KR940001141B1 - 터어빈 로우터와 슈퍼히터 및 리히터 튜브재료 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

터어빈 로우터와 슈퍼히터 및 리히터 튜브재료

제1도는 9-12% Cr강에 있어서 파단응력과 라슨-밀러 계수간의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 발전소 터이빈 로우터(Turbine Rotor)및 원자력 반응로에 사용되는 슈퍼히터 튜브(Superheater tube) 및 리히터 튜브(Reheater tube)에 사용되는 크롬강의 내부조직을 안정시켜 고온에서 운전시 그 수명을 연장시킬 수 있는 합금재에 관한 것으로 더 상세하게는 크롬 9-12% 함유 합금강에 소량의 몰리브덴, 바나디움, 니오비윰, 질소를 첨가하여 고온에서의 수명을 연장하는 방법을 개량한 것으로 이에 란탄(La), 루테니움(Ru), 파라디움(Pd), 텅그스텐(W), 티타니윰(Ti), 질코니움(Zr)등의 원소를 소량 첨가하므로써 그 수명을 더욱더 연장시키는 방법에 관한 것이다.

에너지 소비구조로 볼 때 발전소에서의 연료사용 비중은 매우 높으며 여기에서 열효율을 높이는 기술은 다방면으로 연구되고 있으며 특히 높은 온도의 증기를 사용, 열효율을 향상시키기 위하여 고온에서 운전시 그 수명을 연장시킬 수 있는 터어빈 로우터에 대한 연구가 계속되고 있다.

이와같은 터어빈 로우터재로 1%, Cr, Mo, V 계통의 강으로는 550℃ 정도까지 사용가능한 것으로 알려져 있고 9-12%의 Cr강이 좀더 높은 온도에서도 안정한 소재로 알려져는 있으나 600℃ 정도 이상에서 장시간 사용될때 그 금속조직이 점차 변화하여 강도가 떨어지는 현상을 나타내어 그 수명이 단축되는 등의 문제점이 있으며 그 주요 이유는 강중에 함유된 탄소가 탄화물을 형성하여 점차 조대(粗大)하게 되기 때문이며 이를 방지하기 위하여 이에 소량의 몰리브덴, 바나디움, 니오비윰, 질소등을 첨가하여 고온에서의 조직변화를 방지하는 기술등이 알려져 있으나 고온에서 장시간 운전시 금속내 조직의 안정을 유지, 그 수명을 더욱 연장해야 하는 과제는 이 분야에서 계속되는 연구과제로 되어 있다.

본 발명자들은 오랫동안 각종 실험끝에 크롬을 9-12% 함유한 강에 소량의 몰리브덴, 바나디움, 니오비윰, 질소등을 첨가한 후 소량의 란탄, 루테니움, 파라움, 텅그스텐, 티타니윰, 질코니움의 6개 원소를 단독 또는 복수로 첨가한 결과 고온에서의 탄소화합물의 조대화가 현저하게 억제되어 결과적으로 고온에서의 수명이 현저하게 연장되는 사실을 발견하게 되었다.

이러한 현상은 이들 원소가 첨가되므로서 더욱더 강력한 탄화물 또는 질화물 등을 만들어 고온에서도 유리나 조대됨이 없이 안정화되기 때문으로 보여진다.

본 발명 강의 화학 조성은 탄소 0.08 내지 0.20중량%, 규소 0.1 내지 0.3중량 %, 망간 0.30 내지 0.70중량%, 니켈 0.40 내지 0.85%, 크롬 9.0 내지 13.0량%, 몰리브덴 0.30 내지 1.00중량%, 바나디움 0.10내지 0.30중량%, 텅그스텐 0.30 내지 3.0중량%, 니오비윰 0.03 내지 0.08중량%, 질코니움 0.02 내지 0.08중량%, 티타니움 0.02 내지 0.08중량%, 란단 0.01 내지 0.08중량%, 루테니움 0.01 내지 0.08중량%, 파라디움 0.01 내지 0.08중량%, 질소 0.030 내지 0.090중량% 및 잔부는 철과 합철, 또는 제조과 정중 불가피하게 혼입되는 불순물로서 유황 0.08중량% 이하, 알미늄 0.02중량% 이하와 산소 0.015중량% 이하로 구성된다.

