KR101161910B1 - 내고온부식 Ｎｉ기 합금 용접 구조체 및 열교환기 - Google Patents

내고온부식 Ｎｉ기 합금 용접 구조체 및 열교환기 Download PDF

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가부시키가이샤 구리모토 뎃코쇼
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Abstract

고온부식 환경하에서 높은 내식성을 발휘하는 고Si-내고온부식 Ni기 합금끼리의 용접부 및 그 근방의 내고온부식성을 높여, 고온부식 환경하에서 장기간 사용가능한 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체를 제공한다.
Ni: 45 내지 57wt%, Cr: 23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리 용접 접합되어 이루어지는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체로서, 상기 용접된 용접부는 그 용착 금속이, 일부는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)이고, 나머지는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)이며, 고온부식 분위기에 노출되는 면에 상기 제 2 용착 금속(WM2)이 드러나 있는 것을 특징으로 한다.

Description

내고온부식 Ｎｉ기 합금 용접 구조체 및 열교환기{NI-BASED ALLOY WELDED STRUCTURE AND HEAT EXCHANGER HAVING HIGH-TEMPERATURE CORROSION RESISTANCE}
본 발명은 도시 쓰레기나 산업 폐기물의 소각 처리를 행하는 가스화 용융로 등에 사용되는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체 및 열교환기에 관한 것이다.
도시 쓰레기나 산업 폐기물 등의 폐기물의 소각 처리를 행하는 소각 처리 설비에는, 상기 폐기물을 열분해시켜 열분해 가스와 열분해 잔류물을 생성하는 열분해 드럼을 갖는 열분해 반응기와, 상기 열분해 가스를 고온 연소시키는 연소로를 구비한 것이 있다. 연소로 내에는 열교환기 등의 노(爐)내 설치물이 설치되고, 850℃ 내지 1200℃ 정도의 고온 배기가스 분위기, 또한, 부식성 가스(HCl, SOx 등) 분위기에 노출된다. 열교환기에 의해 배기가스로부터 회수한 열은 상기 열분해 반응 용기의 열원으로서 이용되고 있다.
상기 노내 설치물을 형성하는 재료로서는, 특허문헌 1 및 특허문헌 2와 같은, 노내의 독특한 고온부식 환경하에서 높은 내식성을 발휘하는 Si 함유량이 많은 내고온부식 Ni기 합금(이하, 고Si-내고온부식 Ni기 합금)이 사용된다.
상기 열교환기 등의 노내 설치물은 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금의 관재나 판재를 아크 용접 등에 의해 접합하여 형성된다. 특히, 노내 설치물의 용접부는 강도와 건전성이 요구되므로, 일반적으로는 아크 용접에 의한 완전 용입의 개선(開先) 용접이 적용된다.
그러나, 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금은 내고온부식성을 높이기 위하여, 일반적인 합금보다도 Si 함유량이 많이 설정되어 있지만, Si 함유량이 많으면 인성이 낮아지는 경향이 있다. 그 때문에, 고Si-내고온부식 Ni기 합금을 모재로 하는 금속 부재의 용접을 이 모재와 동일한 조성의 용접 재료의 용가재(welding material)(용접봉)를 사용하여 행하면, 용접부(용접금속이나 용접열 영향부)에 균열이 발생해 버리는 문제가 있었다.
특히, 관재를 용접하는 경우에는, 관의 외면보다도 그 내면쪽이 표면 상태가 거칠고, 그 거칠기에 기인하여 관의 내면으로부터의 균열의 문제가 현저하다. 이것은 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 같은 인성이 낮은 소재로 형성되는 관재는 원심주조에 의해 성형되어, 내면은 생주물(as-cast)인 채로 사용되기 때문이다.
또한, 고Si-내고온부식 Ni기 합금은 그 인성이 낮기 때문에 선재 가공이 어려워, 용접봉의 제작이 고비용으로 되기 때문에, 모재와 동일한 조성의 용접재료의 용가재(용접봉)를 사용한 용접은 행해지고 있지 않다.
