KR20190057602A - 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품 - Google Patents

보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품 Download PDF

Info

Publication number
KR20190057602A
KR20190057602A KR1020170154739A KR20170154739A KR20190057602A KR 20190057602 A KR20190057602 A KR 20190057602A KR 1020170154739 A KR1020170154739 A KR 1020170154739A KR 20170154739 A KR20170154739 A KR 20170154739A KR 20190057602 A KR20190057602 A KR 20190057602A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
boiler tube
heat
chromium oxide
base material
chromium
Prior art date
Application number
KR1020170154739A
Other languages
English (en)
Inventor
유근봉
이한상
정진성
하인생
Original Assignee
한국전력공사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020170154739A priority Critical patent/KR20190057602A/ko
Publication of KR20190057602A publication Critical patent/KR20190057602A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/10—Oxidising
    • C23C8/12—Oxidising using elemental oxygen or ozone
    • C23C8/14—Oxidising of ferrous surfaces
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/80—After-treatment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/02—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the engines being turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22G—SUPERHEATING OF STEAM
    • F22G3/00—Steam superheaters characterised by constructional features; Details of component parts thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

본 발명의 일 구현예는 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 금속 모재를 10-22 ppm 내지 10-14 ppm인 산소 분압 분위기에서 500℃ 내지 850℃의 온도로 열처리하여 상기 금속 모재의 내표면 및 외표면 중 하나 이상의 면에 크롬 산화물 피막층을 형성하는 것을 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법에 관한 것이다. 이를 통해, 본 발명은 철 산화물의 생성을 방지하는 동시에 크롬 산화물 피막을 선택적으로 형성하여, 산화 스케일 생성 및 표면 부식에 의한 손상을 방지할 수 있는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품을 제공한다.

Description

보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품{METHOD FOR FORMING CHROMATE FILM IN BOILER TUBE COMPONENTS AND HEAT RESISTANT BOILER TUBE COMPONENTS}
본 발명은 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품에 관한 것이다.
발전소에서 전력을 생산하기 위해서는 보일러와 터빈을 포함하는 발전 설비를 이용한다. 발전 설비에서는 보일러에서 연료를 연소하여 생성된 고온고압의 증기를 이용해 터빈을 구동하며, 이를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있다.
보일러 튜브는 다수의 강관으로 형성된 장치로 수냉벽, 과열기, 재열기 등 다양한 부위로 이루어진 부품을 포함하며, 이러한 부품들은 특정 부위가 보일러의 연소실 내에 설치됨으로써, 연소 시 발생하는 열을 전달받아 고온고압의 증기를 발생시킨다. 예를 들어, 보일러는 연소실 내부에 연소 불꽃을 분사하며, 보일러 튜브의 부품 중 연소실 내부에 설치된 부위들로 열이 전달된다. 튜브 내부에서는 급수된 물이 저온부 튜브에서 고온부 튜브로 이동하면서 열을 전달받으며, 이를 통해 팽창하여 고온고압의 증기를 발생시킨다. 이와 같이 보일러 튜브 내에서 발생한 고온고압의 증기는 터빈으로 유입되어 블레이드를 회전시키는 방식으로 전기 에너지 생산에 이용된다.
이러한 과정에서, 보일러 튜브는 장시간 동안 튜브 내부를 흐르는 고온의 물, 증기와 반응하여 내표면에 산화 스케일이 형성될 수 있다. 산화 스케일은 열전달 효율을 저하시킬뿐 아니라, 산화 스케일과 모재의 열팽창계수 차이와 성장 응력에 의해 박리되거나, 보일러 튜브의 파손 등을 발생시킬 수 있다. 박리된 산화 스케일은 곡관부에 쌓임으로써 튜브 과열을 발생키거나, 증기와 더불어 터빈 내부로 유입되면서 터빈 블레이드를 손상시키는 문제를 발생시킬 수 있다.
