KR101098485B1 - 발전기 로터 축재 및 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기의 고효율화를 위하여, 자기 특성이 우수한 발전기 로터 축재의 제공을 과제로 한다.

이를 위한 본 발명은, 질량%로, C : 0.15 ∼ 0.35%, Si : 0.01 ∼ 0.10%, Mn : 0.10 ∼ 0.50%, Ni : 1.3 ∼ 2.0%, Cr : 2.1 ∼ 2.8%, Mo : 0.20 ∼ 0.50%, Cu : 0.15 ∼ 0.35%, V : 0.06 ∼ 0.14% 및 나머지부가 불가피 불순물 및 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발전기 로터 축재이다.

Description

발전기 로터 축재 및 발전기{MATERIAL FOR GENERATOR ROTOR SHAFT AND GENERATOR}

본 발명은, 자기 특성이 우수한 발전기 로터 축재에 관한 것이다.

지금까지, 발전기에 있어서 계자 코일을 설치하는 로터 축재로서, 일본국 특공소47-25248호 공보(특허문헌 1) 및 특공소50-7530호 공보(특허문헌 2)에 기재된 바와 같은 강(鋼)이 나타나 있다. 특히 실온에서의 인장강도로서 700 MPa 이상을 필요로 하는 발전기 축재에는, 일반적으로는, ASTM 규격 A469에 개시되어 있는 바와 같이, 니켈을 3.0% 이상 함유하고, 크롬을 2.0% 이하 함유하는 강이 사용되고 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특공소47-25248호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특공소50-7530호 공보

종래, 가스 터빈 및 증기 터빈으로 구동되는 비교적 대형 발전기의 로터 축재에는 니켈을 3.0% 이상 함유하는 저합금강이 사용되어 왔으나, 이 범위의 니켈을 함유하는 발전기 로터 축재는 자기 특성이 좋지 않다. 그 결과, 발전기의 효율이 저하한다. 또, 니켈은 자기 특성을 저하시키나, 경화능의 개선을 위하여 필요한 성분 때문에, 저감이 곤란하였다.

본 발명의 목적은, 니켈량을 종래보다 저감하여, 자기 특성을 향상시키고, 또한 실용화 가능한 경화능을 가지는 발전기 로터 축재를 제공하는 것에 있다. 또, 실온에서의 인장강도가 700 MPa 이상, 실온에서의 자화력이 275 AT/m 이하, FATT가 7℃ 이하인 발전기 로터 축재를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하는 본원 발명은, 니켈량을 감소시킴과 동시에, 크롬량을 많게 하고, 또한 구리를 첨가한 합금을 사용한 발전기용 로터 축재에 있다.

구체적으로는, 철을 주성분으로 하고, 질량%로, Ni : 1.3 ∼ 2.0%, Cr : 2.1 ∼ 3.0%, Cu : 0.15 ∼ 0.35%를 함유하는 저합금강을 사용한 발전기 로터 축재이다. 다른 본 발명은, C : 0.15 ∼ 0.35%, Si : 0.01 ∼ 0.10%, Mn : 0.10 ∼ 0.50%, Ni : 1.3 ∼ 2.0%, Cr : 2.1 ∼ 3.0%, Mo : 0.20 ∼ 0.50%, Cu : 0.15 ∼ 0.35%, V : 0.06 ∼ 0.14% 및 나머지부가 불가피 불순물 및 Fe로 이루어지는 발전기 로터 축재이다.

본 발명의 로터 축재에 의하면, 자기 특성이 우수하기 때문에, 발전기 로터의 코일에 흘리는 계자 전류를 줄일 수 있다. 이 때문에 발전기의 손실이 줄고, 발전기의 효율을 향상시킬 수 있다.