따라서, 고Si-내고온부식 Ni기 합금의 용접부의 용접재료로서는 모재나 용접부의 균열 방지를 위하여, 이 고Si-Ni기 합금보다도 인성이 높고, 입수가 용이한 인코넬 625로 대표되는 시판 용접재료가 용가재로서 사용되고 있었다.
한편, 고크롬 페라이트강의 용접에 대해서는 특허문헌 3에, 용접 접합부의 최초층을 모재와 동일한 성분계의 Cr 함유량이 높은 용접재료를 사용하여 불활성 가스 텅스텐 아크(TIG) 용접법에 의해 시공하고, 다음 층 이후를 모재보다도 Cr 함유량이 낮은 용접재료를 사용하여 피막 아크 용접법 등에 의해 시공한 용접 이음 구조가 개시되어 있다.
특허문헌 3의 용접 이음 구조에서는, 모재보다도 Cr 함유량이 낮은 용접재료가 용접부의 대부분을 차지하고 있다. 또, 모재는 Ni기 합금이 아니라, Si 함유량이 높음으로 인한 이 Ni기 합금의 인성 저하의 문제는 전혀 고려되어 있지 않다.
특허문헌 1 일본 특허공개 2004-52107호 공보
특허문헌 2 일본 특허공개 2006-231405호 공보
특허문헌 3 일본 특허공개 2000-288738호 공보
고Si-내고온부식 Ni기 합금의 용접에 사용되고 있는 인코넬 625 등의 시판 용접재료는 모재인 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다도 내고온부식성이 낮아, 이 시판 용접재료를 사용한 용접부 및 그 근방이 선택적으로 부식되어 버린다. 이 때문에, 모재의 부식보다도 용접부의 부식이 단기간에 진행되어, 열교환기 등의 노내 설치물에서는 이 용접부의 두께 감소가 문제가 되고 있었다.
본 발명의 목적은 고온부식 환경하에서 높은 내식성을 발휘하는 고Si-내고온부식 Ni기 합금끼리의 용접부 및 그 근방의 내고온부식성을 높여, 고온부식 환경하에서 장기간 사용가능한 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 태양에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체는 Ni: 45 내지 57wt%, Cr: 23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리 용접 접합되어 이루어지는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체로서, 상기 용접된 용접부는 그 용착 금속이 일부는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)이고, 나머지는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)이며, 고온 피부식 분위기에 노출되는 면에, 상기 제 2 용착 금속(WM2)이 드러나 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
여기에서, 「제 2 용착 금속(WM2)」에 대하여 「고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성」이란 모재인 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 정도의 내고온부식성을 나타내도록 모재와 동일한 조성범위인 것을 의미한다.
본 발명에 의하면, Ni: 45 내지 57wt%, Cr: 23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리가 용접에 의해 접합되고, 용접부의 용접금속의 일부가 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)이므로, 용접부의 균열의 발생을 저감시킬 수 있어, 건전하고 신뢰성이 높은 용접부가 얻어져, 이 용접부의 강도를 확보할 수 있다.
아울러, 상기 용접부의 용접금속의 다른 부분은 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)이며, 고온부식 분위기에 노출되는 면에, 그 제 2 용착 금속(WM2)이 드러나 있으므로, 이 고온부식 분위기에 노출되는 면의 용접부의 내고온부식성은 모재와 동일한 정도까지 향상된다.
본 발명의 제 2 태양에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체는, 제 1 태양에 있어서, 상기 제 2 용착 금속(WM2)은, 상기 제 1 용착 금속(WM1)을 덮도록 설치되고, 상기 용접부의 양면에 드러나 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성인 제 2 용착 금속(WM2)이 용접부의 양면에 드러나 있으므로, 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체 의 양면에서 용접 표면의 내고온부식성이 향상된다.
