의 코팅을 수행하는 본 발명은 가장자리 둔화단계와 예민부 세라믹 용사단계를 추가함으로서 열소자의 수명이 획기적으로 향상되게 되었다.

Description

내식성이 향상된 가스가스히터 열소자 코팅방법 및 장치{GGH Heat Element Improved the Corrosion}

본 발명은 발전소와 같은 연소가스 발생설비의 탈황설비용 가스가스 히터(Gas Gas Heater) 열소자(熱素子, Heat Element)에 관한 기술이다.

본 발명은 화력발전소의 탈황설비와 축열식 열교환기에 관한 기술이 배경기술이 된다.

가스가스히터의 열소자가 연소가스에 들어있는 황, 질소등의 성분에 의하여 부식이 많이되어 설비가동기간이 짧고, 운전을 정지하고 부품을 교체하여야 하는 문제가 발생하여 이런 문제점을 제거하고자 개발하였다.
화력발전용 탈황설비의 열소자는 보일러의 연소가스 속에서 운전되는 특성이 있어 부식을 방지하기 위하여 에나멜 코팅을 한다. 그러나, 2000년 이후 발생된 우리나라 화력발전소 탈황설비의 가스가스히터 열소자 부식은 발전소마다 특성이 다소 차이가 나기는 하지만 통상 2-4년을 수명으로 하던 것들이 사용한지 3-6개월만에 열판이 부식되어 기기의 원래 자리에 있지 못하고 [도 5]에 보이는 바와 같이 본래의 자리에서 빠져 나와 설비 자체가 파손되어 버리는 결과를 가져오고 있다. 발전설비중 본 열소자가 손상이 될 경우 발전소의 연속운전이 불가능하여 발전소를 정지하여야 하는 바 통상 시간당 1억-2억원을 하는 발전단가의 손실뿐만 아니라 열소자 한 세트당 5억-10억원의 손실을 입으면서 부식된 설비를 교체하여야 하는 비용손실이 수반된다.
그런데 상기 열소자의 부식이 열판 전체에 걸쳐 발생하는 것이 아니라 열판의 판 내부에는 전혀 문제가 없이 열판의 가장자리, 그중에서도 가스와 처음 접촉하는 열판의 최 가장자리부분만이 부식이 되어 열판의 내부로 부식이 확산되고 있는 현상이 관찰되고 있다. 이는 열판에 대한 종래의 에나멜 코팅 공정이 문제가 되는 것이 아니라, 열판의 가장자리부 제조공정이 문제가 있음을 파악할 수 있다.
이에 본 발명에서는 열소자의 가장자리, 특히 연소 가스와 처음만나는 가장자리가 종래와 동일한 공정으로 에나멜 코팅을 할 경우 가장자리의 처리 공정과 열판 내부의 처리 공정이 동일하여 지금 각 화력발전소에서 겪는 바와 같이 부식에 의한 설비 운전정지에 이르게 되는 애로가 있으므로, 열소자의 가장자리 수명을 열소자의 내부와 동일한 내식특성을 갖도록 열소자 가장자리의 내식성을 강화하는 것을 목적으로 하였다.

본 발명에서는 열소자의 가장자리, 특히 연소가스와 처음 만나는 가장자리의 수명을 열소자의 내부와 동일한 내식특성을 갖도록 열소자 가장자리의 내식성을 강화하는 것을 목적으로 하고 있으므로 열소자의 가장자리, 즉 열판의 가장자리의 제조공정을 바꿔 가장자리가 열판의 내부와 같은 코팅이 되도록 하였다.

이는 가스가스히터의 열소자의 열판이 부식되는 것은 코팅된 열판(熱板, Heat Plate) 중에서 연소가스를 처음 만나는 곳인 가장자리에서 코팅층이 파괴되고, 한번 파괴된 코팅층을 기점으로 부식이 안으로 쉽게 파고드는 양상을 갖게 되므로, 이 부식발생에 가장 취약한 부위의 코팅방법을 개선하여 코팅층이 파괴되지 못하도록 한다는 말이다.

