KR102187655B1

KR102187655B1 - 내마모성이 우수한 미분기 분쇄롤 및 회전판

Info

Publication number: KR102187655B1
Application number: KR1020200063734A
Authority: KR
Inventors: 정정운; 정재우; 전성택; 박지산; 박일녕; 송이슬
Original assignee: 주식회사 정원엔지니어링
Priority date: 2020-05-27
Filing date: 2020-05-27
Publication date: 2020-12-07

Abstract

본 발명은 석탄화력 발전소 또는 시멘트 공장에서 석탄 또는 석회석을 미분화하는데 사용되는 미분기의 분쇄롤 및 회전판에 관한 것으로서,
본 발명의 내마모성이 우수한 미분기의 분쇄롤 및 회전판은, 표면에 육성용접층이 형성된 미분기의 분쇄롤 및 회전판에 있어서, 상기 육성용접층은 Cr: 20~25%, Mo: 4.0~8%, Nb: 0.5~1.5%, V: 2~6%, W; 0.5~1.5%, C: 3~7%,, Si: 1~2%, Mn: 0.1~0.5%, 나머지: Fe 및 필연적으로 혼입되는 불순물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

내마모성이 우수한 미분기 분쇄롤 및 회전판 {Grinding roll and table of pulverizer having a good wear resistant}

본 발명은 석탄화력 발전소 또는 시멘트 공장에서 석탄 또는 석회석을 미분화하는데 사용되는 미분기의 분쇄롤 및 회전판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면에 내마모성이 우수한 육성용접층이 형성된 미분기의 분쇄롤 및 회전판에 관한 것이다.

통상적으로 석탄화력발전소 등에서 사용되는 미분기 분쇄롤 및 회전판의 표면은 분쇄 과정에서 피 분쇄 입자들과 지속적인 충돌 및 마찰로 인하여 오랜 기간 사용 후에는 표면부위가 마멸 손실된다. 그 마멸손실 부위가 한정된 수치까지 마멸될 경우 비용절감을 위하여 마멸된 두께만큼 육성 용접하여 재사용하고 있으며, 이때 사용하는 용접재료는 내마모 성능이 우수한 용접재료를 선정하여 분쇄롤 및 회전판의 사용수명을 늘려왔다.

그러나 종래에 사용하는 내마모 성능이 우수한 용접재료는 선행기술문헌에서 보는 바와 같이 주로 경도를 높이는 방법을 추구하여 왔으며, 그에 따라 높은 경도를 유지하는 것은 가능하나, 높은 경도로 인하여 사용 중에 균열이 발생하거나 표면 뜯김과 같은 문제점이 발생하여 사용수명을 떨어뜨리고 있는 문제가 발생되고 있다.

대한민국 특허등록번호 10-0892320

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존의 경도가 높은 내마모성 용접재료가 갖는 단점인 잘 깨지는 성질(취성)에 인성을 부여함으로써 내마모와 내충격에 탁월한 특성을 갖는 표면경화 육성용접층을 구비한 미분기의 분쇄롤 및 회전판을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 표면에 육성용접층이 형성된 미분기의 분쇄롤 및 회전판에 있어서, 상기 육성용접층은 Cr: 20~25%, Mo: 4.0~8%, Nb: 0.5~1.5%, V: 2~6%, W; 0.5~1.5%, C: 3~7%,, Si: 1~2%, Mn: 0.1~0.5%, 나머지: Fe 및 필연적으로 혼입되는 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 미분기의 분쇄롤 및 회전판을 제공하며,

상기 육성용접층은 기지조직이 오스테나이트 조직으로서, 미세한 구상형태의 탄화물이 기지조직 내에 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 본 발명 육성용접층이 표면에 형성된 미분기 분쇄롤 및 회전판은 경도가 높으면서도 인성이 우수하고 이에 따라 내마모성이 우수하여 석탄화력 발전소 등에서 사용되는 미분기의 사용수명을 대폭 향상시키는 것이 가능하다.

도1은 본 발명의 실시예 에서 사용한 코어드 와이어의 단면을 개략적으로 나타낸 도면
도2a는 미분기의 분쇄롤 표면에 형성된 본 발명 육성용접층의 현미경 조직사진이고,
도2b는 미분기의 분쇄롤 표면에 형성된 종래 기술의 육성용접층의 현미경 조직사진이다.