본 발명의 제 3 태양에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체는, 제 1 태양에 있어서, 상기 복수의 요소 부재는, 소직경의 내관과 대직경의 외관이 동축으로 배열 설치되고, 적어도 한쪽의 단부가 상기 내관 및 상기 외관 모두 개방되어서 이루어지는 이중관 튜브와, 상기 외관과 동일한 직경의 개구를 갖는 캡이며, 상기 이중관 튜브의 개방단의 외관이 상기 캡에 의해 밀봉되도록 용접 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 소직경의 내관과 대직경의 외관이 동축으로 배열 설치되고, 적어도 한쪽의 단부가 상기 내관 및 상기 외관 모두 개방되어 이루어지는 이중관 튜브와, 상기 외관과 동일한 직경의 개구를 갖는 캡의 용접부에서, 제 1 태양과 동일한 작용효과를 얻을 수 있는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체로 할 수 있다.
본 발명의 제 4 태양에 따른 열교환기는 제 3 태양의 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체에 의해 구성된 열교환기이다. 본 발명에 의하면 용접부의 내고온부식성이 모재와 동일한 정도로 높고, 고열부식 환경하에서 장기간 사용가능한 열교환기로 할 수 있다.
본 발명의 제 5 태양에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체는 Ni: 45 내지 57wt%, Cr: 23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리 용접 접합되어 이루어지는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체로서, 상기 용접된 용접부는 그 용착 금속이 상기 고 Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성인 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, Ni: 45 내지 57wt%, Cr: 23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리가 용접에 의해 접합되고, 용접부의 용접금속이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성이므로, 이 고온부식 분위기에 노출되는 면의 용접부의 내고온부식성이 모재와 동일한 정도까지 향상된다.
본 발명에 의하면, 고Si-내고온부식 Ni기 합금의 용접부에 있어서, 고온부식 분위기에 노출되는 면에 드러나는 용접금속이, 이 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성이므로, 상기 용접부 및 그 근방의 강도를 유지시킨 채, 이 용접부의 내고온부식성을 높일 수 있어, 열교환기 등의 노내 설치물의 고온부식 환경하에서의 사용 연수를 향상시킬 수 있다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체는 Ni: 45 내지 57wt%, Cr: 23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리 용접 접합되어 구성되어 있다. 상기 복수의 요소 부재는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 관제나 판재 등이다.
열교환기 등의 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체의 모재에 사용되는 고Si-내고온부식 Ni기 합금으로서는 공지의 고Si-내고온부식 Ni기 합금을 이용할 수 있다. 그 합금의 조성예를 이하에 2종류 나타낸다. 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.
<고 Si 내고온부식성 Ni 기 합금 (1)>
C: 0.18 내지 0.28wt%, Si: 3.00 내지 6.00wt%, Mn: 0.10wt% 이하, P: 0.01wt% 이하, S: 0.01w% 이하, Cr: 30.0 내지 35.0wt%, Ni: 45.0 내지 50.0wt%, Mo: 4.5 내지 5.5wt%, 나머지 Fe의 성분으로 이루어지는 내고온부식성 합금.
<고 Si 내고온부식성 Ni 기 합금 (2)>
C: 0.15 내지 0.25wt%, Si: 4.5 내지 5.5wt%, Cr: 23 내지 29wt%, Ni: 47 내지 57wt%, Mo: 3.5wt% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 내고온부식성 합금.
본 발명에서, 상기 복수의 요소 부재끼리의 용접 접합은 피복 아크 용접, 가스 텅스텐 아크 용접, 가스 메탈 아크 용접, 서브머지 아크 용접 등의 아크 용접에 의해 행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체의 용접부의 아크 용접에 의한 용접 수순의 일례를 도시하는 도면이다. 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체(1)를 이루는 상기 복수의 요소 부재가 2개의 동일한 직경의 관재(2, 3)일 경우, 즉 용접이음을 형성하는 경우에는, 도 1과 같은 편면 용접이 행해진다.
편면 용접의 개선의 형상은 U형, V형, レ형, J형 등을 들 수 있으며, 모재의 두께나 용접 방법을 고려하여 적당하게 선택된다. 개선 깊이(d), 루트 간격(a), 루트면(b), 개선 각도(θ)는 모재의 합금 조성 및 모재의 두께(t)에 따라 적당하게 설정된다. 예컨대 두께 5mm의 고Si 내고온부식성 Ni기 합금 (1) 또는 고Si 내고온부식성 Ni기 합금 (2)를 모재로 한 경우에는, d=4mm, a=3mm, b=1mm, θ=30°로 설정된다.