이에 열소자의 제조시 가장자리는 전단기로 절단을 하게 되는 데 이 절단부에 칼날면이 발생하고, 상기 칼날면에는 열소자 내부와 코팅이 균일하게 되지 못하는 특성이 있어 현재 발생되고 있는 열소자의 가장자리 부식은 상기 칼날면에서 발생되고 있으므로, 이러한 부식의 발생원인 칼날면을 없애는 방법을 개발하고, 상기한 바와 같이 열소자가 연소가스와 처음 만나는 곳은 부식성 연소가스를 정면으로 만나게 되어 연소가스를 측면으로 만나는 열소자 내부와 부식을 유발하는 환경이 완전히 다른 구조이므로 상기 연소가스를 정면으로 만나는 열소자 절단면은 열소자 내부보다 좀더 강한 내식성을 갖도록 할 필요가 있다.

이에 본 발명에서는 열소자의 제조시 열소자 가장자리를 절단하면서 발생되는 칼날면을 제거하는 방법 및 장치와 열소자가 연소가스와 처음 만나는 곳은 부식성 연소가스를 정면으로 만나게 되어 연소가스를 측면으로 만나는 열소자 내부와 부식을 유발하는 환경이 완전히 다른 구조이므로 상기 연소가스를 정면으로 만나는 열소자 절단면은 열소자 내부보다 좀더 강한 내식성을 갖도록 하는 방법과 장치를 개발하고자 하였다.

본 발명의 결과 가스가스히터 열소자의 부식특성이 가장자리는 심하게 발생하고 열소자 내부는 멀쩡한 상태로 있으나 가장자리에서 기인된 부식은 연소가스가 철판과 마주하게 되는 것과 같은 결과를 초래해 열소자 내부로도 급속히 전파되는 것이어서, 열소자의 내식성이 현재도 건전한 열소자 내부는 그대로 두고 열소자의 가장자리 수명만 열소자 내부보다 좀 더 길게해 줌으로서 열소자 전체의 수명이 길어지고, 플랜트 설비 전체를 정지하고 보수해야 하는 주기를 연장할 수 있어 발전소와 같은 플랜트의 경영개선에 기여하게 된다.

도 1은 본 발명에 의한 가스가스히터 열소자 코팅방법의 일 실시예
도 2는 종래의 기술에 의한 가스가스히터 열소자 코팅방법의 일 실시예
도 3은 본 발명에 의한 열판에 예민부 세라믹 용사의 일실시예
도 4는 본 발명에 의한 열판에 예민부 세라믹 용사의 일실시예
도 5는 종래의 기술에 의하여 발생된 열소자의 부식사진
도 6은 가공중 발생되는 칼날면과 본 발명에 의한 원주상 절단부 단면의 일 실시예
도 7은 본 발명에 의한 연마휠의 일 실시예
도 8은 본 발명에 의한 열판과 연마휠의 배치 일실시예
도 9는 본 발명에 의한 팽이형 연마휠의 배치 일실시예
도 10은 본 발명에 의한 사각형 연마휠을 이용한 가장자리 둔화 단계의 일 실시예
도 11은 본 발명에 의한 팽이형 연마휠을 이용한 가장자리 둔화 단계의 일 실시예
도 12는 본 발명에 의한 예민부 세라믹 용사단계의 일 실시예

* 용어의 정의

칼날 면 : 철판의 절단면이 칼날과 같이 예리하게 늘어나 있는 면으로 [도 6]의 (1)에서 NF로 표기된 부분에 보이는 바와 같이 전단기(Shearing machine)에서 절단되는 제품의 절단면에 나타나는 특징임