또한, 보일러 튜브는 연소실 내부에서 연소 불꽃에 노출되어 외표면에 고온부식이 발생할 수 있다. 고온부식은 연소 중 발생하는 고온부식 유발 물질 및 고열의 에너지 등에 의해 금속 모재의 표면에 연소 생성물이 부착되어 발생하는 부식 현상을 의미하는 것으로, 금속 모재 표면이 분해되거나 균열이 발생하는 문제를 야기할 수 있다.
이러한 문제점들은 발전소 전체 가동의 중단과 같은 대응으로 이어지며, 이는 에너지 효율성, 경제성 등의 측면에서 큰 손실을 발생시킨다. 또한, 발전소의 가동 중단 등을 예방하기 위해, 튜브 내에 쌓여 있는 산화스케일을 주기적으로 제거하는 방법 등이 수행되고 있으나, 이 역시 처리 비용이 높아 경제적 효율성이 낮아지는 단점이 있다.
한편, 일반적인 보일러 튜브는 위치 및 기능에 따라 목적하는 증기의 온도 및 압력 조건이 다르며, 이에 따라 약 2% 크롬을 함유한 저 크롬강에서 18% 이상 함유한 스테인리스강 등을 사용하고 있다. 특히, 보일러 튜브 중 과열기와 재열기 등의 부위는 더욱 높은 온도에 노출되므로, 크롬 산화물(Cr2O3) 피막을 형성시켜 금속 모재를 보호하기 위해 고크롬강과 스테인리스강 등이 적용되고 있다.
그러나 고크롬강을 적용하더라도, 실제 발전소 보일러 운전환경에서는 철산화물이 더욱 높은 수준으로 생성되며, 크롬 산화물의 생성이 어려워 산화 및 부식에 의한 열화를 방지하기 어렵다.
또한, 금속 모재 표면에 고분자 코팅층을 형성하여 표면을 보호하는 방식이 제안되고 있으나, 이러한 고분자 코팅층이 연소열에 의해 손상되는 경우 금속 모재 보호의 효과가 매우 짧아 경제성이 낮아질 수 있다.
따라서, 고온 연소 조건의 보일러에 적용되어, 산화 스케일 생성을 방지하면서, 고온부식을 방지할 수 있는 보일러 튜브용 내열 부품의 제조 기술에 대한 필요성이 높아지고 있다.
본 발명의 하나의 목적은 철 산화물의 생성을 방지하는 동시에 크롬 산화물 피막을 선택적으로 형성하여, 산화 스케일 생성 및 표면 부식에 의한 손상을 방지할 수 있는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 금속 모재를 10-22 ppm 내지 10-14 ppm인 산소 분압 분위기에서 500℃ 내지 850℃의 온도로 열처리하여 상기 금속 모재의 내표면 및 외표면 중 하나 이상의 면에 크롬 산화물 피막층을 형성하는 것을 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법에 관한 것이다.
상기 저산소 분압 분위기는 진공 펌프로 산소 분압을 낮추는 방법으로 조성되는 것일 수 있다.
상기 저산소 분압 분위기는 저진공 상태에서 불활성 가스를 투입하는 방법으로 조성되는 것일 수 있다.
상기 열처리는 1 시간 내지 10 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 열처리 이후, 금속 모재를 10℃ 내지 500℃의 온도에서 1 시간 내지 5 시간 동안 서냉하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 열처리는 보일러 튜브의 제조 공정, 보일러 튜브 설치 공정, 보일러 튜브의 교체 공정 및 보일러 튜브가 설치된 보일러의 정비 공정 중 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 금속 모재; 및 상기 금속 모재의 내표면 및 외표면 중 하나 이상의 면에 형성된 크롬 산화물 피막층; 을 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품에 관한 것이다.
상기 크롬 산화물 피막층은 두께가 10 nm 내지 150 nm일 수 있다.