발전기 로터 축재의 니켈을 저감하면, 경화능이 저하한다. 이 때문에, 니켈을 3.0 이상 함유하는 저합금강이 사용되어 왔다. 그러나, 발명자들은, 저합금강의 경화능에 관한 연구를 행하여, 특정범위로 니켈을 저감한 경우에, 적량의 크롬과 구리를 첨가함으로써, 니켈을 3.0 이상 함유하는 저합금강과 동등한 경화능 효과가 있는 것을 발견하였다. 또, 이와 같이 하여 얻어지는 니켈을 종래보다 저감한 합금을 사용한 발전기 로터 축재를 사용하여 발전기를 작성함으로써, 발전기의 자기 특성이 종래보다 향상하여, 효율이 향상하는 것을 발견하였다.

이하에, 로터 축재를 구성하는 합금에 첨가되어 있는 원소의 효과와, 그 조성범위의 한정 이유를 설명한다.

탄소는 경화능을 좋게 하고, 발전기 로터 축재의 강도를 높이기 위하여 필수적인 원소로, 0.15% 이상 필요하다. 그러나, 0.35% 이상이 되면 발전기 로터 축재의 인성(靭性)을 저하시키기 때문에, 탄소의 범위는 0.15 ∼ 0.35%로 한다. 특히, 0.20 ∼ 0.30%의 범위가 바람직하다.

규소는 탈산효과가 있어, 발전기 로터 축재의 청정도를 높이기 위한 원소로서 첨가되고 있었으나, 최근은 진공 카본 탈산 등의 제강기술의 진보에 의해 특별 히 첨가하지 않아도 건전한 발전기 로터 축재를 용제(溶製) 가능하다. 템퍼링 취화(脆化)방지의 점에서, 규소는 약간 낮게 해야 하고, 0.01 ∼ 0.10%의 범위로 해야 한다.

망간은 경화능을 좋게 하고, 발전기 로터 축재의 인성을 높이기 위하여 필수적인 원소로, 0.1% 이상 필요하다. 그러나 0.50% 이상이 되면 발전기 로터 축재의 템퍼링 취화를 일으키기 때문에, 망간의 범위는 0.10 ∼ 0.50%로 한다. 특히, 0.20 ∼ 0.45%의 범위가 바람직하다.

니켈은 경화능을 좋게 하고, 발전기 로터 축재 중심부의 인성을 높임과 동시에, 자기 특성을 향상시키는 필수적인 원소로, 1.3% 이상 필요하다. 그러나, 2.0% 이상이 되면 발전기 로터 축재의 자기 특성을 저하시키기 때문에, 니켈의 범위는 1.3 ∼ 2.0%로 한다. 특히, 1.4 ∼ 1.8%의 범위가 바람직하다.

크롬은 경화능을 좋게 하고, 발전기 로터 축재 중심부의 인성 및 강도를 높이기 위하여 필수적인 원소로, 2.1% 이상 필요하다. 그러나, 3.0% 이상이 되면 발전기 로터 축재의 강도를 저하시키기 때문에, 크롬의 범위는 2.1 ∼ 3.0%로 한다. 특히, 2.3 ∼ 2.8%의 범위가 바람직하다.

몰리브덴은 경화능을 좋게 하고, 발전기 로터 축재 중심부의 인성을 높이며, 또, 템퍼링에서 취화를 완화하기 위하여 필수적인 원소로, 0.2% 이상 필요하다. 그러나, 0.5% 이상이 되면, 발전기 로터 축재의 자기 특성을 저하시키기 때문에, 몰리브덴의 범위는 0.20 ∼ 0.50%로 한다. 특히, 0.30 ∼ 0.40%의 범위가 바람직하다.

구리는 경화능을 좋게 하고, 발전기 로터 축재 중심부의 인성을 높이기 위하여 필수적인 원소로 0.15% 이상 필요하다. 그러나 0.35% 이상이 되면, 발전기 로터 축재의 단조(鍛造)성을 저하시키기 때문에, 구리의 범위는 0.15 ∼ 0.35%로 한다. 특히, 0.20 내지 0.30%의 범위가 바람직하다.

바나듐은 탄화물 입자 형성에 의한 결정립 미세화에 따라 발전기 로터 축재의 강복응력(降伏應力)을 높이기 위하여, 0.06% 이상 필요하다. 그러나, 0.14% 이상이 되면, 발전기 로터 축재의 인성을 저하시키기 때문에, 바나듐의 범위는 0.06 ∼ 0.14%로 한다. 특히, 0.08 ∼ 0.12%의 범위가 바람직하다.

