KR102259947B1 - 저NOx 버너의 노즐부재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄화력 발전소에서 사용되고 있는 저 NOx 미분탄 버너의 노즐부재에 관한 것으로서, 미분탄 노즐부재의 사용수명을 효과적으로 연장시키기 위하여 표면에 내열 내마모성 금속재료를 피복시켜서 된 슬리브 링과 화염안정화 링 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 미분탄 버너의 노즐부재는, 미분탄이 이송되는 분탄관{10}과, 상기 분탄관 외경부에 형성되어 공기를 이송하는 제1, 제2 공기통로{2, 3}와, 상기 분탄관의 선단 내경부에 설치되는 슬리브 링{40}과, 상기 슬리브 링과 접하여 설치되는 화염안정화 링{30}이 구비된 미분탄 버너의 노즐부재에 있어서, 상기 슬리브 링의 내주면과 상기 화염안정화 링의 차단벽{32} 및 차단판{31}의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금이 피복 융착{50}되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

저NOx 버너의 노즐부재 및 그 제조방법 {Nozzle of Low NOx Coal Burner and Making Method Thereof}

본 발명은 석탄화력 발전소에서 사용되고 있는 저 NOx 버너의 노즐부재에 관한 것으로서, 저NOx 노즐부재의 사용수명을 효과적으로 연장시키기 위하여 표면에 내열 내마모성 금속재료를 피복시켜서 된 슬리브 링과 화염안정화 링 및 그 제조방법에 관한 것이다.

석탄화력 발전소에서는 열효율을 증가시키기 위하여 대형 보일러 사용이 증가하고 있다. 이에 사용하는 연료인 석탄은 연소성능을 향상시키기 위하여 200메쉬 이하로 분쇄하여 연소 시킨다. 이때 연소과정에서 석탄중에 함유하는 유기질 질소{통상 1∼2%함유}가 산화되어 생성된 질소 산화물{이하 NOx라 칭한다}이 대기를 크게 오염시킨다.

이를 저감시키는 수단으로 2단 연소방법을 수행한다. 2단 연소방법이란 1단계로 낮은 산소농도로 연소시켜 NOx를 함유하는 환원성 불꽃을 형성시킨 다음, 2단계에서 산소를 충분하게 공급하여 NOx를 N₂로 기상 환원시키는 공법이다. 한 개의 버너로 2개 공정을 이루는 방법으로 버너 노즐 끝부분에 화염안정화 장치를 부착하여 2단 연소를 행한다.

도1은 일반적으로 사용되는 저NOx 버너의 노즐부재에 대한 개념도이다.

도1에 따르면, 저NOx 버너는 1차 공기에 실려 미분탄을 이송하는 분탄관{10}과, 분탄관{10} 내부 중앙에 설치되어 농축된 미분탄을 이송하는 탄환모양의 분탄농축관{20}과, 분탄관{10}의 외경부에 형성되어 공기를 공급하기 위한 2차 및 3차 공기 통로{2, 3}와, 상기 분탄관{10}의 선단 내경부에 설치되는 슬리브 링{40} 및 화염안정화 링{30}으로 구성되어 있다.

상기 화염안정화 링{30}은 도2에 나타난 바와 같이, 전체적으로 원주형 형태를 이루는 것으로서 차단판{31}이 원주 내면의 분탄 통로를 향하여 수직으로 돌출되어 있고, 차단벽{32}이 보일러 화실쪽을 향하여 벌어진 형태로 형성되어 분탄과 불꽃이 외각으로 확산되는 것을 방지하도록 되어 있다.

이와 같이 구성된 저NOx 버너의 작동은 1차공기와 함께 이송되는 미분탄이 분탄관{10}을 통하여 로내의 화실측으로 이동하며, 이때 미분탄이 화염안정화 링{30}에 설치된 차단판{31}과 충돌하면서 비산하고, 비산된 미분탄은 와류를 형성하면서 슬리브 링{40}의 내벽과 화실쪽 방향의 차단벽{32}면을 때리면서 노 내의 화실에서 점화된다.