상기 보일러 튜브용 내열 부품은 재열기 및 과열기 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 철 산화물의 생성을 방지하는 동시에 크롬 산화물 피막을 선택적으로 형성하여, 산화 스케일 생성 및 표면 부식에 의한 손상을 방지할 수 있는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품을 제공한다.
도 1은 내식층이 형성된 본 발명 실시예 1의 보일러 튜브용 부품의 예시적인 단면도이다.
도 2는 내식층이 형성되지 않은 본 발명 비교예 1의 보일러 튜브용 내열 부품의 사용 후 단면 미세조직도이다.
도 3은 본 발명 실시예 1의 보일러 튜브용 내열 부품에 사용된 강종의 엘링엄 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명 실시예 2의 보일러 튜브용 내열 부품의 내식층의 단면 미세조직을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명 실시예 5의 보일러 튜브용 내열 부품의 내식층의 단면 미세조직을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명 실시예 7의 보일러 튜브용 내열 부품의 내식층의 단면 미세조직을 전자 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명 실시예 2의 보일러 튜브용 내열 부품의 내식층의 주요 화학 성분 분석 결과이다.
도 8은 본 발명 실시예 5의 보일러 튜브용 내열 부품의 내식층의 주요 화학 성분 분석 결과이다.
도 9는 본 발명 실시예 7의 보일러 튜브용 내열 부품의 내식층 주요의 화학 성분 분석 결과이다.
도 10은 본 발명 실시예 10, 실시예 11 및 비교예 8의 보일러 튜브용 내열 부품 시편에 대한 증기산화시험 후 무게 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 구현예는 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 금속 모재를 10-22 ppm 내지 10-14 ppm인 산소 분압 분위기에서 500℃ 내지 850℃의 온도로 열처리하여 상기 금속 모재의 내표면 및 외표면 중 하나 이상의 면에 크롬 산화물 피막층을 형성하는 것을 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법에 관한 것이다.
이를 통해, 본 발명은 보일러 튜브용 내열 부품의 철 산화물의 생성을 방지하는 동시에 크롬 산화물 피막을 선택적으로 형성하여, 산화 스케일 생성 및 표면 부식에 의한 손상을 방지하는 효과를 제공한다.
상기 산소 분압이 10-14 ppm를 초과하는 경우, 철산화물의 생성을 방지하기 어려워 산화 스케일이 생성된다. 또한, 산소 분압이 10-22 ppm 미만인 경우, 현실적으로 발전 설비에서 달성하기 어려워 상용성이 낮다. 상기 범위 내에서, 금속 모재 내의 철, 니켈, 구리 등의 산화를 억제하고, 크롬, 알루미늄 등을 선택적으로 산화시키는 효과를 증대시킬 수 있다.
상기 산소 분압 분위기를 달성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 일반적으로 알려진 방법 중 열처리가 수행되는 설비에 적합한 것을 선택하여 사용할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 산소 분압 분위기는 진공 펌프로 산소 분압을 낮추는 방법으로 조성되는 것일 수 있다. 이러한 경우, 산소 분압을 쉽게 낮추고, 산소 분압을 더욱 정밀하게 조절할 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 산소 분압 분위기는 저진공 상태에서 불활성 가스를 투입하는 방법으로 조성되는 것일 수 있다. 이러한 경우, 산소 분압을 쉽게 낮추면서도 압력을 제어하기에 유리할 수 있다. 또한, 이러한 경우 별도의 열처리 설비 없이 보일러 연소실 설비를 이용하여 보일러 튜브에 크롬 산화물 피막층을 형성할 수 있다.
상기 불활성 가스는 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논, 라돈 및 질소 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 구체예에서, 헬륨, 네온, 아르곤 및 질소 중 하나 이상을 사용하는 경우, 원료의 수급이 용이하고, 경제성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 열처리 온도가 850℃를 초과하는 경우, 크롬 산화물이 증발하여 크롬 산화물 피막의 형성이 어렵다. 또한, 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우, 열처리 설비의 에너지 소모에 의한 비용이 과도하게 높아져 효율성이 적정 범위 이하로 낮아진다.