금속재료의 마모성능을 좌우하는 가장 중요한 재질 특성은 경도{hardness}와 인성{toughness}이라는 것은 이미 주지된 사실이다. 그런데 석탄 또는 석회석 입자를 분쇄하는 과정에서는 괴상 입자와의 충돌에 의한 충격과 미끄러짐 마모가 동시에 일어나고 있어 충격마모에 의한 대책으로 높은 경도를 유지하면서도 인성이 높은 특성을 필요로 한다. 하지만 경도와 인성을 동시에 향상시키는 것은 상당한 어려움이 있어 이의 개발이 시급한 실정이다. 이에 본 발명인은 V, W, Nb 성분과 Mn, Si 성분 등의 적절한 조합을 통하여 탄화물 조직을 구상형태로 균질하게 형성함으로써 기존과 같은 높은 경도를 유지하면서도 동시에 인성이 높은 육성용접층을 개발하여, 즉 기존의 경도가 높은 내마모성 용접재료가 갖는 단점인 잘 깨지는 성질{취성}에 인성을 부여함으로써 내마모와 내충격에 탁월한 미분기의 분쇄롤 및 회전판을 개발하였다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 내마모성이 우수한 미분기의 분쇄롤 및 회전판은, 표면에 육성용접층이 형성된 미분기의 분쇄롤 및 회전판에 있어서, 상기 육성용접층은 Cr: 20~25%, Mo: 4.0~8%, Nb: 0.5~1.5%, V: 2~6%, W; 0.5~1.5%, C: 3~7%,, Si: 1~2%, Mn: 0.1~0.5%, 나머지: Fe 및 필연적으로 혼입되는 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하며,

또한 본 발명의 상기 육성용접층은 기지조직이 오스테나이트 조직으로서, 미세한 구상형태의 탄화물이 기지조직 내에 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기에서 육성용접층은 철 기재의 강대로 이루어진 튜브형 외피재의 중공부에 충진재가 충진된 육성용접용 코어드 와이어로 육성용접하여 형성된 것으로서, 육성용접층을 이루는 성분조성을 한정하는 이유는 다음과 같다.

Cr 함량을 20∼25 중량% 로 한정하는 이유는, Cr은 본 발명 코어드 와이어에서 주된 합금 원소로서, 응고 과정에서 대부분의 Cr은 합금원소 중 C원소와 결합하여 경도가 높은 탄화물{Cr₇C₃}을 형성하여 재질의 경도를 높이고 일부는 기지조직 내에 고용되어 기지조직을 고용 강화시키고 내 부식 특성을 향상 시킨다. 통상적으로 철계 합금에서 Cr 함량이 30중량%까지는 Cr 함량에 비례하여 경도가 증가하고 인성이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 특히 Cr이 15중량%를 초과하면 취약한 시그마상이 형성되어 재질을 취약하게 만든다.

본 발명의 경우 Cr함량을 20중량% 까지 높일수록 Cr함량을 증가시킴에 따라 경도값이 크게 증가하고, 그 후에는 Cr함량이 증가하여도 경도값은 완만하게 증가하여 Cr함량이 25 중량%이상에서는 경도가 더 이상 증가하지 않는다는 사실을 발견하였고, 20~25%의 범위에서 생성되는 Cr-탄화물의 형태, 크기, 분포형태가 재질의 경도값은 그대로 유지하면서 인성과 내마모 특성에 커다란 영향을 미친다는 사실을 발견하였다. 따라서 본 발명에서는 Cr의 함량을 20∼25 중량%로 한정하였다.

C함량을 3∼7 중량%로 한정하는 이유는, C는 용접과정에서 합금내의 Cr, Mo, W, Nb, V등 원소들과 각종 형태의 탄화물을 형성하여 경도를 향상시키는 핵심 원소이다. 그러나 함량이 높을 경우 재질을 취약하게 함으로 C 의 함량 조절은 매우 중요하다. 본 발명의 경우 C함량이 3중량% 이하일 경우 탄화물 형성원소인 Cr, Mo, W, Nb, V 등 원소들과의 충분한 탄화물을 형성하지 못하여 높은 경도를 얻을 수 없으며, C 함량을 7중량% 이상으로 첨가하면 경도상승에 기여함이 없이 취성만 증대시켜 C함량을 3∼7중량%로 한정한다.

Mo함량을 4.0∼8.0 중량%로 한정하는 이유는, Mo은 탄화물{Mo₂C}을 형성하여 고온에서의 내마모 특성향성을 향상시키고 기지조직이 응고시 오스테나이트 조직이 퍼라이트 조직으로의 천이를 억제하여 기지조직의 인성을 향상시키는 역할을 한다. 그 효과는 Mo 함량이 4.0∼8.0중량%일 경우 가장 우수한 효과를 나타내어 Mo함량을 4.0∼8.0 중량%로 한다.