노 내로 분사된 분탄은 공기가 희박한 상태{많은 양의 분탄/적은양의 1차공기}로 불완전 연소되어 NOx가 포함된 환원성 1차 화염이 형성된다. 이들 NOx가 포함된 1차 화염은 노 내부로 진행함에 따라 분탄관{10} 외측에 설치된 2차공기통로{2} 및 3차공기통로{3}로부터 흘러나오는 충분한 량의 공기에 의하여 NOx가 N₂로 환원되어 저 NOx 연소가 이루어진다.

이때 미분탄을 차단하는 차단판{31}과 차단판에 인접한 분탄관{10} 내벽의 슬리브링{40}은 고온인 상태에서 비산되는 분탄입자들의 충돌로 인하여 마모가 격심하게 일어나 조기에 교체하여야 하고,

또한 와류형태로 흘러나와 비산되는 분탄 입자들과 고열{1100∼1200℃}인 화염에 직접 접하는 화염안정화 링{30}의 화실측 면은 고온 마모와 고온부식으로 인하여 빠르게 열화되어 조기에 교체 하여야 한다

이를 해결하기 위하여 종래에는 상기 마모가 격심하게 일어나는 부위 즉 차단판{31}에 인접한 분탄관{10} 내벽에 설치되는 슬리브 링{40}을 분탄관{10}과 동일한 재질{SUS309}로 제조하여 덧붙였으나, 마모가 심하여 교체빈도가 너무 잦은 문제가 있고,

화염안정화 링{30}도 특허문헌 2에 나타난 바와 같이 소재를 내열강으로 하고 차단판{31} 앞면에 세라믹타일로 구성된 보호부재를 부착하거나, 특허문헌 3에 나타난 바와 같이 분탄과 화염에 직접 노출되는 화염안정화 링{30}의 화실측 면{fillet area}을 세라믹 코팅하여 수명을 연장하는 방안이 제시되고 있으나, 화염안정화 링{30} 화실측면을 세라믹 재료로 코팅하는 것은 모재인 금속 재료와 코팅층인 세라믹 재료의 열팽창 계수의 차이로 인하여 고온{1100∼1200℃}에서 세라믹 코팅층이 이탈하는 문제점이 발생하여 효과적인 방법이 되지 못하고 있다.

{특허문헌 1} 미합중국특허 005,231,937A {특허문헌 2} 대한민국 특허등록번호 10-1803278 {특허문헌 3} 미합중국특허 2005/0028526 A1

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저NOx 버너 노즐부재의 수명을 효과적으로 연장 가능하도록 한 슬리브 링과 화염안정화 링 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 저NOx 버너의 노즐부재는,

미분탄이 이송되는 분탄관{10}과, 상기 분탄관 외경부에 형성되어 공기를 이송하는 제1, 제2 공기통로{2, 3}와, 상기 분탄관의 선단 내경부에 설치되는 슬리브 링{40}과, 상기 슬리브 링과 접하여 설치되는 화염안정화 링{30}이 구비된 저NOx 버너의 노즐부재에 있어서,

상기 슬리브 링의 내주면과 상기 화염안정화 링의 차단벽{32} 및 차단판{31}의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금이 피복 융착{50}되어 있는 것을 특징으로 하며,

상기 Ni-WC계 자용성 합금의 피복 융착은 중량%로 C: 0.6~1.0%, Cr: 13~17%, W: 15~20%, Si: 2~6%, B: 1~5%, Fe: 1~5, 잔부: Ni로 된 조성을 갖는 분말을 화염용사처리하여서 된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 저NOx 버너의 노즐부재에 사용되는 슬리브 링 또는 화염안정화 링의 표면에 내열 내마모 금속을 피복하는 방법은