다음에는 본 발명 강의 성분을 상기와 같이 한정한 이유에 대해서 기술한다.

탄소는 그 함량이 0.08중량% 이하로 되면 550-650℃에서의 경화에 의한 강도가 생기는 특성이 적어지게 되고, 0.20중량% 이상이면 고온에서 장시간 사용중에 탄화물이 너무 조대화하여 수명이 급히 단축된다.

규소는 강의 제조과정에서 필요한 탈산재로써 사용된 후 일부가 강에 잔존하게 되는데 0.1중량% 이하이면 탈산이 부족하여 강이 성질이 불량하게 되어 하한으로 설정했고, 0.3중량%를 초과하면 탄화물을 분해하여 성장을 촉진하므로 고온에서 장시간 수명이 불리하므로 상한으로 정했다.

망간은 경화능을 상승시키고 자경성이 있어서 강화효과가 있으나 과다하면 인성(靭性)을 저해하므로 이러한 효과가 있는 텅그스텐, 란탄, 바나디움등과이 통합효과를 고려하여 상한을 0.70중량%로 정하였으며, 망간이 너무 적으면 강중에 함유되는 유황이 유화철을 형성하여 적열취성이 있고, 경화능을 향상시키기 위하여 하한선을 0.30중량%로 했다.

니켈은 망간과 더불어 인성을 부여하는 원소로서, 망간 첨가량에 따라 첨가량은 조절될 수 있으나 그 하한을 0.40중량%로 하였고, 양이 많으면 탄화물을 분해하여 조직을 불안정하게 하는 효과가 있으므로 상한을 0.85중량%로 하였다.

크롬은 고열 분위기에서 내산화성(내부식성)이 있고, 탄소가 결합하여 강한 탄화물을 형성하므로서 550-700℃ 부근에서 2차 경화를 일으켜 고온강도를 향상시킨다. 이러한 성질들의 하한이 9.0%이며, 과다하면 열전도도가 떨어져서 가열과 냉각시에 열응력을 유발하여 피로 수명을 단축하기 때문에 상한을 13.0중량%로 하였다.

몰리브덴은 강한 탄화물을 형성하여 고온강도를 부여하고 이중에 포함된 몰리브덴이 입계의 인(湮)과 결합하여 인(湮)에 의한 뜨임취성을 크게 완화하는 효과가 있다. 몰리브덴 1.0중량% 이상이 되면 이러한 유익한 효과가 거의 소멸한다. 그리고, 몰리브덴 1.0%까지는 충격특성을 개선한다. 이러한 두가지 특성을 고려하여 몰리브덴의 상한을 1.0중량%로 정하였다.

바나디움은 철에 고용되어 인장강도를 상승시키고, 강한 탄화물을 만들어 고온에서 경화하므로서 뜨임취성을 완화하여 고온강도에 기여한다. 그래서 하한을 0.10중량%로 하였다. 그러나, 그 양이 많으면 훼라이트(ferrite) 조직을 형성하므로 강도가 약화한다. 따라서 상한을 0.30중량%로 하였다.

텅그스텐은 탄소와 친화력이 강하여 매우 경(硬)한 탄화물을 만들어 고온에서 2차 경화(硬化)가 일어나 강도를 증대시킨다. 이러한 효과를 얻기 위하여 하한을 0.30중량%로 하였다. 그 양이 많으면 인성(靭性)을 저하시키고 입계부식이 발생한다. 그래서 상한을 3.0중량%로 하였다.

