KR19990075232A

KR19990075232A - 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용로터강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR19990075232A
Application number: KR1019980009315A
Authority: KR
Inventors: 김정태; 양병일; 김민수; 장희상
Original assignee: 윤영석; 한국중공업 주식회사
Priority date: 1998-03-18
Filing date: 1998-03-18
Publication date: 1999-10-15
Also published as: KR100260311B1

Abstract

본 발명은 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 화학조성이 중량 %로 탄소(C) 0.22내지 0.30%, 망간(Mn) 0.05내지 0.20%, 니켈(Ni) 3.5내지 4.00%, 규소(Si) 0.03% 이하, 인(P) 0.004% 이하, 황(S) 0.002% 이하, 크롬(Cr) 1.60내지 2.00%, 몰리브덴(Mo) 0.35내지 0.50%, 바나디움(V) 0.07내지 0.15%, 알루미늄(Al) 0.005% 이하, 비소(As) 0.006% 이하, 주석(Sn) 0.005% 이하, 안티몬(Sb) 0.002% 이하이고, 가스성분의 함유량은 수소(H) 1.5ppm 이하, 산소(O) 35ppm 이하, 질소(N) 80ppm 이하이며, 잔부는 철(Fe) 및 제강정련에 의해 제거할 수 없는 불순원소로 구성된 것을 특징으로 하며, 이러한 본 발명은 종래에 사용되고 있는 ASTM A470 Class 7에 규정된 증기 터빈용 저압 로터축용 소재인 3.5% 니켈-크롬-몰리브덴-바나디움(3.5%NiCrMoV) 강에서 발생하는 문제점인 뜨임취성에 대한 저항성이 향상되었고, 이로인해 350℃ 이상의 온도에서도 본 발명강을 사용할 수 있음으로써, 기존의 발전소 열효율을 개선할 수 있으며, 소재의 수명 연장에 따라 정기 검사 기간 연장에 따른 경비절감 효과가 있을 뿐만 아니라, 특히 차세대 발전소인 초임계압 발전소에서도 재질의 변경없이 저압 터빈 로터로 사용이 가능하며, 가스터빈 압축 로터축 소재로 활용이 가능한 효과가 있다.

Description

망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강 및 그 제조방법

본 발명은 초청정3.5%니켈-크롬-몰리브덴-바나디움 강에 관한 것으로, 특히, 고온 인장강도가 높고, 높은 파괴인성과 더불어 343℃ 이상의 고온에서도 뜨임취성(Temper Embrittlement)을 일으키지 않으며, 증기터빈용 저압 로터축(Low Pressure Rotor Shaft)과 가스터빈용 압축 로터축(Compressor Rotor Shaft)으로 사용되는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

주지하다시피, 통상 사용되고 있는 화력발전소용 저압터빈 로터 및 가스터빈용 압축 로터축은 혹독한 운전조건에서 사용되기 때문에, 이용되는 재료는 높은 원심력에 견디는 높은 인성과 낮은 천이온도를 갖는 것이 중요하며, 특히 350℃ 이상의 고온에서 장시간 사용되므로 높은 고온강도와 함께 높은 뜨임취성 저항성을 갖는 것이 중요한 요구조건으로 규정되어 있다.

또한, 참고적으로 뜨임취성이란 343∼530℃의 특정 온도구간에서 강중에 함유된 망간, 규소, 인, 주석, 비소, 안티몬과 같은 불순원소가 결정립계로 편석되어 결정립계의 결합력을 약화시켜 파괴연성을 저하시킴으로 취화되는 현상을 말하며, 소재 제조 또는 사용중에 이 온도범위에 노출됨에 따라 발생한다.

상기에서 이러한 뜨임취성의 주요 원인으로 작용하는 불순물 원소로는 망간, 규소, 인, 안티모니, 주석, 비소 등의 미량원소들이므로 소재 제조시 뜨임취성에 대한 저항성을 높이기 위하여 이들 원소의 함량을 극소화 시켜야 하고, 초청정강이란 이러한 불순물들의 함유를 극소화시킨 강을 뜻하며, 불순원소와 관련하여 정의된 J_FACTOR와 ΔFATT₅₀(연성-취성 천이온도 : Fracture-Appearance Transition Temperature)의 관계를 도 1 에 나타내었다.