상기 열처리 온도는 구체적으로 500℃ 내지 700℃, 보다 구체적으로 600℃ 내지 700℃일 수 있다. 상기 범위 내에서, 금속 모재 내의 철, 니켈, 구리 등의 산화를 억제하고, 크롬, 알루미늄 등을 선택적으로 산화시키는 효과를 증대시키면서도, 경제적 효율성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 열처리 온도 범위 내에서, 열처리 시간, 열처리 온도의 유지 시간 등의 변화를 통해 크롬 산화물 피막층의 두께를 목적하는 범위로 제어할 수 있다.
상기 열처리 시간은 구체적으로 1 시간 내지 10 시간, 보다 구체적으로 2 시간 내지 6 시간일 수 있다. 상기 범위 내에서, 철 산화물의 생성량을 낮추면서도 크롬 산화물을 생성량을 높이는 효과가 더욱 향상될 수 있다.
상기 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법은 상기 열처리 이후, 금속 모재를 10℃ 내지 500℃의 온도에서 1 시간 내지 5 시간 동안 서냉하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서 서냉하는 경우, 크롬 산화물과 금속 모재의 밀착력을 더욱 향상시켜 박리를 방지하는 효과가 더욱 향상될 수 있다.
상기 열처리는 보일러 튜브의 제조 공정, 보일러 튜브 설치 공정, 보일러 튜브의 교체 공정 및 보일러 튜브가 설치된 보일러의 정비 공정 중 수행되는 것일 수 있다. 이러한 경우, 보일러 튜브의 내표면과 외표면의 크롬 산화물 피막을 균일하게 형성하고, 별도의 열처리 또는 코팅 처리를 수행하기 위한 설비를 생략하면서 이미 구비된 보일러 연소실 설비 등을 활용하여 보일러 튜브에 크롬 산화물 피막층을 형성할 수 있다.
본 발명의 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화 피막 형성 방법은 별도의 열처리 또는 코팅 처리를 수행하기 위한 설비를 생략하면서 이미 구비된 보일러 연소실 설비 등을 활용할 수 있다. 이를 통해, 설비의 제약 없이 철산화물의 생성을 방지하는 동시에 크롬 산화물 피막을 선택적으로 형성하고, 산화 스케일 생성 및 표면 부식에 의한 손상을 방지하는 효과를 제공함으로써, 상용성 및 경제적 활용 가치가 높다.
상기 금속 모재는 보일러 튜브용 내열 부품에 사용될 수 있는 강종으로, 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 고크롬강 내지 스테인레스강이다. 크롬 함량이 9 중량% 미만인 강재를 사용할 경우, 보일러 튜브 표면에 균일하고 연속된 크롬 산화물을 형성하기 어렵다. 또한, 크롬 함량이 18 중량%를 초과하는 강재를 사용할 경우, 원자재 가격이 높아 활용성이 낮아지며, 보일러 튜브에 적합한 강도 및 물성의 균형을 맞추기 어렵다.
상기 금속 모재는 구체적으로 T22, T23, T91, T92, T122, X20, TP347H, 347HFG 등의 강종, 보다 구체적으로 T91, T92, X20, TP347H 등의 강종일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 크롬 산화물 피막 형성 방법에 의해 제조된 크롬 산화물 피막층이 더욱 균일하고 연속될 수 있다.
상기 크롬 산화물 피막층은 두께가 10 nm 내지 150 nm로 형성될 수 있다. 상기 범위 내에서, 크롬 산화물 피막층은 산화 스케일의 생성을 방지하고, 산화 스케일이 박리되는 것을 방지하며, 우수한 열 전달 효율을 유지하면서도 금속 모재가 고온의 증기와 반응하여 철산화물이 생성되는 것을 더욱 방지할 수 있다.