W함량을 1.2∼1.6 중량%로 한정하는 이유는, W은 강력한 탄화물 형성 원소로서 기지조직 내에 존재하는 C을 강력하게 흡수하여 경도값을 높이면서 기지조직의 인성을 향상시킨다. 본 발명의 경우 그 양이 0.5∼2.0중량%일 경우 가장 우수한 효과를 나타내었다.

V함량을 2.0∼6.0 중량%로 한정하는 이유는, Cr함량이 높은 강에서 V을 첨가하면 C와의 친화력이 Cr보다 높아 조대한 탄화물{Cr₇C₃}형성을 억제하고 미세한 공정탄화물{Cr₂₃C₆} 형성을 유도하며 경도가 높은 미세한 탄화물{V₆C₅}을 형성하여 경도를 높이고 결정입 정장을 억제하여 피복층의 인성을 향상시킨다. 또한 탄화물 주변의 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시켜 기지조직의 강도를 증가시킨다. 본 발명 합금의 경우 V함량이 2.0∼6.0 중량% 일 경우 높은 경도값을 유지하면서 내마모특성이 가장 높은 효과를 나타내었다.

Nb을 0.5∼1.5중량%로 한정하는 이유는, Nb는 강력한 탄화물 형성 원소로서 평균 경도값이 2250HV이나 되는 미세한 탄화물 NbC를 형성하여 기지 조직내에 균일하게 분포되어 조대한 Cr-탄화물{Cr₇C₃}의 깨짐을 방지하여 재질의 인성을 향상 시킨다. 이의효과는 Nb함량이 0.5∼1.5중량%일 경우 가장 효과적이었다.

Si을 1.0∼2.0중량%로 한정하는 이유는, 본 발명합금에서 Si원소는 공정 탄화물을 미세화 시켜 경도를 떨어뜨리지 않으면서 재질의 인성을 향상 시킨다. 그 효과는 Si 함량이 1.0∼2.0중량% 일 때 가장 효과적이었다.

Mn을 0.1∼0.5중량%로 한정하는 이유는, Mn은 합금이 응고시 경화능{hardenability}을 증대시켜 용착층의 경도를 증대시키는 역할을 하는 것으로 그 효과는 0.1∼0.5중량%일 때 가장 효과적이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

<실시예>

강대를 U자 형태로 가공하여 외피를 제조하고, 충진재를 외피에 충진 한 다음, 튜브 형태로 성형하여 도1에 나타난 바와 같이 직경이 2.8mm가 되는 코어드 와이어를 인발 제조하였다.

여기에서 외피는 중량%로 C:0.03∼0.06%, Mn:0.2∼0.4%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, 나머지 Fe의 성분조성으로 된 강을 이용하여 두께 0.3mm 폭 10.22mm인 강대를 제작하여 튜브라{Tubular} 형태로 만든 것을 사용하였고,

충진재는 Fe-70%Cr-8%C분말, 90%Cr-10%C분말, Fe-65%Nb분말, Fe-80%V분말, Metal-Mo{98%Mo}분말, Metal-W{98%W}분말, Si-C{70%Si-30%C}분말, Metal-Mn{98%Mn}분말, Graphite{98%C}분말을 적정량 측량하여 골고루 섞이도록 혼합하여 제조된 것을 사용하였다.

상기와 같이 제조한 코어드 와이어를 미분기의 분쇄롤 표면에 오픈 아크{open arch} 용접 방식으로 25mm 두께로 육성용접층을 형성하여 용접층의 경도와 마모감량을 측정하여 표1에 표기하였다.

한편 비교 평가하기 위하여 종래의 용접용 코어드 와이어를 동일한 방법으로 육성 용접하여 용접층의 특성을 표1에 함께 표기하였다.

표1에서 경도값은 용접층을 로크웰 C{HRC}경도로 측정하였으며, 마모감량은 ASTM G65 시험방법에 따라 측정하였다. 표1에서 보는 바와 같이 본 발명 육성용접층과 기존 육성용접층의 경도값은 유사하나 마모감량은 본 발명품이 30% 이상 적게 마모되는 것을 확인 할 수 있다.