종래에 사용되고 있는 ASTM A470 Class 7에 규정된 증기 터빈용 저압 로터축용 소재인 3.5% 니켈-크롬-몰리브덴-바나디움(3.5%NiCrMoV) 강은 고온의 특정 온도범위에서 뜨임취성 현상을 일으키는 특징 때문에, 그 소재의 사용온도가 343℃ 이하로 제한됨에 따라 발전소 운전온도를 제한하였고, 이로인해 열효율이 상승된 발전소를 디자인할 수 없는 문제점이 있었다.

한편, 종래 초청정강은 망간이 첨가되지 않고, 유황의 함량이 높았음으로 다음과 같은 문제점들이 야기되었다.

첫째, 유황과 철의 저융점(980℃) 화합물인 철황화물(FeS)이 결정립계에 생성되어 1,000℃의 고온에서 단조할 때 단조 균열 현상(과열; Overheating)이 발생되어 결정립계를 취화시켜 충격흡수에너지가 저하되고, 연성-취성 천이온도가 상승하는 문제점이 있었다.

둘째, 제강 정련시 망간 함량이 0.05% 이하가 되면 용존 산소 함량이 높게 되어 환원정련기에 산소와 반응성이 높은 탄소함량을 규정 값으로 조절하는데 더 많은 시간과 전기료가 요구되어 제강 비용의 상승과 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 고온 인장강도가 높고, 높은 파괴인성과 더불어 343℃ 이상의 고온에서도 뜨임취성을 일으키지 않으며, 증기터빈용 저압 로터축과 가스터빈용 압축 로터축으로 사용되는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강은, 화학조성이 중량 %로 탄소(C) 0.22내지 0.30%, 망간(Mn) 0.05내지 0.20%, 니켈(Ni) 3.5내지 4.00%, 규소(Si) 0.03% 이하, 인(P) 0.004% 이하, 황(S) 0.002% 이하, 크롬(Cr) 1.60내지 2.00%, 몰리브덴(Mo) 0.35내지 0.50%, 바나디움(V) 0.07내지 0.15%, 알루미늄(Al) 0.005% 이하, 비소(As) 0.006% 이하, 주석(Sn) 0.005% 이하, 안티몬(Sb) 0.002% 이하이고, 가스성분의 함유량은 수소(H) 1.5ppm 이하, 산소(O) 35ppm 이하, 질소(N) 80ppm 이하이며, 잔부는 철(Fe) 및 제강정련에 의해 제거할 수 없는 불순원소로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법은, 용해한 후 불순물을 제거하고, 용강을 진공상태에서 조괴용 주형에 부어서 응고시키는 제강 및 조괴공정(S1000)과; 상기 제강 및 조괴공정(S1000) 이후, 제품의 균질성과 내부 결함이 없는 로터를 제조하기 위해 강괴를 가열하여 조압연 이후 주조결함이 집중되는 밑부분과 상부를 소정의 양만큼 절단하고 소정크기로 단조하는 단조공정(S2000)과; 상기 단조공정(S2000) 이후, 고온강도, 충격인성 및 뜨임취성에 대한 저항성이 우수한 성질을 얻기 위해 미세조직을 균질하게 조절하고, 고속 회전 로터의 요구특성을 만족시키기 위해 수행하는 열처리공정(S3000)으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

도 1 은 J_FACTOR{=(Si+Mn)(P+Sn)}와 ΔFATT₅₀과의 관계를 나타낸 그래프,

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 화학성분을 나타낸 도면,

도 3 은 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법을 나타낸 도면,

도 4 는 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 특성 평가를 위한 시험편의 화학성분을 나타낸 도면,

도 5 는 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강과 기존강의 기계적 성질 요구치를 비교한 도면,

도 6 은 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 다단계 열처리 전의 FATT₅₀시험 결과를 나타낸 그래프,

도 7 은 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 다단계 열처리 후의 FATT₅₀시험 결과를 나타낸 그래프,

도 8 은 J_FACTOR에 따른 ΔFATT₅₀(FATT_{after step cool}-FATT_{before step cool})의 변화를

나타낸 그래프이다.