팽이형 연마 휠(Wheel) : [도 7]의 (2)와 같이 겉 모습이 팽이와 같이 보이는 연마휠

사각형 연마휠(Wheel) : [도 7]의 (1)과 같이 겉 모습이 사각형과 같이 보이는 연마휠

열판(熱板) : 롤(Roll)의 형태로 반입되는 원재료인 강판을 전단기로 일정길이로 자른 사각형 판

코팅 홀(Coating Hole) : 열판은 에나멜 코팅시 걸어두기 위하여 뚫은 작은 구멍
* 발명의 상세한 설명

롤(Roll) 형태로 반입된 철판을 전단기에서 일정한 길이로 자른 사각형 철판에, 드릴을 이용하여 구멍을 뚫어 코팅홀을 만들어 열판(10)을 만드는 절단단계와
상기 열판의 가장자리를 그라인더(20)나 드릴(50)에 팽이형 연마휠이나 사각형 연마휠을 장착하여 회전시키면서 상기 열판의 가장자리와 코팅홀의 칼날면을 원주상 절단부 단면으로 변화시키는 가장자리 둔화단계와,
상기 열판이 높은 전열계수를 갖도록 골을 만들어 주는 롤 포밍단계와
상기 열판을 코팅하기 위하여 씻어내는 세척단계와
상기 세척단계에서 상기 열판에 묻어 있는 수분을 날려보내는 건조단계와
상기 열판을 다수로 적층하여 에나멜 코팅 소성온도보다 높은 온도분위기에서 상기 적층된 열판의 가장자리와 코팅홀의 원주주변을 얇게 무기재료를 증착시키는 예민부 세라믹 용사단계와
상기 세라믹 코팅된 부위를 소성시키는 소성단계와
상기 적층된 열판을 풀어 낱개의 열판 전체면을 에나멜 재료를 고온에서 분사시키는 에나멜 분사단계와
상기 분사된 에나멜을 소성시키는 단계를 특징으로 하는 가스가스히터 열소자 코팅방법에 관한 발명이다.

종래의 열소자 코팅방법은 [도 2]와 같이 칼날면이 발생되고, 예민부에 대한 보강이 되어 있지않아 열소자의 예민부를 따라 부식이 진행되기 시작하고, 한번 부식이 시작되면 그 안에 철이 연속되어 있어 쉽게 부식이 진행되어 버리는 문제점이 있어 칼날면을 제거하고, 예민부에 대하여 별도의 코팅을 수행하는 본 발명은 [도 1]과 같이 가장자리 둔화단계와 예민부 세라믹 용사단계를 추가하였다.

가스가스 히터 열소자는 [도 3]에 예시된 바와 같이 두께 0.6 mm ~ 1.2 mm의 강판에 골을 내어 전열효과를 높이도록 하고, 부식을 방지하기 위하여 에나멜 코팅을 하여 사용한다. 종래의 열소자 코팅방법은 특허등록번호 10-0243748(냉연강판 소재의 표면에 에나멜층을 코팅하는 방법)에 잘 나타나 있다. 이를 제조하는 방법을 강판을 절단하는 공정까지를 포함하여 도시하면 [도 2]와 같이 절단(切斷), 롤포밍(Roll Forming), 세척(洗滌), 건조(乾燥), 에나멜 분사(Enamel 噴射), 소성(燒成)으로 표현된다.

롤(Roll) 형태로 반입된 철판을 전단기에서 일정한 길이로 자른 사각형 철판에, 드릴을 이용하여 구멍을 뚫어 코팅홀을 만들어 열판(10)을 만드는 절단단계는 종래의 기술과 차이가 없다.

강판을 절단하는 공정은 전단기(剪斷機, Shearing Machine)를 사용하는 데 이 전단기를 사용하여 강판을 자르게 되면 [도 6]의 (1)에 예시된 바와 같이 강판이 절단되면서 절단면이 미끌려 찢어져 칼날면(Knife Edge, NF)이 생기게 된다. 이 칼날면(NF)에 코팅을 하게 되면 칼날부위에는 코팅층이 매우 취약해져 이 취약한 코팅층이 연소가스와 만나게 되면 [도 5]의 사진에서 나타난 바와 같이 부식의 시작점이 되게 된다. [도 6]은 상기 열소자를 구성하는 강판의 절단부 단면을 확대하여 나타내는 것이다.

상기 열판의 가장자리를 그라인더(20)나 드릴(50)에 팽이형 연마휠이나 사각형 연마휠을 장착하여 회전시키면서 상기 열판의 가장자리와 코팅홀의 칼날면을 원주상 절단부 단면으로 변화시키는 가장자리 둔화단계는 다음과 같이 실시할 수 있다.