구분	성분(중량%)									경도 (HRC)	마모량 (g)
구분	C	Si	Mn	Cr	Mo	Nb	V	W	Fe	경도 (HRC)	마모량 (g)
발명1	4.84	1.13	0.36	23.69	6.05	1.03	5.02	1.42	잔부	65	0.153
발명2	5.23	1.02	0.42	26.72	6.52	1.13	4.82	1.22	잔부	67	0.147
발명3	4.46	1.34	0.32	22.87	5.83	0.85	3.84	1.07	잔부	63	0.155
비교1	5.36	1.54	1.32	23.71	5.41	3.56	1.25	6.87	잔부	65.8	0.218
비교2	4.79	0.72	0.32	22.13	4.68	2.71	0.65	5.04	잔부	63.2	0.225
비교3	5.88	2.31	1.85	24.93	5.06	4.32	1.87	8.97	잔부	66.5	0.203

도2는 표1에 나타난 육성용접층의 현미경 조직을 비교한 사진으로, 도2{a}는 본 발명1의 육성용접층을 나타내는 현미경 조직 사진이고 도2{b}는 비교1의 육성용접층을 나타내는 현미경 조직 사진이다.

사진에서 보는바와 같이 탄화물{하얀 부분} 형상에 커다란 차이를 볼 수 있다. 본 발명품의 현미경 조직사진 도2{a}은 미세한 구형의 탄화물이 균일하게 분포되어 있고, 종래제품의 현미경 조직사진 도2{b}에는 조대한 침상 탄화물{흰 침상입자들}이 혼재하고 침상 탄화물 사이로 균열이 지나고 있어 탄화물의 크기 형상 분포도에 커다란 차이점이 있음을 발견할 수 있다.

상기 두 시료의 경우 탄화물 양이 비슷하여 경도값은 비슷하게 나타나고 있으나, 본 발명 육성용접층은 미세한 구형의 탄화물들이 균일하게 분포되어 인성이 높을 것임은 자명하기 때문에 결국, 본 발명 육성용접층은 내마모특성이 높은 것으로 설명할 수 있다.

이들 탄화물의 형상 변화는 C와의 친화력이 Cr보다 높은 V을 첨가함으로서 조대한 Cr-탄화물{Cr₇C₃}형성을 억제하고 미세한 {Cr, Fe, V}C₃형 탄화물을 형성하기 때문에 가능하다.

합금성분 중 Nb는 미세한 탄화물 NbC를 형성하여 기지내에 골고루 분포하여 기지 경도를 높이고 조대한 Cr-탄화물의 깨짐을 보강하여 인성을 높이는 역할을 하며, Mo은 탄화물{Mo₂C}을 형성하여 내마모 특성을 향상시키고 응고시 오스테나이트 조직이 퍼라이트 조직으로의 천이를 억제하여 기지조직의 인성을 향상시키며, W는 강력한 탄화물 형성 원소로서 기지조직 내에 존재하는 C을 강력하게 흡수하여 경도값을 높이면서 기지조직의 인성 향상에 기여한 것으로 판단된다.

이상과 같이 본 발명 육성용접층의 내마모성이 향상된 것은, 본 발명에서 첨가하고 있는 Cr, V, Nb, Mo, W 성분이 경도가 높은 탄화물 형성을 극대화하여 내마모 성능을 높이는 역할을 하고, 특히 V 및 Nb 원소가 탄화물 형상을 미세한 구상으로 변화시켜 재질의 인성을 향상시키고, Mo, W 원소가 기지내의 탄소를 저감시켜 기지조직의 인성을 향상시키는 역할이 복합적으로 작용하여 발생되는 것임을 알 수 있으며, 이는 표1에 나타난 바와 같이 본 발명 용접용 코어드 와이어를 석탄미분기 롤 육성용접에 적용할 경우 종래 육성용접용 코어드 와이어로 육성용접한 석탄미분기 롤의 사용수명{통상 27,000~30,000시간}이 30%이상 향상{35,000~38,000시간}되는 것으로부터 확인된다.

1: 외피
2: 충진재

Claims

표면에 육성용접층이 형성된 미분기의 분쇄롤 및 회전판에 있어서,
상기 육성용접층은 중량%로 Cr: 20~25%, Mo: 4.0~8.0%, Nb: 0.5~1.5%, V: 3.84~6.0%, W: 0.5~1.5%, C: 3.0~7.0%, Si: 1.02~2.0%, Mn: 0.1~0.5%, 나머지: Fe 및 필연적으로 혼입되는 불순물로 구성되며, 기지조직은 오스테나이트 조직으로서 미세한 구상형태의 탄화물이 기지조직 내에 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 미분기의 분쇄롤 및 회전판
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