이하, 상술한 내용을 본 발명에 따른 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도 2 에 도시한 바와 같이, 화학조성이 중량 %로 탄소(C)는 0.22내지 0.30%, 망간(Mn)은 0.05내지 0.20%, 니켈(Ni)은 3.5내지 4.00%, 규소(Si)는 0.03% 이하, 인(P)은 0.004% 이하, 황(S)은 0.002% 이하, 크롬(Cr)은 1.60내지 2.00%, 몰리브덴(Mo)은 0.35내지 0.50%, 바나디움(V)은 0.07내지 0.15%, 알루미늄(Al)은 0.005% 이하, 비소(As)는 0.006% 이하, 주석(Sn)은 0.005% 이하, 안티몬(Sb)은 0.002% 이하이고, 가스성분의 함유량은 수소(H) 1.5ppm 이하, 산소(O) 35ppm 이하, 질소(N) 80ppm 이하이며, 잔부는 철(Fe) 및 제강정련에 의해 제거할 수 없는 불순원소로 구성된 소재로써 본 실시예를 구성한다.

이하, 상기와 같이 구성된 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 개별적 화학성분 함량을 도 2 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2 에 도시한 바와 같이, 탄소(C)는 인장강도를 증가 시키고, 내력을 부여하므로 0.2%이상의 함유가 필요하다.

따라서, 탄소(C)의 경우, 0.35%를 초과하면 인성이 저하되고, 탄화물의 응집, 조대화가 일어나 크립 강도를 저하시키므로 0.22∼0.35%로 규정한다.

또한, 크롬(Cr)은 고온강도, 인성의 개선을 위하여 첨가해야 되는데, 그 함유량이 1.2% 미만이면 그 작용이 충분하지 않고, 2.0%를 초과하면 그 효과가 포화상태가 되므로 더 이상의 효과가 없다.

한편, 몰리브덴(Mo)은 탄소와 탄화물을 형성하는 원소로서 기지중에 미세하게 설출하여 저온 및 고온에서의 강도 증가 효과를 내며, 뜨임취화를 억제한다.

따라서, 몰리브덴(M0)은 첨가량이 0.35% 미만에서는 이 효과가 충분치 않고, 0.50%가 초과하는 경우 효과가 포화상태가 되어 더 이상의 효과가 없어지므로, 고온강도 및 인성 저하를 방지하기 위해 0.35∼0.50% 범위로 규정한다.

또한, 바나디움(V)은 탄화물을 형성시키고 고온강도를 향상시키는데, 함유량은 0.07% 미만일 경우 이 작용이 충분치 않고 0.15%를 초과하는 경우 고온 크립 강도 및 인성을 저하시키므로 0.07∼0.15% 범위로 규정한다.

한편, 규소(Si)는 통상 탈산제로 작용하여 사용되어 왔는데 이 경우 함유량은 통상 0.30∼0.50% 정도였다.

그런데, 상기와 같이 0.30∼0.50% 정도의 규소를 함유하고 있을 때는 대형강괴의 마크로 편석을 조장시키고, 규소 함유량이 높을 경우에는 뜨임 취성 감수성이 매우 증대되므로 충격인성의 감소가 초래된다.

또한, 규소는 니켈을 함유한 강에서는 구오스테나이트 결정립계에 니켈과 함께 편석 되거나 취화원소로 작용하고, 응고시 고상-액상 공존 구역(Mush Zone)을 확장 시키는 영향 때문에 "A"형 편석을 조장시킨다.

그리고, 진공탄소탈산(VCD)공정이 개발되기 전까지는 규소-탈산에 의해 로터강이 정련되기 때문에 많은 양의 규소 유입이 불가피 하였지만 진공탄소탈산공정이 적용된 경우 응고시 수지상정 크기 및 고상-액상 공존 구역이 작아져 로터의 균질성과 인성이 현저하게 향상되었다.