본 발명에서는 상기 칼날면을 없애 열소자의 가장자리 절단부 단면을 [도 6]의 (2)와 같이 불연속선이 없도록 원형으로 하여 원주(圓周)모양이 나타나는 원주상(圓周狀) 단면(RD)(이하 “원주상 절단부 단면(斷面)”이라 한다)을 만들어 열소자 가장자리 절단부 단면에 골고루 코팅액이 분사되고, 코팅층이 균일한 두께로 형성되도록 하였다.

절단부 단면을 상기 원주상 절단부 단면으로 만드는 방법은 롤(Roll)의 형태로 반입되는 원재료를 전단기로 일정길이로 자르게 되는 데 이렇게 잘라진 강판(이하 제작이 완료된 열소자와 구분하기 위하여 열소자의 판이라는 의미로 “열판(熱板)”이라 한다.)의 가장자리 절단면은 앞서 설명한 바와 같이 칼날면을 갖게 된다. 이 열판은 에나멜 코팅시 걸어두기 위하여 구멍을 작은 뚫게 되는데 [도 4]의 열판의 상부에 있는 두 개의 구멍이 그것이다. 이 구멍을 본 발명에서는 “코팅 홀(Coating Hole)"이라 하겠다.

강판의 절단 후에 절단부 단면을 [도 7]의 (1)과 같이 사각형 연마휠을 고속으로 돌리는 상태에서 상기 절단된 강판의 가장자리를 전부를 빙돌아 한바퀴 돌리면 된다. 가장자리 전부를 빙돌아 한바퀴 돌리는 방법은 다음과 같다. 열판은 아직 골이 파이지 않은 상태이므로 사각형 평판이다. 상기 사각형 평판은 가로, 세로가 서로 평행이므로 [도 10]에 도시된 화살표 방향으로 열판이 진행하도록 콘베이어 등의 연속이송장치위에 올려놓고, 상기 열판의 폭 양단에 사각형 연마휠이 장착된 그라인더(20)가 스프링(30)에 의하여 상기 열판에 힘을 주면서 회전하도록 하여 연마휠이 갈아 없어지더라도 연속적으로 열판 가장자리를 연마할 수 있게 한다. 상기 스프링은 외부에 고정된다. 열판의 세로부 가장자리(VT)를 하면 열판의 각도를 90도 돌려 이제는 가로부가장자리(HR)가 연마되도록 한다. 그렇게 되면 가장자리 전부가 빙돌라 한바퀴 연마되게 된다. 가장자리의 경우 사각형 연마휠을 쓰지않고, 팽이형 연마휠을 본 단계에서 설명한 바와 같이 사용할 수 있는데 이 경우에는 열판의 상하에 하나씩 드릴(50)을 설치하고 상기 각각의 드릴에 상기 팽이형 연마휠을 장착하되, [도 9]에 예시된 바와 같이 상기 팽이형 연마휠의 축간격(DIS)을 조정하여 원주상 단면이 되도록 하여야 한다.

열판의 코팅홀에 생긴 칼날면은 [도 11]에 예시된 바와 같이 상기 팽이형 연마휠이 장착된 드릴(50)을 유압실린더와 연결하여 드릴의 축방향 위치가 변화하도록 한 상태에서 상기 열판의 코팅홀과 상기 팽이형 연마홀의 중심이 일치하게 하고, 상기 유압실린더를 이용하여 상기 팽이형 연마홀을 아래로 내려 상기 코팅홀의 상부면을 연마 한 후 [도 11]에 예시된바와 같이 아래에 있는 드릴(50)을 상부로 밀어 코팅홀의 하부 절단부 단면을 연마하면 코팅홀의 상하부 전체 원주가 원주상 절단부 단면(RD)으로 변화하게 된다.

이 단계에서는 열판의 세로부 가장자리와 가로부 가장자리가 만나는 곳에서 직각이 형성되어 이 부분 또한 칼날과 같으므로 통상의 연마봉을 이용하여 이 각지(角地)를 원형에 가깝도록 별도록 추가하여 가공하여야 한다.

상기 열판이 높은 전열계수를 갖도록 골을 만들어 주는 롤 포밍단계는 종래의 기술과 같이 통상 크림핑 머신(Crimping Machine)이라하는 롤 포밍(Roll Forming)과정을 거쳐 수행한다.