상기 보일러 튜브용 내열 부품은 재열기 및 과열기 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 크롬 산화물 피막 형성 방법에 의해 산화 스케일의 생성을 방지하고, 산화 스케일이 박리되는 것을 방지하며, 우수한 열 전달 효율을 유지하면서도 금속 모재가 고온의 증기와 반응하여 철산화물이 생성되는 것을 방지하는 효과에 의해 달성되는 경제적 효율성이 더욱 증대될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 금속 모재; 및 상기 금속 모재의 내표면 및 외표면 중 하나 이상의 면에 형성된 크롬 산화물 피막층; 을 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품에 관한 것이다.
이와 같은 보일러 튜브용 내열 부품은 전술한 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법에 의해 제조되는 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 보일러 튜브용 내열 부품은 철 산화물의 함량이 낮고 동시에 크롬 산화물의 함량이 높으면서도, 크롬 산화물 피막층과 금속 모재의 밀착력이 높아 산화 스케일 생성 및 표면 부식에 의한 손상을 방지하는 효과를 제공한다.
상기 크롬 산화물 피막층은 두께가 10nm 내지 150 nm로 형성될 수 있다. 상기 범위 내에서, 크롬 산화물 피막층은 산화 스케일의 생성을 방지하고, 산화 스케일이 박리되는 것을 방지하며, 우수한 열 전달 효율을 유지하면서도 금속 모재가 고온의 증기와 반응하여 철산화물이 생성되는 것을 더욱 방지할 수 있다.
상기 보일러 튜브용 내열 부품은 재열기 및 과열기 중 어느 하나일 수 있다. 이러한 경우, 산화 스케일의 생성을 방지하고, 산화 스케일이 박리되는 것을 방지하며, 우수한 열 전달 효율을 유지하면서도 금속 모재가 고온의 증기와 반응하여 철산화물이 생성되는 것을 방지하는 효과에 의해 달성되는 경제적 효율성이 더욱 증대될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 1 내지 9
하기 표 1에 표시된 바와 같이 크롬 함량이 서로 다른 금속 모재 시편 대해 산소 분압을 10-22 내지 10-14 ppm으로 제어하여 열처리를 수행하였다. 각 시편의 크기는 15mm×10mm×2mm이며, furnace에 넣은 다음, 기계 진공펌프로 furnace내부를 진공으로 만들고 다시 아르곤 가스를 가득 채운 후에 열처리 온도는 각각 600℃, 650℃, 700℃에서 최대 2시간 유지한 후 노냉하였으며, 투과전자현미경을 이용하여 시편의 단면 미세구조를 관찰하였다. 미세조직을 관찰하기 위해 집속이온빔장비를 이용하여 투과전자현미경 시편을 제작하였다. 투과전자현미경 관찰 시편 제작시 표면 내식층을 보호하기 위해 Carbon 에폭시 코팅하였다. 이를 통해, 철 산화물층 및 박리층 발생 여부를 판단하였으며, 박리층 또는 철산화물층이 발생하는 경우 O, 박리층 및 철산화물층이 모두 발생하지 않는 경우 X로 표시하였다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5 실시예 6 실시예 7 실시예 8 실시예 9
강종 T92 T92 T92 X20 X20 X20 TP347H TP347H TP347H
크롬 함량
(중량%)		 9 9 9 11 11 11 18 18 18
열처리 분위기 아르곤 아르곤 아르곤 아르곤 아르곤 아르곤 아르곤 아르곤 아르곤
산소 분압
(ppm)		 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14
열처리 온도
(℃)		 600 650 700 600 650 700 600 650 700
열처리 시간
(시간)		 2 2 2 2 2 2 2 2 2
서냉 온도
(℃)		 25 25 25 25 25 25 25 25 25
서냉 시간
(시간)		 1.6 1.7 1.9 1.6 1.7 1.9 1.6 1.7 1.9