아울러, 규소의 함량을 낮출 경우 편석이 최소화되며 균질성이 향상되고 장시간 크립 성질도 좋아진다는 것이 확인되었다.

따라서, 본 발명강에서는 규소의 악영향을 최소화 하기 위하여 진공탄소탈산 공정을 채용하여 규소의 함유량을 0.03% 이하로 규정하였다.

한편, 망간(Mn)은 강도 유지와 열처리 과정에서 담금질성을 향상 시키는 합금원소로 중요하나, 함유량이 증가할수록 연성-취성 천이온도(Fracture Appearance Transition Temperature)가 상승하고, 황(S)과 결합하여 비금속개재물을 생성하여 인성을 저하시키며, 강중에 잔존하는 망간은 규소와 같이 뜨임취화를 촉진시키므로 감소시킬수록 좋은 원소이다.

또한, 망간은 규소와 함께 고온에서 장시간 노출되거나 제조시의 열처리 동안 서냉되는 중심부에서 불순원소 인, 안티몬, 주석 및 비소의 결정립계 편석을 조장시켜 니켈-크롬-몰리브덴-바나디움강의 뜨임취성에 대한 감수성을 증대시킨다.

한편, 최근에는 불순원소의 함량이 높더라도 망간과 규소의 함량이 적어지면 뜨임취성에 대한 저항성이 증가되므로 망간의 함량을 최대 0.20%로 규정한다.

또한, 불순원소로 규정된 망간 함량의 감소는 고온에서 열처리나 단조시에 용해 또는 고용된 철황화물(FeS)가 냉각중에 오스테나이트 결정입계에 재석출하여 입계를 취화시켜 샤르피 충격에너지가 저하되고, 고온단조시 균열이 발생하는 과열(Overheating) 현상을 조장시킬 우려가 있기 때문에, 망간의 최저 함량을 0.05%로 한다.

그러나, 망간과 함께 불순물로 규정된 유황의 함량이 감소되어 망간 대 유황의 비가 20 : 1 이상이 되면 과열이 발생되지 않는 것으로 알려져 있다.

따라서, 본 발명강에서는 제강정련 시간의 단축과 정련시 합금원소 제어가 용이하도록 하여 제강 비용을 절감하고, 망간에 의한 악영향을 최소화시킬 수 있도록 하기 위해 망간의 함유량을 0.05∼0.20%로 규정한다.

한편, 인(P)은 뜨임취화 민감성을 조장시키는 원소이며, 경년열화에 적지않은 영향을 끼치기 때문에 가능한한 낮은 함량으로 제어되어야 하고, 안티몬, 주석 및 비소 등과 함께 로터재의 뜨임취성을 일으키는 가장 유해한 원소중의 하나이므로 그 함량이 낮을수록 좋다.

그러나, 인은 망간, 규소 등과 복합적으로 취성을 일으키고 인성을 떨어뜨리므로 망간과 규소 함량을 낮게 조절할 수 있으면 인의 제거가 결정적으로 중요한 요소가 아니다.

하지만, 환원기의 가열시 온도 증가 때문에 충분히 많은 생석회와 산화철 농도가 높지 않으면 복인(Phosphrous reversion)이 일어날 가능성이 높다.

상기와 같은 복인 가능성 때문에 환원기로 넘어가기 전에 산화기에서 만들어진 슬레그를 완전히 용강과 불리시켜야 한다.

따라서, 실제로 산화정련 이후에 탈인을 기대하는 것은 거의 불가능하므로, 인의 함량은 0.004% 이하로 제한한다.

또한, 유황(S)은 대형강괴에서 미량 함유하여도 황화망간(MnS) 등의 비금속개재물을 강중에 생성시키고, 강의 품질을 저하시키기 때문에 적게 함유될수록 유리하며, 황(S)의 함량이 감소할수록 충격인성은 증가되는데, 이 효과는 황이 없음으로 해서 청정도가 개선되기 때문이다.