상기 열판을 코팅하기 위하여 씻어내는 세척단계는 종래의 기술과 같이 산세등의 과정을 거치면 된다.

상기 세척단계에서 상기 열판에 묻어 있는 수분을 날려보내는 건조단계 또한 종래의 기술과 같이 고온 바람을 열판에 통과시키면 된다.

상기 열판을 다수로 적층하여 에나멜 코팅 소성온도보다 높은 온도분위기에서 상기 적층된 열판의 가장자리와 코팅홀의 원주주변을 얇게 무기재료를 증착시키는 예민부 세라믹 용사단계는 다음과 같이 실시한다.

본 발명에서 예민부라 하면 부식이 예민하게 진행되는 부위로서 부식이 최초로 발생되는 부위를 말한다. 이는 열판의 세로부 가장자리(VT)와 가로부 가장자리(HR), 코팅홀 원주부위이다. 그러므로 본 발명에서는 세로부 가장자리(VT)와 가로부 가장자리(HR), 코팅홀 원주부위를 “예민부”라 정의한다. 상기 예민부에는 통상의 에나멜 코팅만으로서는 부식의 발생을 억제하기 힘들어서 이 예민부를 따라가면서 한번 더 코팅을 한다. 이때 에나멜 코팅보다 좀 더 조밀한 코팅층을 형성하기 위하여 에나멜 소성온도보다 높은 온도(온도를 제한하지는 않으나 통상의 온도인 1100-1200℃ 정도가 좋다)에서 무기재료 가루를 이용하여 코팅을 하는 세라믹 코팅을 시행한다. 이렇게 되면 재료가 에나멜 코팅온도보다 높은 만큼 재료가 열팽창이 된 상태에서 코팅이 되고, 온도가 식으면서 상기 코팅된 입자들이 좀 더 밀착되게 되어 에나멜 코팅보다 더 강한 내식성을 보유하게 된다. 상기 예민부를 코팅하는 방법은 열판 전체를 코팅하지 않고 예민부만 살짝 코팅하게 되느니 만큼 [도 12]에 예시된 바와 같이 열판과 열판을 적층하되 상기 적층된 판들이 일정한 간격(이하 “적층간격(GP)"이라 한다)을 유지하게 되도록 얇은 판들을 사이에 넣고, 분사노즐(60)을 통하여 세라믹 분말이 상기 적층간격으로 들어가도록 한다. 상기 세라믹 분말을 도포시키는 범위는 상기 예민부를 따라 통상 1 cm 이하로 하면 좋으나 반드시 크기를 제한하지는 않는다. 본 발명에 의하여 세라믹 코팅이 완료된 예민부 세라믹 용사단계의 형태는 [도 3]과 [도 4]에 열판의 가장자리와 코팅홀의 원주를 따라가면서 표시된 띠와 같이 되도록 하여야 한다. 본 발병의 실시에 있어 예민뷰에 세라믹 용사를 반드시 적층하면서 하는 것만으로 제한하지는 아니하며 낱개로 실시하되 예민부에 세라믹 분말이 도포되지 않도록 덮고 하나하나 실시하는 방법등을 다른 실시 방법으로 채택할 수 있으므로 본 발명의 취지를 살려 다양하게 실시할 수도 있다.

상기 세라믹 코팅된 부위를 소성시키는 소성단계는 통상의 세라믹 소성단계와 동일하다.

상기 적층된 열판을 풀어 낱개의 열판 전체면을 에나멜 재료를 고온에서 분사시키는 에나멜 분사단계는 통상의 정전도장 방식을 응용한 에나멜 코팅과정과 같으며 이때 온도는 700-800 ℃(그러나 온도 범위를 제한하지는 않는다)가 좋다.

상기 분사된 에나멜을 소성시키는 단계는 종전의 에나멜 코팅의 소성단계와 같다.
본 발명의 적용범위는 여기서는 가스가스히터를 주 적용대상으로 하여 설명하였으나 본 가스가스히터라 하여 반드시 가스와 가스의 열교환만을 목적으로 하는 것에 국한하지 않고 어떤 형태의 유체를 사용하더라도 본 발명에서 언급된 바와 같은 형태의 축열식 열교환기에 적용할 수 있음은 두말할 필요가 없다.