불가피 불순물로서는, Al, P, S, Sn, Sb, As 등이 있다. Al은 인성을 저하시키기 때문에 약간 낮게 해야 한다. Al은 0.012% 이하로 하는 것이 바람직하다. S는 개재물(MnS)을 만들어 인성을 저하시키기 때문에 약간 낮게 해야 한다. S는 0.015% 이하로 하는 것이 바람직하다. P, Sn, Sb, As 등은 템퍼링 취화를 일으키기 쉽게 하기 때문에, 이들은 약간 낮게 해야 한다. P는 0.020% 이하, Sn은 0.015% 이하, Sb는 0.004% 이하, As는 0.015% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 발전기 로터 축재는, 전기로 용해 후에 진공 탈가스, 진공 카본 탈산, 일렉트로 슬래그 재용해 등의 방법으로 정련한 용탕(溶湯)을 금형에 주입함으로써 강괴(鋼塊)를 제작한다. 본 발명의 발전기 로터 축재는 강괴를 1150℃ 이상에서 열간 단조 후, 840℃ 이상에서의 노멀라이징 및 600℃ 이상에서의 템퍼링을 실시하여 결정립을 미세화한다. 그 후, 860 ∼ 900℃에서 오스테나이트화 처리를 실시하고, 오스테나이트화 온도로부터 수냉, 분수 냉각, 물분무 냉각 등의 방법에 의해 퀀칭처리를 실시한 후, 560 ∼ 660℃에서 템퍼링 처리를 실시하여 기계적 성질을 조정한다.

이하, 본 발명에 관한 발전기 로터 축재의 실시예를 설명한다. 표 1은, 본 실시예에서 확인한 공시강(供試鋼)의 화학조성(질량%)을 나타낸다. 공시강 N0.3∼7 및 N0.9∼14가 본 발명이다. 공시강 N0.1, 2, 8은 본 발명과 비교를 위해 용제한 비교재이다. N0.1은 발전기 축재의 ASTM 규격 A469의 Class 7 상당재이다.

각 공시강은, 용해로에서 20 kg의 강괴로 하고, 1150 ∼ 1250℃ 가열로 두께30 mm, 폭 90 mm로 열간 단조하였다. 이들 공시강에, 대형 발전기의 로터 축재 몸통부 중심부의 냉각 속도를 시뮬레이트한 열처리를 실시하였다. 먼저 900℃에서 노멀라이징한 후, 880℃까지 가열하여 오스테나이트화하고, 그 온도로부터 200℃/h의 속도로 냉각하여 퀀칭을 하였다. 이어서 600∼640℃에서 33h의 템퍼링 유지 후, 30℃/h의 속도로 냉각하였다. 템퍼링 처리는 인장강도가 700 MPa 이상의 범위에 들어 가는 온도를 각 공시강마다 선택하여 행하였다.

상기 열처리를 행한 각 공시강에 대하여, 인장시험, 2 mm V 노치·샬피 충격시험, 직류 자기 특성시험을 실시하였다. 인장시험은 JIS Z 2201의 4호 시험편의 축소 사이즈(직경 5 mm)를 사용하고, 실온에서 실시하였다. 2 mm V 노치·샬피 충격시험은 JIS Z 2202의 V 노치 시험편을 사용하고, -80 ∼ +40℃의 범위에서 실시하였다. 직류 자기 특성시험은 직경 20 mm, 길이 45 mm의 시험편을 사용하고, JIS C 2501의 방법(전자석과 시험편으로 폐자기 회로를 구성)에 의해, 실온에서 실시하였다. 각 시험의 결과를 표 2에 나타낸다. FATT는 충격시험에 의해 얻어지는 연성·취성파면 천이온도이다. FATT의 온도의 값이 낮을수록 강은 인성이 높다. 직류 자기 특성은 자속 밀도가 21.2 kg에 도달할 때의 자화력을 구하였다. 자화력의 값이 작을수록 강은 자기 특성이 우수하다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 조성에서는 인장강도가 700 MPa 이상, 자화력이 275 AT/m 이하, FATT가 7℃ 이하가 되는 바람직한 합금 조성이었다. 또, 발전기 로터 축재는 매분 3000 회전 또는 3600 회전으로 회전하고, 또 매일 기동 정지를 반복한다. 따라서, 특히 슬롯부에서는 회전 원심력에 의해 발생하는 인장 응력에 견딜 수 있는 설계가 필요하다. 발전기 로터 축재의 슬롯부에서 인장 응력이 0.02% 내력을 넘으면 소성 변형되기 쉬워지는, 응력 변동의 반복으로 피로 파괴되기 쉬워지는 등의 문제가 생긴다. 또, 증가, 감소의 값이 낮으면, 파괴 인성이 낮아져, 피로 파괴를 일으키기 쉬워진다.