용접부(10)는, 그 용착 금속(WM)이 일부는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)이고, 나머지는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)이며, 고온부식 분위기에 노출되는 면에, 상기 제 2 용착 금속(WM)이 드러나도록 용접된다.
본 발명에서 사용되는, 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 용착 금속(WM1)을 형성하는 용접재료로서는 공지의 Ni기 합금 등을 이용할 수 있다. 인성이 높은 용착 금속(WM1)을 형성하는 고인성 용접재료로서 사용되는 합금의 조성예를 이하에 3종류 나타낸다. 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.
< 고인성 용접재료 (1)>
Cr: 20 내지 23wt%, Mo: 8 내지 10wt%, Fe: 2 내지 3wt%, Nb+Ta: 3 내지 4w중%, 잔부가 Ni로 이루어지는 합금.
< 고인성 용접재료 (2)>
Cr: 18 내지 22wt%, Fe: 1 내지 3wt%, Mn: 2.5 내지 3.5wt%, Nb+Ta: 2 내지 4wt%, 잔부가 Ni로 이루어지는 합금.
< 고인성 용접재료 (3)>
Cr: 21 내지 24wt%, Fe: 13 내지 15wt%, Al: 1 내지 2wt%, 잔부가 Ni로 이루어지는 합금.
도 1에서는, 최초층(11)이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)으로 형성되고, 나머지(제2층(12) 내지 제5층(15))가 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)에 의해 형성되어 있다. 도 1의 용접부(10)의 구성에서는, 제5층(15)(용접 최종부)측이 고온부식 분위기에 노출되는 면이 된다.
제 1 용착 금속(WM1) 및 제 2 용착 금속(WM2)의 두께(층수)는 모재인 상기 요소 부재(본 실시예에서는 관재(2, 3))의 두께나, 고Si-내고온부식 Ni기 합금의 조성, 용접 방법, 및 이 요소 부재의 표면상태(연마상태 등)에 따라 적당하게 설정할 수 있다.
제 1 용착 금속(WM1)을 상기 고인성 용접재료(1) 내지 고인성 용접재료(3)를 사용하여 형성하는 경우에는, 예컨대, 가스 텅스텐 아크 용접(이하, GTAW라고 칭함) 등의 가스 쉴드 아크 용접에 의해 행하는 것이 바람직하다.
한편, 제 2 용착 금속(WM2)은 모재인 고Si-내고온부식 Ni기 함금과 거의 동일한 조성인데, 상기 고Si 내고온부식성 Ni기 합금 (1), 및 상기 고Si 내고온부식성 Ni기 합금 (2)에 나타낸 바와 같은 조성의 용착 금속을, 상기 GTAW 등의 가스 쉴드 아크 용접에 의해 용접하는 경우, 모재인 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 거의 동일한 조성을 갖는 용접봉을 제작할 필요가 있다. 그러나, 상기 고Si 내고온부식성 Ni기 합금은 그 높은 Si 함유량 때문에, 인성이 낮아지는 경향이 있어, 용접봉의 제작에 비용이 들어간다.
또, 고Si-내고온부식 Ni기 합금은 그 인성이 낮기 때문에 가공성이 나쁘므로, 관재(2) 및 관재(3)를 제조할 때는, 인발 가공법 등의 소성 가공법이 아니라, 원심주조법이 사용된다. 원심주조법에 의해 제작된 관재(2) 및 관재(3)의 내면은 생주물인 채로 사용되기 때문에, 관의 외면(4)보다도 그 내면(5) 쪽이 표면상태가 거칠고, 이러한 관재를 용접하는 경우에는 그 관의 내면(5)으로부터의 균열의 문제가 현저하다.