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10 : 열판
20 : 그라인더
30 : 스프링
40 : 유압실린더
50 : 드릴
60 : 분사노즐

Claims (6)

1. 롤(Roll) 형태로 반입된 철판을 전단기에서 일정한 길이로 자른 사각형 철판에, 드릴을 이용하여 구멍을 뚫어 코팅홀을 만들어 열판(10)을 만드는 절단단계와
   상기 열판의 가장자리를 그라인더(20)나 드릴(50)에 팽이형 연마휠이나 사각형 연마휠을 장착하여 회전시키면서 상기 열판의 가장자리와 코팅홀의 칼날면을 원주상 절단부 단면으로 변화시키는 가장자리 둔화단계와,
   상기 열판이 높은 전열계수를 갖도록 골을 만들어 주는 롤 포밍단계와
   상기 열판을 코팅하기 위하여 씻어내는 세척단계와
   상기 세척단계에서 상기 열판에 묻어 있는 수분을 날려보내는 건조단계와
   상기 열판을 다수로 적층하여 에나멜 코팅 소성온도보다 높은 온도분위기에서 상기 적층된 열판의 가장자리와 코팅홀의 원주주변을 얇게 무기재료를 증착시키는 예민부 세라믹 용사단계와
   상기 세라믹 용사된 부위를 소성시키는 소성단계와
   상기 적층된 열판을 풀어 낱개의 열판 전체면에 대하여 에나멜 재료를 고온에서 분사시키는 에나멜 분사단계와
   상기 분사된 에나멜을 소성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스가스히터 열소자 코팅방법
2. 제 1항에 있어서 가장자리 둔화단계는 열판의 세로부 가장자리와 가로부 가장자리 및 코팅홀 원주를 따라 그라인더(20)나 드릴(50)에 팽이형 연마휠이나 사각형 연마휠을 장착하여 회전시키면서 상기 열판의 가장자리와 코팅홀의 칼날면을 원주상 절단부 단면으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 가스가스히터 열소자 코팅방법
3. 제 1항에 있어서 예민부 세라믹 용사단계는 상기 열판을 다수로 적층하여 에나멜 코팅 소성온도보다 높은 온도분위기에서 상기 적층된 열판의 가장자리와 코팅홀의 원주주변을 얇게 무기재료를 증착시키는 것을 특징으로 하는 열소자 코팅방법
4. 롤(Roll) 형태로 반입된 철판을 전단기에서 일정한 길이로 자른 사각형 철판에, 드릴을 이용하여 구멍을 뚫어 코팅홀을 만들어 열판(10)을 만드는 절단장치와
   상기 열판의 가장자리를 그라인더(20)나 드릴(50)에 팽이형 연마휠이나 사각형 연마휠을 장착하여 회전시키면서 상기 열판의 가장자리와 코팅홀의 칼날면을 원주상 절단부 단면으로 변화시키는 가장자리 둔화장치와,
   상기 열판이 높은 전열계수를 갖도록 골을 만들어 주는 롤 포밍장치와
   상기 열판을 코팅하기 위하여 씻어내는 세척장치와
   상기 세척장치에서 상기 열판에 묻어 있는 수분을 날려보내는 건조장치와
   상기 열판을 다수로 적층하여 에나멜 코팅 소성온도보다 높은 온도분위기에서 상기 적층된 열판의 가장자리와 코팅홀의 원주주변을 얇게 무기재료를 증착시키는 예민부 세라믹 용사장치와
   상기 세라믹 용사된 부위를 소성시키는 소성장치와
   상기 적층된 열판을 풀어 낱개의 열판 전체면에 대하여 에나멜 재료를 고온에서 분사시키는 에나멜 분사장치와
   상기 분사된 에나멜을 소성시키는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스가스히터 열소자 코팅장치
5. 제1항의 방법으로 만들어진 가스가스히터 열소자
6. 제4항의 장치로 만들어진 가스가스히터 열소자
   

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