상기 슬리브 링 또는 화염안정화 링의 표면을 블라스팅 처리하는 단계와,

상기 블라스팅 처리된 슬리브 링 또는 화염안정화 링을 190~210℃의 범위에서 예열하는 단계와,

상기 예열된 슬리브 링 또는 화염안정화 링의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금을 1~1.5mm의 두께로 화염용사하는 단계와,

상기 화염용사된 슬리브 링 또는 화염안정화 링을 진공열처리로에서 1,000℃~1200℃의 온도로 1~2시간 진공 열처리하는 단계와,

상기 열처리된 슬리브 링 또는 화염안정화 링을 50~70℃/sec의 속도로 서냉하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하며,

상기 Ni-WC계 자용성 합금은 중량%로 C: 0.6~1.0%, Cr: 13~17%, W: 15~20%, Si: 2~6%, B: 1~5%, Fe:1~5%, 잔부: Ni로 된 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 슬리브 링의 마모수명을 향상시키는 것이 가능하여 슬리브 링의 교체빈도를 크게 줄일 수 있고,

화염안정화 링의 경우, 화염이 직접 접하는 면에 고온 내마모 고온부식 및 내열에 탁월한 피복재를 확산접합{융착} 시킴으로서 화염안정화 링의 수명을 효과적으로 향상시키는 것이 가능하여 발전소 운영비를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

도1은 일반적으로 사용되는 저NOx 버너의 노즐부재에 대한 개념도
도2는 종래 사용되는 화염안정화 링의 개략도
도3은 본 발명의 일 실시예인 슬리브 링과 화염안정화 링의 표면에 Ni-WC계 자용성합금이 피복된 상태를 나타내는 노즐부재의 개략도
도4는 WC의 온도변화에 따른 경도{Hv} 변화 그래프
도5는 본 발명에서 화염용사한 피복층을 열처리하지 않은 상태에서 찍은 현미경조직사진
도6은 본발명에서 화염용사한 피복층을 1200℃로 가열하여 확산접합열처리한 융착층의 현미경조직사진

앞에서 설명한바와 같이 본 발명인은 슬리브 링{40}의 주된 손상 원인은 고온인 상태에서 비산되는 분탄입자들의 지속적인 충돌로 인한 마모 손상이며, 화염안정화 링{30}의 화실 측면의 손상 원인은 고온{1100∼1200℃}인 화염에 노출된 상태에서 와류 형태로 흘러나오는 분탄입자 와 석탄재 등의 충돌에 의한 고온마모 와 고온에서 부식성 가스에 노출됨으로 인한 고온부식이 주된 원인임을 발견하고,

이를 해결하기 위하여 ① 고온에서 내마모 성능이 우수하고, ②고온에서 내부식 성능이 우수하며, ③ 열챙창계수가 모재금속과 유사하고, ④ 모재금속과 피복층 사이의 접착성능이 탁월한 피복 재료가 무엇인지 연구를 계속한 결과, Ni-WC 계 자용성 합금이 위 조건을 만족시키는 최적의 재료라는 것을 알게 되었다.

Ni-WC 계 자용성합금을 피복재료로 선정한 사유는 다음과 같다.

1) Ni 의 탁월한 고온특성

제트엔진 블레이드{blade}가 Ni-기 합금으로 통용되는 사례에서 보는바와 같이, 가장 탁월한 고온용 내열금속인 Ni을 기본으로 하는 합금은 본 발명과 같은 고온인 환경에 적합한 재료이고,

2) WC 의 탁월한 고온경도

WC는 도4에서 보는바와 같이 1300K에서도 경도값이 Hv10 GPa을 유지하는 탄화물로서 Ni합금에 첨가하여 고온 경도를 증가시켜 고온 내마모성능을 향상시킨다 .