따라서, 망간의 함량이 극히 낮은 강에서는 단조하는 동안 고온 터짐(Hot Shortness)을 발생시키는 유해한 황화철(FeS)가 정출되므로 황의 함량을 0.002% 이하로 제한한다.

한편, 미량원소인 안티몬(Sb), 비소(As) 및 주석(Sn)은 불가피 함유원소로서 정련에 의해 제거되지 않기 때문에 고철원료를 엄선하여 유입을 방지해야 하며, 안티몬은 최대 0.002% 이하, 비소는 0.006% 이하, 주석은 0.005% 이하로 규제한다.

그리고, 알루미늄(Al)은 로터강에서 고온 크립 연성을 저해하는 비금속개재물의 생성원으로 작용하므로 최대 0.005% 이하로 규정하고 있는데, 진보된 제강기술인 진공탄소탈산 공정에서 알루미늄이 탄소와 산소의 반응성을 저해하여 탈산반응을 약화시키므로 규제 되어야 한다.

또한, 가스(Gas) 성분중 수소(H)는 로터 재료의 열균열(Thermal craching), 백점(Flaking) 등을 유발하여 치명적인 해를 끼치는 원소로 잘 알려져 있으며, 용강내의 수소는 주로 원자재 및 첨가제에 흡착되었던 수분에 의해 유입된다.

그러나, 최근 진공 탈가스법의 발달로 대부분의 수소는 레이들 내에서 제거할 수 있게 되므로써 1.5ppm 이하로 규정하였다.

한편, 가스성분중 산소(O)는 대기중 산소 그리고 취입되는 산소 가스 등이 주 공급원이 되며, 불순물을 산화시키는데 필수적인 원소이지만 강괴내에 기공(Blow hole)이나 비금속 개재물의 주원인이기도 하므로 35ppm 이하로 제거한다.

이하 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법을 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7, 도 8 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제강 및 조괴공정(S1000)은 도 3 에 도시한 바와 같이, 염기성 전기로(EAF) 공정(S1100)→2차정련로 공정(ASEA-SKF LRF)(S1200)→진공 강괴 주입공정(VSD)(S1300)으로 진행된다.

상기 염기성 전기로 공정(S1100)에서는 제강, 정련공정에서 제거하기 불가능한 불순원소(As, Sb, Sn)가 적은 고품질의 고철을 엄선하여 초기 유입을 억제한다(S1110).

그런후, 강염기성 분위기의 슬랙을 제조하여 0.002%까지 인(P)의 함량을 제어하고, 규소(Si) 함량을 0.02% 이하로 산화처리하는 용해공정을 수행한다(S1120).

또한, 2차정련로 공정(S1200)은 산화정련공정(S1210)과 환원정련공정(S1220)으로 나누어 지는데, 산화정련공정의 중요한 목적은 규소(Si) 및 인(P)을 목표함량 이하로 제어하고, 환원기에 탄소(C)의 함량을 적정량으로 용이하게 첨가되도록 망간을 첨가하여 1차 탈산처리를 하는 것이다(S1210).

이때, 산화정련공정(S1210)후 용강은 고온에서 환원정련하는 동안 산화정련기의 슬랙에 포함되어 있는 P₂O₅가 환원되어 인(P)의 함량이 증가하는 것을 방지하기 위하여 산화기의 슬랙을 완전하게 제거한다.

한편, 환원정련기에는 강 염기성 슬랙을 제조하고, 진공 분위기에서 탈가스 처리하여 황(S)의 요구치인 0.002% 이하가 되도록 한다(S1220).

이와 같이, 2차정련로 공정에서 비금속 개재물의 부상분리 및 제거, 균일한 화학성분 및 온도를 조절한 환원정련, 진공 탈가스 처리에 의하여 유해한 가스, 예를들어 수소, 질소, 산소 등의 함량을 최대한 억제함으로써 불순원소 함량을 최대한 억제한다.