도 1은 자속밀도가 21.2 kg에 도달할 때의 자화력에 미치는 니켈량의 영향을 나타낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 니켈량이 1.3 ∼ 2.0%의 범위에서 자화력이 낮다. 이 때문에, 니켈량은 1.3 ∼ 2.0%의 범위가 좋다. 도 2는 실온 인장 강도에 미치는 크롬량의 영향을 나타낸다. 도면에 나타내는 바와 같이, 크롬량이 2.1 ∼ 3.0%의 범위에서 700 MPa 이상의 실온 인장 강도를 나타내고 있다. 이 때문에, 크롬량은 2.1 ∼ 3.0%의 범위가 좋다. 본 발명의 공시강은 표 2에 나타내는 바와 같이, FATT가 7℃ 이하이고, 중심부에서의 인성에도 우수하다.

도 3에, 발전기 로터축의 일례의 사시도를 나타낸다. 본 도면에 나타내는 로터축은 자극(1), 커프링(2), 팬 설치용 링(3), 센터링 링(4), 슬롯(5), 티스(6)를 가진다. 본 발명재를 채용하는 경우에 가장 유효한 부분은, 자극(1), 커플링(2), 티스(6) 등이다.

도 4에, 발전기의 전체도를 나타낸다. 본 도면에 나타내는 발전기의 전체도는 발전기 로터축(7), 로터 코일(8), 리테이닝링(9), 콜렉터링·브러시(10), 팬(11), 베어링(12), 스테이터 코일(13), 철심(14), 스테이터 프레임(15), 고전압 부싱(16)을 가진다.

본 발명의 발전기 로터 축재는, 가스 터빈 및 증기 터빈에 의해 구동되는 발전기의 로터 축재로서 이용할 수 있다. 특히, 실온에서의 인장 강도가 700 MPa 이상인 로터 축재로서 이용할 수 있다.

도 1은 니켈량과 자화력의 관계를 나타내는 도,

도 2는 크롬량과 인장 강도의 관계를 나타내는 도,

도 3은 본 발명의 실시형태인 발전기 로터 축재를 나타내는 도,

도 4는 본 발명의 실시형태인 발전기의 전체도를 나타내는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 자극 2 : 커플링

3 : 팬 설치용 링 4 : 센터링 링

5 : 슬롯 6 : 티스

7 : 발전기 로터축 8 : 로터 코일

9 : 리테이닝링 10 : 콜렉터링·브러시

11 : 팬 12 : 베어링

13 : 스테이터 코일 14 : 철심

15 : 스테이터 프레임 16 : 고전압 부싱

Claims (6)

1. 삭제
2. 질량%로, C : 0.15 ∼ 0.35%, Si : 0.01 ∼ 0.10%, Mn : 0.10 ∼ 0.50%, Ni : 1.3 ∼ 2.0%, Cr : 2.1 ∼ 3.0%, Mo : 0.20 ∼ 0.50%, 구리 : 0.15 ∼ 0.35%, V : 0.06 ∼ 0.14% 및 나머지부가 불가피 불순물 및 Fe로 이루어지는 합금을 사용한 것을 특징으로 하는 발전기 로터 축재.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 2항에 기재된 발전기 로터 축재를 사용한 것을 특징으로 하는 발전기.

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