3) 고온에서의 변형 적응성

종래 특허{특허문헌3}의 경우 선팽창계수가 11.8x10^-6/K내외인 철기 합금인 모재 표면에 선팽창계수가 0.007∼0.1x10^-6/K내외인 세라믹재료를 코팅하고 있으나, 이 경우 모재와 코팅층 사이에 열팽창계수 차이가 너무 커, 고온에서 코팅층의 박리가 일어나는 문제가 있는데 반하여, 닉켈기 합금은 선팽창계수가 13x10^-6/K 내외로 모재와 근사하여 열팽창으로 인한 융착층의 박리현상은 일어나지 않는다는 것을 확인하였다

이러한 사유로 본 발명에서는 중량%로 C: 0.6~1.0%, Cr: 13~17%, W: 15~20%, Si: 2~6%, B: 1~5%, Fe: 1~5%, 잔부: Ni로 이루어진 조성을 갖는 Ni-WC계 자용성 합금을 채택하여 도3에 나타난 바와 같이, 슬리브 링{40}의 내주면과 화염안정화 링{30}의 차단벽{32} 및 차단판{31}의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금을 피복 융착{50}하였다.

이렇게 구성함으로써 슬리브 링{40}의 주된 손상 원인인 고온 상태에서 비산되는 분탄입자들의 지속적인 충돌로 인한 마모 손상을 줄일 수 있으며, 화염안정화 링{30}의 화실 측면이 고온{1100∼1200℃}의 화염에 노출된 상태에서 와류 형태로 흘러나오는 분탄입자 와 석탄재 등의 충돌에 의한 고온마모 및 고온에서 부식성 가스에 노출됨으로 인한 고온부식을 줄일 수 있는 작용효과를 얻을 수 있다.

여기에서 C는 W, Cr, B원소와 탄화물을 형성하여 경도값을 증대시키는 역할을 수행하는 원소로서, 그 함량이 0.6중량% 이하이면 상기원소들과의 탄화물형성이 충분치 못하여 내마모 성능을 충분히 발휘하지 못하며, 1.0중량%이상이면 과량의 탄화물형성으로 고온산화 및 내마모성능이 저하하기 때문에 0.6~1.0중량%로 한정한다.

Cr은 Cr-탄화물을 형성하여 경도값을 증대시키고 또한 고온 내산화 성능을 향상시키는 원소로서, Cr함량이 13중량% 이하이면 고온 내산화성능이 크게 떨어지고, Cr함량이 17중량% 이상이면 고온에서 취약한 시그마상이 형성되어 내마모 성능을 떨어뜨리기 때문에 13~17%로 한정한다.

W: 15~20%로 한정한 이유는 W함량이 15중량% 이하이면 경도값이 충분하게 향상되지 못하며 20중량%이상으로 많아지면 피복층에 기공이 많이 형성되어 내마모 성능을 떨어뜨리기 때문이다.

Si: 2~6%로 한정한 이유는 Si는 Ni-계합금의 공정온도를 저하시키는 원소로서, 본합금 에서는 Si을 2∼6중량% 첨가 하는 경우, 보다 낮은 온도에서 융착작업을 수행하는 것이 가능하기 때문이다.

B: 1~5%로 한정한 이유는 B는 탄소와 탄화물을 형성하여 고온 경도를 증대시키는 원소로서, 1중량%이하이면 경도상승효과가 미약하고, 5중량%이상이면 WC형성을 억제하여 고온경도를 떨어뜨림으로 1∼5중량%로 제한하였다.

Fe: 1~5%로 한정한 이유는 Fe 또한 Ni-합금계에서 공정온도를 저하시키는 원소로서, 1∼5중량% 첨가 시 가장 효과적이었다.

또한 슬리브 링과 화염안정화 링의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금을 피복하는 방법에 있어서,

본 발명인은 금속 모재에 세라믹층을 기계적으로 피복하는 경우 접착강도가 약하여 이 방법을 배제하고, 접착강도를 향상시키기 위하여 용사방법에 의한 금속재료의 피복을 생각하고 용사피복층을 형성하였으나, 시행한 결과 용사피복층은 모재와의 접착강도가 미약하여 조기에 박리현상이 발생하고 또한 피복층내에 기공이 많아 내마모성능이 떨어지는 문제가 있음을 발견하였다.