또한, 정련후의 용강은 진공 분위기 상태에서 용강을 주입하는 진공유적법(VSD)으로 강괴를 제조하므로써 청정도가 높고, 성분편석 및 기계적 성질에 유해한 결함을 최대한으로 감소시킬 수 있다(S1300).

한편, 제강 및 조괴공정(S1000) 이후 수행되는 단조공정은, 제품의 균질성과 내부 결함이 없는 로터를 제조하기 위해 강괴를 가열하여 조압연(Cogging) 이후 주조결함이 집중되는 밑부분(Bottom)과 상부(Hot top)를 소정의 양만큼 절단하고 소정의 크기로 단조한다(S2000).

또한, 본 발명강은 고온강도, 충격인성 및 뜨임취성에 대한 저항성이 우수한 성질을 얻기 위해 단조공정(S2000) 이후에는 불균질한 미세조직을 균질하게 조절하고, 고속 회전 로터의 요구특성을 만족시키기 위해 열처리공정(S3000)을 수행하는데, 열처리공정에는 예비열처리공정(S3100)과 품질열처리공정(S3200)을 수행한다.

한편, 상기 예비열처리공정(S3100)에는 1차 불림처리공정(S3111) 및 2차 불림처리공정(S3112)으로 진행되는 이중불림(Double Normalizing)공정(S3110) 및 제 1 뜨임(Tempering)처리공정(S3120)을 수행하고, 상기 품질열처리공정(S3200)에는 담금질(Quenching)공정(S3210) 및 제 2 뜨임(Tempering)처리공정(S3220)을 수행한다.

이때, 상기 1차 불림처리공정은 880∼950℃의 온도 범위에서 일정 시간 유지한 후 공기중에서 냉각하는 것이고(S3111), 상기 1차 불림처리공정(S3111) 이후 진행되는 2차 불림처리공정은 1차 불림온도 보다 낮은 온도로 다시 가열 유지 후 공냉시키는 것이며(S3112), 상기 2차 불림처리공정(S3112) 이후 수행하는 제 1 뜨임처리공정은 600∼650℃의 일정 온도에서 유지후 냉각시키는 것이다(S3120).

또한, 예비열처리공정(S3100)이 끝난 소재는 황삭 가공을 하여 표면부의 산화층을 제거한 후 품질열처리공정(S3200)인 담금질공정(S3210)과 제 2 뜨임처리공정(S3220)을 수행한다.

한편, 상기 담금질공정은 소재의 요구되는 인성과 강도를 얻기 위하여 수직로에서 특정 온도로 일정시간 유지후 물분사 냉각(Water Spray Quenching)을 시키는 공정이고(S3210), 상기 담금질공정(S3210) 이후 580∼630℃의 온도범위에서 적정시간 유지한 후 공기중에서 냉각하는 제 2 뜨임처리공정을 수행한다(S3220).

또한, 초청정강을 사용하게 되면 뜨임 취성에 대한 열화가 감소되기 때문에 통상의 운전조건에서 소재의 수명이 연장되며, 이러한 경향은 운전시간 경과에 따른 FATT의 변화량의 정도를 이용하여 평가할 수 있다.

그리고, 초청정강은 더욱더 낮은 FATT, 높은 파괴인성, 높은 충격 흡수 상부에너지(Upper Shelf Energy)를 가진다는 시험 결과가 초청정강의 우수성을 입증하고 있다.

이하 실험예를 통하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 종래의 터빈 로터 소재용 강으로 사용되었던 ASTM A470 Class. 7 소재와 망간이 함유되지 않은 초청정강과 본 발명을 위해 진공유도용해로(VIM)에서 제작한 강괴를 이용하여, 1200℃에서 단조한 다음 실제품에서 적용하는 열처리 조건과 동일한 온도조건으로 열처리한 후 소재의 특성을 상호 비교하였는데, 도 4 는 본 발명강과 비교강의 화학성분을 나타낸 것이다.