이러한 성질을 갖는 고Si-내고온부식성 Ni기 합금과 거의 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)의 형성은 피복 아크 용접(이하, SMAW라고 칭함)법에 의한 용접에 의해 행할 수 있다. SMAW는 플럭스를 피복한 심선(또는 중심선)을 용접봉으로 하는 용접법이지만, 본 실시예에서는, Ni-20Cr의 심선 주위에, 라임계 또는 라임 타이타니아계 플럭스를 도포하고, 이 플럭스 중에 금속 원소(Cr, Mo, Si 등)를 혼합한 용접봉이 사용된다.
당해 용접봉을 사용한 피막 아크 용접에 의해 형성된 용착 금속이, 고Si 내고온부식성 Ni기 합금과 거의 동일한 조성을 갖도록, 상기 플럭스 중의 금속 원소(Cr, Mo, Si 등)의 종류 및 양을 조절함으로써, 상기 제 2 용착 금속(WM2)을 형성할 수 있다.
본 실시형태에서는, 용접부(10)의 용접금속(WM)의 일부가 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)이므로, 용접부의 균열의 발생을 저감시킬 수 있어, 건전하고 신뢰성이 높은 용접부가 얻어져, 이 용접부의 강도를 확보할 수 있다.
아울러, 상기 용접부의 용접금속의 다른 부분이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)이고, 고온부식 분위기에 노출되는 면에, 그 제 2 용착 금속(WM2)이 드러나 있으므로, 이 고온부식 분위기에 노출되는 면의 용접부의 내고온부식성은 모재와 동일한 정도까지 향상된다.
또, 모재인 고Si 내고온부식성 Ni기 합금과 동일한 조성의 용접재료의 용접봉을 사용한 용접에서는, 관재(2, 3)의 내면(최초층측)의 표면상태의 거칠기 때문에, 최초층에서는 용접시의 용접부(10)(용접금속이나 용접열 영향부)의 균열이 특히 일어나기 쉬워, 최초층에 고Si 내고온부식성 Ni기 합금과 동일한 조성의 용접금속을 설치할 수는 없다. 그러나, 본 실시예에서의, SMAW법에 의한 제 2 용착 금속(WM2)의 형성방법을 사용하면, 최초층에 제 2 용착 금속(WM2)을 설치할 수도 있다. 이것에 의해, 용착 금속(WM)을 모두 제 2 용착 금속(WM2)으로 형성하는 것도 가능하게 되어, 용접부(10) 전체의 내고온부식성을 모재와 동일한 정도까지 높일 수도 있다.
도 2는 본 발명에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체의 용접부의 아크 용접에 의한 용접 수순의 다른 예를 도시하는 도면이다. 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체(21)를 이루는 상기 복수의 요소 부재가 판재(22, 23)인 경우에는, 도 2와 같은 양면 용접을 행할 수도 있다. 양면 용접을 행하는 경우의 개선의 형상은 H형, X형, K형, 양면 J형 등을 들 수 있다. 도 2는 H형 개선의 예이다.
용접부(30)는 그 용착 금속이, 일부는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)이고, 나머지는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)이며, 고온부식 분위기에 노출되는 면에, 상기 제 2 용착 금속(WM2)이 드러나도록 용접된다.
표면(24)(도 2의 상측면)으로부터 용접하는 제 1 용접 공정과, 이면(25)(도 2의 하측면)으로부터 용접하는 제 2 용접 공정에 의해 용접되고, 제 1 용접 공정에서의 최초층(31)이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)으로 형성되고, 제 1 용접 공정에서의 제2층(32) 및 제3층(33)이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)에 의해 형성되어 있다. 또한, 제 2 용접 공정에서의 최초층(41)이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)으로 형성되고, 제 2 용접 공정에서의 제2층(42) 및 제3층(43)이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)에 의해 형성되어 있다.
도 2의 용접부(30)의 구성에서는, 제 1 용접 공정 및 제 2 용접 공정에서의 각각의 제3층(33 및 43)(각각의 공정에서의 용접 최종부)이 고온부식 분위기에 노출되는 면이 된다. 제 1 용착 금속(WM1) 및 제 2 용착 금속(WM2)의 형성 방법(용접 방법)은 전술의 편면 용접의 경우와 동일하므로 그 설명은 생략한다.