이를 해결하기 위하여 계속 연구한 결과 확산열처리를 통한 모재금속과 피복층이 금속결합을 이루어 융착되도록 함으로써, 접합강도를 높이고 융착층 내의 기공을 대폭 줄임으로서 내마모성능을 크게 향상시킬수 있다는 것을 확인하고, 상기와 같이 본 발명의 Ni-WC계 자용성 합금을 이용하여 내마모성능을 대폭 향상시킬 수 있는 방법을 도출할 수 있었다.

이하에 슬리브 링과 화염안정화 링의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금을 피복하는 방법을 특정한 것에 대하여 기술한다.

슬리브 링과 화염안정화 링의 표면을 블라스팅 처리하는 이유는, 자용성합금을 피복함에 있어 표면의 오물을 제거하고 표면에 요철을 만들어 접착성능을 향상시키기 위함이고,

블라스팅 전처리를 행한 모재를 190~210℃의 온도 범위로 예열하는 이유는, 상기와 같이 전처리를 행한 시료에 화염용사처리하는 경우, 용융층의 급냉으로 균열이 발생할 수 있어 이를 방지하기 위하여 화염용사처리하기 전에 190~210℃의 온도 로 예열하는 것이 필요하다.

Ni-WC계 자용성합금으로 화염용사하여 1~1.5mm의 두께로 피복하는 이유는, 통상적으로 용사층과 모재와의 접착강도는 용사층의 두께가 두터울수록 접착강도는 떨어진다. 따라서 본 발명에서는 최적의 접착강도를 유지하기위하여 용사층의 두께를 1∼1.5mm가 되도록 하였다.

피복된 모재를 진공열처리로에서 1,000~1,200℃의 온도로 1~2시간 열처리하는 이유는, 진공열처리로를 사용함으로써 산화를 방지하여 접착성능을 향상시키는 것이 가능하고, 1,000℃이하로 가열하는 경우 모재와 피복층 합금원소들의 확산이 원활하게 이루어지지 않으며, 1,200℃ 이상으로 가열하는 경우 용사층이 용융되어 흘러내리는 것을 방지하기 위하여 1000~1200℃의 범위로 가열하고, 1시간 이하로 열처리하는 경우 합금원소들의 충분한 확산이 이루어지지 않고, 2시간 이상 열처리하는 경우 더 이상의 효과적인 확산이 일어나지 않기 때문에 1~2시간 열처리 한다.

열처리한 모재를 50~70℃/sec의 냉각속도로 서냉하는 이유는, 70℃/sec 이상의 속도에서는 융착층의 냉각균열이 발생하고, 50℃/sec이하의 속도에서는 접착강도가 떨어지는 문제가 있어 냉각속도를 50~70℃/sec로 한정한다.

화염안정화 링 제조

주물 제작한 화염안정화 링{JIS SCH22}을 준비하고, 용사를 위한 전처리로 연마 및 표면을 블라스팅{blasting}처리한 다음 200℃로 예열하였다.

상기 예열된 화염안정화 링의 표면에 Ni-WC계 자용성합금을 화염 용사처리하여 1mm두께로 피복층을 형성하였다. 이때 Ni-WC계 자용성합금으로는 0.8%C-15%Cr-3%Fe-3%B-4%Si-17%W-잔부Ni로 조성된 분말을 사용하였다.

상기 용사처리된 안정화 링을 진공열처리로에 장입하여 1,200℃에서 1.5시간 가열 후 60℃/sec의 냉각속도로 서냉하여 모재와 피복층이 확산접합{융착}되어 금속결합이 이루어지도록 하였다.

슬리브 링 제조

통상적으로 슬리브 링{40}은 분탄관{10}과 동일한 재질인 SUS 309S{내열스테인레스강}으로 만들어져 있다. 본 발명에서는 종래와 동일한 슬리브 링{내경 772mm 길이 346mm 두께 25mm}내면에 실시예 1에서와 동일한 방법으로 Ni-WC게 자용성합금 분말을 1mm 내외 두께로 화염용사 피복한 후에 확산 열처리를 행하였다.