한편, 도 4 에 도시한 바와 같이, 초청정강으로 제작된 재료의 기계적인 특성은 불순물의 함량이 극소화됨에 따라 기존의 재료보다 우수한 것으로 판명되었으며, 도 5 는 기존의 강과 망간함유 초청정강으로 제조된 재료의 주요 기계적 성질의 규정치와 시험편으로 시험한 결과들을 나타낸 것이다.

이때, 도 5 에 도시한 바와 같이, 본 발명강에 해당하는 발명강 1, 발명강 2, 발명강 3의 기계적인 성질의 특징은 기존강에 비하여 높은 강도와 파괴인성을 가짐을 알 수 있다.

또한, 재료의 등온 뜨임 취화에 대한 저항성을 평가하기 위해 ASTM A470에 규정된 다단계 열처리(Step Cooling)를 실시하여 FATT₅₀의 변화를 조사하였다.

한편, 다단계 열처리는 594℃ 1시간 유지 로냉 ⇒ 538℃ 15시간 유지 로냉 ⇒ 524℃ 24시간 유지후 로냉 ⇒ 496℃ 48시간 유지후 로냉 ⇒ 468℃ 72시간 유지후 로냉 ⇒ 316℃까지 로냉후 그 이하 부터 공냉하여 실온까지 냉각하였다.

이때, 도 6, 도 7, 도 8 에서 알 수 있듯이 발명강 1, 발명강 2, 발명강 3에 대해 FATT₅₀는 각각 -121, -108, -98 이었는데, 이는 다단계 열처리 전과 후의 차이가 거의 없고, 망간이 함유되지 않은 초청정강과 동일하다는 것을 증명하는 것이다.

또한, 본 발명강은 343℃ 이상의 온도에서 장시간 사용하여도 뜨임취성에 대한 저항성이 우수하고, 파괴인성이 높음을 입증하는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강 및 그 제조방법은, 종래에 사용되고 있는 ASTM A470 Class 7에 규정된 증기 터빈용 저압 로터축용 소재인 3.5% 니켈-크롬-몰리브덴-바나디움(3.5%NiCrMoV) 강에서 발생하는 문제점인 뜨임취성에 대한 저항성이 향상되었고, 망간이 함유되지 않은 초청정강과 동일한 성격을 갖기 때문에 350℃ 이상의 온도에서도 본 발명강을 사용할 수 있음으로써, 기존의 발전소 열효율을 개선할 수 있으며, 소재의 수명 연장에 따라 정기 검사 기간 연장에 따른 경비절감 효과가 있을 뿐만 아니라, 특히 차세대 발전소인 초임계압 발전소에서도 재질의 변경없이 저압 터빈 로터 및 가스터빈 압축 로터축 소재로 활용이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강은 망간이 첨가되었기 때문에, 유황과 철의 저융점(980℃) 화합물인 철황화물(FeS)이 결정립계에 생성되어 1,000℃의 고온에서 단조할 때 단조 균열 현상(과열; Overheating)이 발생됨으로 결정립계를 취화시켜 충격흡수에너지가 저하되고, 연성-취성 천이온도가 상승하는 문제점과 제강 정련시 망간 함량이 0.05% 이하가 되면 용존 산소 함량이 높게 되어 환원정련기에 산소와 반응성이 높은 탄소함량을 규정 값으로 조절하는데 더 많은 시간과 전기료가 요구됨으로 제강 비용의 상승과 생산성이 저하되는 문제점을 해결해 주는 효과가 있다.