이와 같이, 양면 용접을 시행한 경우에는, 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성인 제 2 용착 금속(WM2)이 상기 제 1 용착 금속(WM1)을 덮고, 이 제 2 용 착 금속(WM2)이 용접부(30)의 양면에 드러나는 구성으로 할 수 있어, 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체의 표면(24) 및 이면(25)의 양면에서 용접부(30)의 내고온부식성을 높일 수 있다.
[ 실시예 1]
표 1은 본 발명에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체의 용접부의 내고온부식성 평가를 위한 고온부식 시험에 사용한 실시예 및 비교예의 조건이다. 실시예 1-1[모재가 내고온부식성 합금 (1)], 실시예 1-2[모재가 내고온부식성 합금 (2)], 및 비교예 1-3은 용접부의 평가를 위한 피시험체이며, 각 용접부는 표 1에 나타낸 용접 방법의 조건에 의해 제작되어 있다. 비교예 1-1은 실시예 1-1의 모재, 비교예 1-2는 실시예 1-2의 모재이며, 용접부가 아닌 부분, 즉 모재자체의 내고온부식성 평가를 위한 피시험체이다. 실시예 1-1, 실시예 1-2, 및 비교예 1-1 내지 비교예 1-3에 대하여, 소규모(실험실 수준)의 고온부식 시험을 행했다. 또, 고온부식 시험 후의 시험편의 부식 계면에 대하여 관찰 및 분석을 행했다.
Figure 112008022854485-pat00001
?내고온부식성 평가 방법?
JIS Z2293 「금속재료의 염 침지 및 염 매몰 고온부식 시험법」에 일부 준하고, 재(灰) 조성 등에 대하여 개변한 하기의 조건의 고온부식 시험을 시험편에 대하여 행했다. 이 고온부식 시험을 실시한 후의 시험편의 탈스케일은, 3% 과망간산 칼륨+5% 수산화 나트륨 수용액과, 5% 시트르산 암모늄 수용액 중에서 번갈아 펄펄 끓임으로써 행했다. 탈스케일 후, 시약 도포 면적당의 중량감소를 산출하고, 이 부식 감량(mg/cm2)을 가지고 내고온부식성 평가의 지표로 했다. 상기 고온부식 시험의 조건을 이하에 나타낸다.
<고온부식 시험 조건>
시험편 형상/치수: 판재/10mm×10mm×2mm
[실시예 1-1, 실시예 1-2, 및 비교예 1-3에 대해서는 용접부의 표면측(최종층측)에서 채취, 비교예 1-1 및 비교예 1-2에 대해서는, 모재 표면측에서 채취한함]
재 조건: Al2O3-NaCl-KCl-Na2SO4-K2SO4 혼합 시약(중량비 60:9:6:l5:10) 중에 3mm의 깊이에 매몰
시험온도/유지시간/분위기; 850℃ 또는 900℃/200h/대기 중
?부식 계면 관찰 및 분석?
상기 고온부식 시험 후의 시험편 표면에 대하여, 부식 계면 부근의 단면을 경면 연마하고, SEM에 의한 관찰 및 EPMA에 의한 분석을 행했다.
고온부식 시험 후의 각 시험편의 부식 감량(mg/cm2)의 계측결과, 및 SEM에 의한 부식 계면의 관찰의 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112008022854485-pat00002
고온부식 시험의 결과, 시험온도 850℃에서의 부식 감량은 실시예 1-1에서는 15.8mg/cm2, 실시예 1-2에서는 11.0mg/cm2이었다. 한편, 용접부의 전체층의 용접금속이 고인성 용접재료 (1)에 의해 형성되어 있는 비교예 1-3은 81.6mg/cm2이었다.