박리층 발생 여부 × × × × × × × × ×
크롬 산화물 피막층 두께(nm) 50~60 55~65 57~70 100~120 105~120 110~122 50~70 53~80 60~83
비교예 1 내지 7
하기 표 2에 표시된 바와 같이 크롬 함량이 서로 다른 금속 모재 시편 대해 대기 분위기 또는 불활성 가스 분위기에서 열처리를 수행하였다. 열처리 온도는 600℃, 650℃, 700℃에서 최대 2시간 유지한 후 노냉하였으며, 투과전자현미경을 이용하여 시편의 단면 미세구조를 관찰하였다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 비교예 5 비교예 6 비교예 7
강종 T91 T92 X20 TP347H T22 T22 T22
크롬 함량
(중량%)		 9 9 11 18 2.25 2.25 2.25
열처리 분위기 대기 대기 대기 대기 아르곤 아르곤 아르곤
산소 분압
(ppm)		 2.1x103 2.1x103 2.1x103 2.1x103 10-22~10-14 10-22~10-14 10-22~10-14
열처리 온도
(℃)		 600 600 600 600 600 650 700
열처리 시간
(시간)		 2 2 2 2 2 2 2
서냉 온도
(℃)		 25 25 25 25 25 25 25
서냉 시간
(시간)		 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6 1.6
박리층 발생 여부 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
크롬 산화물 피막층 두께(nm) 10~20 10~20 8~20 6~15 0 0 0
실시예 10 내지 11 및 비교예 8
아르곤 가스 분위기에서 9% Cr을 함유한 T91 강의 신재(As Received)를 650℃(실시예 10) 및 700℃(실시예 11)에서 각각 6시간 열처리한 시편과 열처리 하지 않은 시편(비교예 8) 대해 650℃에서 실시간 증기산화시험을 시행한 후 무게변화를 측정하였다.
실시간 증기산화시험은 실시간 증기산화시험기(모델명: SETSYS EVOLUTION)를 사용하고, 시편 크기는 5mm×4mm×1.2mm로 하였다. 준비 한 시편을 장비 반응 furnace에 setting 하여 10°C/s 로 heating하고, 목표 온도 (650°C) 도달 후, 30min 유지 한 다음, 이와 동시에 증기 발생기 (WETSYS)로 80% humidity 증기를 반응 furnace에 넣었다. 실시간무게측정시스템으로 시편의 무게 변화를 최대 12시간 까지 측정하였다.
실시예 10 실시예 11 비교예 8
강종 T91 T91 T91
크롬 함량
(중량%)		 9 9 9
열처리 분위기 아르곤 아르곤 -
산소 분압
(ppm)		 10-22~10-14 10-22~10-14 -
열처리 온도
(℃)		 650 700 -
열처리 시간
(시간)		 6 6 -
서냉 온도
(℃)		 25 25 -
서냉 시간
(시간)		 1.7 1.7 -
최대 산화 속도
(mg/cm-2·hr)		 0.2 0.16 0.25
무게변화
(mg/cm-2)		 0.5 0.4 0.7
상기 표 3의 결과를 통해, 열처리를 하지 않은 비교예 8의 시편에 비해 650℃, 700℃에서 열처리한 실시예 10 내지 11 시편의 산화속도가 각각 30%, 40% 감소하는 것을 확인할 수 있다. 크롬 함량과 열처리 온도 및 시간에 따른 시험 결과 낮은 산소분압에서 열처리만으로 보일러 튜브 표면에 코팅 없이도 크롬 산화물 피막을 형성할 수 있다는 것을 확인하였다.
도 1은 본 발명 실시예 1의 보일러 튜브용 내열 부품의 예시적인 단면도이다. 첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 보일러 튜브용 내열 부품은 금속모재(100) 표면에 성형된 크롬 산화물 피막층(200)을 내식층으로 포함한다. 상기 크롬 산화물 피막층은 크롬 산화물(Cr2O3 및/또는 FeCr2O4)을 포함하고, 철산화물층의 형성을 방지하고, 산화 스케일 생성 및 표면 부식에 의한 손상을 방지하는 효과를 제공한다.