Claims

화학조성이 중량 %로 탄소(C) 0.22내지 0.30%, 망간(Mn) 0.05내지 0.20%, 니켈(Ni) 3.5내지 4.00%, 규소(Si) 0.03% 이하, 인(P) 0.004% 이하, 황(S) 0.002% 이하, 크롬(Cr) 1.60내지 2.00%, 몰리브덴(Mo) 0.35내지 0.50%, 바나디움(V) 0.07내지 0.15%, 알루미늄(Al) 0.005% 이하, 비소(As) 0.006% 이하, 주석(Sn) 0.005% 이하, 안티몬(Sb) 0.002% 이하이고, 가스성분의 함유량은 수소(H) 1.5ppm 이하, 산소(O) 35ppm 이하, 질소(N) 80ppm 이하이며, 잔부는 철(Fe) 및 제강정련에 의해 제거할 수 없는 불순원소로 구성된 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강.
용해한 후 불순물을 제거하고, 용강을 진공상태에서 조괴용 주형에 부어서 응고시키는 제강 및 조괴공정(S1000)과; 상기 제강 및 조괴공정(S1000) 이후, 제품의 균질성과 내부 결함이 없는 로터를 제조하기 위해 강괴를 가열하여 조압연 이후 주조결함이 집중되는 밑부분과 상부를 소정의 양만큼 절단하고 소정크기로 단조하는 단조공정(S2000)과; 상기 단조공정(S2000) 이후, 고온강도, 충격인성 및 뜨임취성에 대한 저항성이 우수한 성질을 얻기 위해 미세조직을 균질하게 조절하고, 고속 회전 로터의 요구특성을 만족시키기 위해 수행하는 열처리공정(S3000)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 제광 및 조괴공정(S1000)은, 염기성 전기를 이용하여 용해하는 과정인 염기성 전기로 공정(S1100)과; 상기 염기성 전기로 공정(S1100) 이후, 용해한 후 용강 위로 떠오른 불순물을 제거시켜 주는 2차정련로 공정(S1200)과; 상기 2차정련로 공정(S1200) 이후, 용강을 조괴용 주형에 부어서 진공상태에서 응고시켜 주는 진공 강괴 주입공정(S1300)을 포함하는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 염기성 전기로 공정(S1100)은, 제강, 정련공정에서 제거하기 불가능한 불순원소가 적은 고품질의 고철을 엄선하여 초기유입을 억제시켜 주는 고철 선별공정(S1110)과; 상기 고철 선별공정(S1110) 이후, 강염기성 분위기의 슬랙을 제조하여 0.002%까지 인의 함량을 제어하고, 규소 함량을 0.02% 이하로 산화처리하는 용해공정(S1120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 2차정련로 공정(S1200)은, 규소 및 인을 목표함량 이하로 제어하고, 환원기에 탄소의 함량을 적정량으로 용이하게 첨가되도록 망간을 첨가하여 1차 탈산처리를 하는 산화정련공정(S1210)과; 상기 산화정련공정(S1210) 이후, 강 염기성 분위기 슬랙을 제조하고, 진공 분위기에서 탈가스 처리하여 황의 요구치인 0.002% 이하가 되도록 하는 환원정련공정(S1220)을 포함하는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 진공 강괴 주입공정(S1300)은, 진공 분위기 상태에서 용강을 주입하므로 청정도가 높고, 성분편석 및 기계적 성질에 유해한 결함을 최대한으로 감소시킬 수 있도록 해주는 진공유적법(VSD)으로 강괴를 제조하는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 열처리공정(S3000)은, 이중불림공정(S3110) 및 제 1 뜨임처리공정(S3120)을 수행하는 예비열처리공정(S3100)과; 담금질공정(S3210) 및 제 2 뜨임처리공정(S3220)을 수행하는 품질열처리공정(S3200)을 포함하는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 이중불림공정(S3110)은, 880∼950℃의 온도 범위에서 일정 시간 유지한 후 공기중에서 냉각하는 1차 불림처리공정(S3111)과; 상기 1차 불림처리공정(S3111) 이후, 1차 불림온도 보다 낮은 온도로 다시 가열 유지 후 공냉시키는 2차 불림처리공정(S3112)을 포함하는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 제 1 뜨임처리공정(S3120)은, 600∼650℃의 일정 온도에서 유지 후 냉각시키는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 담금질공정(S3210)은, 소재의 요구되는 인성과 강도를 얻기 위하여 수직로에서 특정 온도로 일정시간 물분사 냉각을 시키는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 제 2 뜨임처리공정(S3220)은, 580∼630℃의 온도범위에서 적정시간 유지한 후 공기중에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 망간 함유 뜨임취성 저항성이 우수한 고인성의 초청정 터빈용 로터강의 제조방법.