또, 동 온도조건에서의 비교예 1-1 및 비교예 1-2의 부식 감량은 각각 17.4mg/cm2, 13.9mg/cm2이었다. 비교예 1-1 및 비교예 1-2는 모재자체의 내고온부식성 평가를 위한 피시험체이며, 비교예 1-1은 실시예 1-1의 모재, 비교예 1-2는 실시예 1-2의 모재이므로, 실시예 1-1 및 실시예 1-2의 용접부의 내고온부식성은 모재와 동일한 정도의 높이라고 할 수 있다.
실시예 1-2, 비교예 1-1, 비교예 1-3에 대해서는, 또한 고온조건하(시험온도: 900℃)에서의 고온부식 시험에 의한 내고온부식성 평가를 행했다.
시험온도 900℃에서의 실시예 1-2의 부식 감량은 19.9mg/cm2이며, 두께 감소는 진행되지만 여전히 높은 내고온부식성을 보이는 것이 밝혀졌다.
다음에 부식 계면 관찰 및 분석의 결과를 설명한다. 모든 시험편에서, 부식층으로서 탈Cr화 된 변질층이 확인되었다. 이 변질층의 두께는, 실시예 1-1 및 실시예 1-2에서는 140㎛이었다. 한편, 비교예 1-3의 변질층의 두께는 280㎛로, 실시예 1-1의 2배의 깊이까지 부식이 진행되었다.
또, 모재자체의 피시험체인 비교예 1-1 및 비교예 1-2에서의 변질층 두께는 각각 140㎛ 및 130㎛이었다. 이것으로부터도, 실시예 1-1 및 실시예 1-2의 용접부의 내고온부식성은 모재와 동일한 정도의 높이라고 할 수 있다.
비교예 3에서는 용접금속이 부식됨과 아울러, 모재와 용접금속의 화학조성이 상이하기 때문에, 용접금속 근방에서 이종 금속의 접촉에 의한 갈바닉 부식이 발생하고 있었다.
한편, 실시예 1 및 실시예 2에서는, 모재와 용접금속의 화학조성이 동일하기 때문에, 용접금속 근방에서의 갈바닉 부식은 확인되지 않았다.
[ 실시예 2]
상기 내고온부식성 합금 (1)의 조성의 합금에 의해 형성되고, 본 발명에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체로 구성된 가스화 용융로용의 열교환기(51)를 가스화 용융로에 설치하고, 고온부식 환경하에서 사용했다.
도 3은 본 실시예에 따른 열교환기의 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 3의 주요부 확대도이다. 도 5(a) 및 도 5(b)는 본 실시예에 따른 열교환기를 구성하는 이중관 튜브와 캡(A), 및 그것들을 용접하여 형성한 열교환기(B)의 용접부 근방의 사시도이다.
본 실시예에 따른 열교환기(51)는, 도 3에 도시하는 바와 같이, 열분해 드럼(58)에 접속되어 사용된다. 이 열분해 드럼(58)으로부터 내관(52)과 외관(53) 사이에 피가열 공기가 송입되고, 외관(53)의 외측의 상기 부식 성분을 포함하는 고온 가스에 의해 데워진다. 데워진 공기는 내관(52)의 내측을 유통하여 순환된다. 즉, 상기 외관(53)의 외측이 고온부식 환경이다.
상기 열교환기(51)는, 도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 이중관 튜브(54)와 캡(56)을 용접하여 형성되어 있다. 상기 이중관 튜브(54)는 소직경의 내관(52)과, 이중관 튜브(54)의 외형을 이루는 대직경의 외관(53)이 동축으로 배열 설치되고, 한쪽 단부가 상기 내관(52) 및 상기 외관(53) 모두 개방되어 구성되어 있다. 상기 캡(56)은 상기 외관(53)과 동일 직경의 개구(55)를 갖고 있다.
실시예 2-1은 실시예 1-1과 동일한 용접 방법 및 용접 조건으로 용접하여 형성된 것이고, 비교예 2-1은, 비교예 1-3과 동일한 용접 방법 및 용접 조건으로 용접하여 형성된 것이다. 실시예 2-1 및 비교예 2-1의 열교환기를 배기 가스 온도 약 1100℃, 부식성분으로서 염소분 1.0 내지 4.5질량%, 황분 4 내지 15질량%를 포함하는 환경하에서 사용하고, 이중관 튜브(54)와 캡(56)을 용접한 용접부(57)의 두께를 초음파 두께측정 장치를 사용하여 측정했다.