도 2는 본 발명 비교예 1의 보일러 튜브용 내열 부품의 단면도이다. 비교예는 헤마타이트 및 마그네타이트 층이 모두 형성되었으며, 이들 철산화물층과 크롬계-철산화물 층간의 박리가 발생하였다.
상기 도 1 및 도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이, 저 산소 분압 분위기에서 열처리된 본 발명의 실시예는 크롬 산화물 피막층이 균일하고 연속적으로 형성된 반면, 비교예 1의 보일러 튜브용 내열 부품은 부품 사용환경에 의해 헤마타이트 및 마그네타이트 층이 모두 형성되었으며, 이들 철산화물층과 크롬계-철산화물 층간의 박리가 발생함을 알 수 있다.
도 3은 본 발명 실시예 1~11의 보일러 튜브용 내열 부품에 사용된 강종의 엘링엄 다이어그램을 나타낸 것이다. 상기 도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1~11의 강종은 산소 분압이 10-22 ppm 내지 10-14 ppm인 저산소 분압 분위기에서 금속 모재 내의 철, 니켈, 구리 등의 산화를 억제하고, 크롬, 알루미늄 등을 선택적으로 산화시키는 효과를 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 4 내지 6은 본 발명 실시예 2, 5, 7의 보일러 튜브용 내열 부품의 단면 미세조직을 나타낸 전자 현미경 사진이고, 도 7 내지 9는 본 발명 실시예 2, 4, 7의 보일러 튜브용 내열 부품에 형성된 내식층의 주요 화학성분을 분석한 결과이다. 상기 도 4 내지 9를 통해, 본 발명 실시예가 보일러 튜브용 내열 부품이 내식층에 크롬 산화물(Cr2O3 및/또는 FeCr2O4)을 형성하며, 특히 고함량의 Cr 및 O 원자를 포함하는 크롬 산화물 피막층을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명 실시예 10, 실시예 11 및 비교예 8의 보일러 튜브용 내열 부품 시편에 대한 증기산화시험 후 무게 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 도 10의 그래프를 통해 본 발명 실시예가 보일러 튜브용 내열 부품 표면에 크롬 산화물 피막층이 효과적으로 형성되는 것을 알 수 있다.
100 : 금속 모재
200: 크롬 산화물 피막층
300: 철산화물층
301: 헤마타이트
302: 마그네타이트
400: 박리층

Claims (12)

  1. 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 금속 모재를
    10-22 ppm 내지 10-14 ppm 의 산소 분압 분위기에서 500℃ 내지 850℃의 온도로 열처리하여 상기 금속 모재의 내표면 및 외표면 중 하나 이상의 면에 크롬 산화물 피막층을 형성하는 것을 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소 분압 분위기는 진공 펌프로 산소 분압을 낮추는 방법으로 조성되는 것인 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산소 분압 분위기는 저 진공 상태에서 불활성 가스를 투입하는 방법으로 조성되는 것인 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 크롬 산화물 피막층은 밀도가 5.02 g/cm3 내지 5.22 g/cm3인 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 크롬 산화물 피막층은 두께가 10 nm 내지 150 nm로 형성되는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열처리는 1 시간 내지 10 시간 동안 수행되는 것인 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 이후, 금속 모재를 10℃ 내지 500℃의 온도에서 1 시간 내지 5 시간 동안 서냉하는 것을 더 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 보일러 튜브용 내열 부품은 재열기 및 과열기 중 어느 하나인 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열처리는 보일러 튜브의 제조 공정, 보일러 튜브 설치 공정, 보일러 튜브의 교체 공정 및 보일러 튜브가 설치된 보일러의 정비 공정 중 수행되는 것인 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법.