이와 같이 제조된 화염안정화 링 및 슬리브 링을 형광탐사 시험으로 융착층에 균열유무를 검사한바 미세한 균열도 발견되지 않는 양호한 융착층을 형성하고 있음이 확인되었으며, 융착층 단면의 경도값도 표1에서 보는바와 같이 모재보다 2배 이상 증가하였음이 확인되었다.

또한 피복층과 융착층의 조직 치밀도는 도5 및 도6에 나타난 바와 같이, 용사처리만 행한 경우에 비하여 용사처리 후 확산열처리를 모두 행한 경우에 조직 치밀도가 우수함을 확인하였다.

즉, 도5의 화염 용사한 피복층의 현미경 조직사진에 따르면, 모재와 피복층 사이에 불연속인 경계면{검은선}이 보이고, 또한 피복층 기지내에 기공{검은부분}들이 보이고 있어 치밀하지 못한 조직을 이루고 있음을 확인 할 수 있는 반면에, 도6의 용사처리 후 확산열처리{융착}한 현미경조직사진은 경계면에 불연속선이 보이지 않고 융착층 내 기공도 관찰되지 않아 치밀한 조직으로 개선되어있음을 확인 할 수 있었다.

부품명	구분	경도{Hv}
화염안정화 링	모재{JIS SCH22}	327
	융착층{AC61}	690
슬리브 링	모재{SUS309S}	345
	융착층{AC61}	695

10: 분탄관
20: 분탄 농축관
30: 화염안정화 링
31: 차단판
32: 차단벽
40: 슬리브 링
50: 융착층

Claims (4)

1. 미분탄이 이송되는 분탄관과, 상기 분탄관 외경부에 형성되어 공기를 이송하는 제1, 제2공기로와, 상기 분탄관의 선단부 내경에 설치되는 슬리브 링과, 상기 슬리브 링과 접하여 설치되는 화염안정화 링이 구비된 저 NOx 버너의 노즐부재에 있어서,
   상기 슬리브 링의 내주면과 상기 화염안정화 링의 차단벽 및 차단판의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금이 피복 융착되어 있되, 상기 Ni-WC계 자용성 합금은 중량%로 C: 0.6~1.0%, Cr: 13~17%, W: 15~20%, Si: 2~6%, B: 1~5%, Fe: 1~5%, 잔부: Ni로 된 조성을 갖는 분말을 화염용사하여 된 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너의 노즐부재
2. 삭제
3. 저NOx 버너의 노즐부재에 사용되는 슬리브 링 또는 화염안정화 링의 표면을 블라스팅 처리하는 단계와,
   상기 블라스팅 처리된 슬리브 링 또는 화염안정화 링을 190~210℃의 범위에서 예열하는 단계와,
   상기 예열된 슬리브 링 또는 화염안정화 링의 표면에 Ni-WC계 자용성 합금을 1~1.5mm의 두께로 화염용사하는 단계와,
   상기 화염용사된 슬리브 링 또는 화염안정화 링을 진공열처리로에서 1,000℃~1200℃의 온도로 1~2시간 진공 열처리하는 단계와,
   상기 열처리된 슬리브 링 또는 화염안정화 링을 50~70℃/sec의 속도로 서냉하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 저NOx 버너의 노즐부재에 사용되는 슬리브 링 또는 화염안정화 링의 제조방법
4. 제3항에 있어서,
   상기 Ni-WC계 자용성 합금은 중량%로 C: 0.6~1.0%, Cr: 13~17%, W: 15~20%, Si: 2~6%, B: 1~5%, Fe: 1~5%, 잔부: Ni로 된 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 저 NOx 버너의 노즐부재에 사용되는 슬리브 링 또는 화염안정화 링의 제조방법

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