비교예 2-1의 열교환기의 용접부에서는, 6개월의 사용에 2 내지 3mm의 두께 감소가 확인되었다. 한편, 실시예 2-1의 열교환기의 용접부에서는, 6개월 사용 후의 두께 감소는 1mm 미만으로, 비교예의 약 3배의 내식성을 나타냈다. 따라서, 용접부의 두께 감소량을 열교환기의 교환 시기의 지표로 하는 경우에는, 실시예 2-1의 열교환기에서는 비교예 2-1의 열교환기보다도 긴 내용년수를 기대할 수 있다고 할 수 있다.
본 발명은, 도시 쓰레기나 산업 폐기물 등의 폐기물의 소각 처리를 행하는 소각 처리 설비의 연소로체에 사용하는 열교환기 등의 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체에 이용가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체의 용접부의 아크 용접에 의한 용접 수순의 일례를 도시하는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체의 용접부의 아크 용접에 의한 용접 수순의 다른 예를 도시하는 도면.
도 3은 실시예 2에 따른 열교환기의 개략적인 단면도.
도 4는 도 3의 주요부 확대도.
도 5는 실시예 2에 따른 열교환기를 구성하는 이중관 튜브와 캡(A), 및 그것들을 용접하여 형성한 열교환기(B)의 용접부 근방의 사시도.
(부호의 설명)
1 내고온부식 Ni기 합금 구조체
2, 3 요소 부재(관재)
4 관재의 외면
5 관재의 내면
10 용접부
11 최초층
12 제2층
13 제3층
14 제4층
15 제5층
21 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체
22, 23 요소 부재(판재)
24 판재의 표면
25 판재의 이면
30 용접부
31 제 1 용접 공정의 최초층
32 제 1 용접 공정의 제2층
33 제 1 용접 공정의 제3층
41 제 2 용접 공정의 최초층
42 제 2 용접 공정의 제2층
43 제 2 공정의 제3층
51 열교환기
52 내관
53 외관
54 이중관 튜브
55 개구
56 캡
57 용접부
58 열분해 드럼

Claims (5)

  1. Ni: 45 내지 57wt%, Cr: 23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리 용접 접합되어 이루어지는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체로서,
    상기 용접된 용접부는 그 용착 금속이, 일부는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금보다 인성이 높은 제 1 용착 금속(WM1)이고, 나머지는 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성의 제 2 용착 금속(WM2)이며,
    고온부식 분위기에 노출되는 면에 상기 제 2 용착 금속(WM2)이 드러나 있는 것을 특징으로 하는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 용착 금속(WM2)은 상기 제 1 용착 금속(WM1)을 덮도록 설치되고, 상기 용접부의 양면에 드러나 있는 것을 특징으로 하는 내고온부식 Ni기 합금용접 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 요소 부재는 소직경의 내관과 대직경의 외관이 동축으로 배열 설치되고, 적어도 한쪽의 단부가 상기 내관 및 상기 외관 모두 개방되어 이루어지 는 이중관 튜브와, 상기 외관과 동일한 직경의 개구를 갖는 캡이며,
    상기 이중관 튜브의 개방단의 외관이 상기 캡에 의해 밀봉되도록 용접 접합되는 것을 특징으로 하는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체.
  4. 제 3 항에 따른 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체에 의해 구성된 열교환기.
  5. Ni: 45 내지 57wt%, Cr:23 내지 35wt%, Mo: 1 내지 5wt%, Si: 3 내지 6wt%, C: 0.05 내지 0.5wt%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고Si-내고온부식 Ni기 합금에 의해 형성된 복수의 요소 부재끼리 용접 접합되어 이루어지는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체로서,
    상기 용접된 용접부는 그 용착 금속이 상기 고Si-내고온부식 Ni기 합금과 동일한 조성인 것을 특징으로 하는 내고온부식 Ni기 합금 용접 구조체.
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