  10. 크롬을 9 중량% 내지 18 중량%로 함유하는 금속 모재; 및
    상기 금속 모재의 내표면 및 외표면 중 하나 이상의 면에 형성된 크롬 산화물 피막층; 을 포함하는 보일러 튜브용 내열 부품.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 크롬 산화물 피막층은 두께가 10 nm 내지 150 nm인 보일러 튜브용 내열 부품.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 보일러 튜브용 내열 부품은 재열기 및 과열기 중 어느 하나인 보일러 튜브용 내열 부품.
KR1020170154739A 2017-11-20 2017-11-20 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품 KR20190057602A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170154739A KR20190057602A (ko) 2017-11-20 2017-11-20 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170154739A KR20190057602A (ko) 2017-11-20 2017-11-20 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190057602A true KR20190057602A (ko) 2019-05-29

Family

ID=66672667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170154739A KR20190057602A (ko) 2017-11-20 2017-11-20 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20190057602A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113699480A (zh) * 2021-08-23 2021-11-26 华能国际电力股份有限公司 一种同时提高电站锅炉管内外壁耐蚀性能的方法及装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113699480A (zh) * 2021-08-23 2021-11-26 华能国际电力股份有限公司 一种同时提高电站锅炉管内外壁耐蚀性能的方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. High temperature steam-oxidation behavior of arc ion plated Cr coatings for accident tolerant fuel claddings
Copson et al. Effect of some environmental conditions on stress corrosion behavior of Ni-Cr-Fe alloys in pressurized water
KR100831578B1 (ko) 원자력용 우수한 내식성을 갖는 지르코늄 합금 조성물 및이의 제조방법
KR19990035962A (ko) 핵연료 어셈블리용 튜브 및 튜브 제조방법
KR101589008B1 (ko) Cr함유 오스테나이트 합금관 및 그 제조 방법
US20090123775A1 (en) Method for producing Cr containing nickel-base alloy tube and Cr containing nickel-base alloy tube
KR101493574B1 (ko) 원자력 플랜트용 금속관의 열처리 방법, 및 그에 이용하는 배치식 진공 열처리로, 및 그에 의해 처리된 원자력 플랜트용 금속관
JP6734867B2 (ja) 優れた腐食抵抗性を有する核燃料被覆管用ジルコニウム合金及びその製造方法
GB1559069A (en) Gamma prime hardened nickel-iron based superalloy
Lu et al. Preparation and characterization of slurry aluminide coating on Super304H boiler tube in combination with heat-treatment process
CN114411145B (zh) 减少高温服役下不锈钢表面熔覆涂层裂纹的方法
TW202117749A (zh) 鋯合金核燃料棒上陶瓷塗層之物理氣相沉積
KR20190057602A (ko) 보일러 튜브용 내열 부품의 크롬 산화물 피막 형성 방법 및 보일러 튜브용 내열 부품
Foster et al. ZirloTM cladding improvement
KR102227228B1 (ko) 자가치유 초내열 니켈합금
Payne et al. Influence of grain boundary microstructure on the susceptibility of alloy 600 to intergranular attack and stress corrosion cracking
Jacobs et al. Low-temperature annealing: a process to mitigate irradiation-assisted stress corrosion cracking
JP3900847B2 (ja) フェライト系耐熱鋼の加工方法
CN109913795A (zh) 锅炉管用奥氏体耐热钢及其表面化学热处理工艺
Henry et al. Tensile behaviour of 9Cr–1Mo tempered martensitic steels irradiated up to 20 dpa in a spallation environment
CN109554610A (zh) 一种核电安注箱用钢板及其生产工艺
KR101624736B1 (ko) 열전도도가 향상된 Alloy 690 규칙화 합금의 제조방법 및 이에 의해 제조된 Alloy 690 규칙화 합금
Pint et al. Effects of Alloy Composition and Surface Engineering on Steam Oxidation Resistance
CN111705195A (zh) 一种含Nb奥氏体耐热钢沉淀强化热处理工艺
JPH01159362A (ja) Ｎｉ基合金伝熱管の熱処理方法