니오비윰(Nb)는 안정한 금속간 화합물(inter-metallic compound)인 Fe₃Nb₂를 만들어 고온강도를 증대시키고 고온에서 강도에 유해한 델타 훼라이트(delta-ferrite)형성을 억제하는 효과가 있다. 그리고 용강중에서 탈산효과가 있고 입자를 미세하게 한다. 이러한 효과를 목적으로 하한을 0.03중량%로 하였다. 많으면 탄화물을 만들어 그 입자크기가 조대하기 때문에 고온강도를 크게 저하시킨다. 그래서 상한을 0.08중량%로 하였다.

질코니움과 티타니움은 다같이 강한 탈산소 효과가 있어서 강의 청정도를 향상시키고 입자를 미세화하여 강도를 증대시킨다. 또한 질화물을 만들어 고온강도를 증대시킨다. 이러한 효과를 목적으로 0.02중량% 이상으로 첨가하였다. 그 양이 많으면 훼라이트를 형성하여 고온강도를 저하시키므로 상한을 0.08중량%로 하였다.

란탄, 루테니움 그리고 파라디움은 모두 강한 탄화물을 형성하여 고온강도를 증대시키므로 하한을 0.01중량%로 설정했다. 양이 많으면 인성(靭性)을 크게 저하시켜 유해하므로 상한을 0.08중량%로 설정했다.

질소는 질화물을 형성하여 고온강도를 증대시키므로 하한을 0.030중량%로 설정했다. 그 양이 많으면 불순물처럼 거동하여 상온과 고온에서 강도를 저하시키므로 상한을 0.090중량%로 설정했다.

유황, 알미늄, 산소는 제조과정에서 불가피하게 함유되는 불순물로서 강도를 저하시키기 때문에 적을수록 좋으나 현재 제조기술로서 용이하게 관리할 수 있는 한도를 각각 상한으로 설정하였다.

[실시예]

종래 터어빈 로울터 재료로 미국(G. E)에서 개발하였던 성분(비교강 A)과 일본(동경대)에서 개발하였던 성분(비교강 B)및 원자력 반응로에 사용되는 슈퍼히터 튜브와 리히터 튜브 재료로 사용되는 유럽에서 개발하였던 성분(비교강 C)과 같은 계열의 발명대상강(비교강 A 및 B계열 ; 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 비교강 C계열 ; 9, 10)의 화학조성을 표 1에 표기했다.

[표 1]

같은 조건에서 성질을 비교하기 위하여 계열강별로 동일 조건으로 제작한 시편을 각 성분별로 3개씩 만들어 미국 ATS형의 크리이프 시험로에서 680℃의 온도에서 8kgf/㎟응력을 걸어서 파단될 때까지이 시간을 표 2에 표시하였다. 그리고, 이 강종의 응력과 리슨-밀러 계수와의 시험 곡선(제1도)을 참조하여 660℃ 경우에서 100,000시간 지속하는데 최대 부하응력을 계산하여 함께 표 2에 표시하였다. 표 2에서 비교강에 비하여 본 발명대상강이 파단까지이 수명이 길고, 100,000시간 지속하는 부하응력이 높게 산출된다.

[표 2]

* 600℃ 경우에서 100,000시간 지속할 수 있는 최대응력을 예측하는 방법은 제1도를 참조하여 다음의 라슨-밀러 방정식으로 계산하였다.

[수학식 1]

P=T(C÷log tr)

T : K, tr : 시간, C=20

이상 기술한 바와같이 본 발명강은 종래 사용되어 왔던 터어빈 로우터 재료와, 원자력 반응로에 사용되는 슈퍼히터 튜브와 리히터 튜브 재료에 미량의 합금원소를 효과적으로 함유시켜 월등히 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (1)

1. 크롬을 9-12중량% 함유하고 몰리브덴, 바나디움, 니오비윰 및 질소등이 함유된 발전용 터어빈 로우터, 슈퍼히터 튜브 및 리히터 튜브 재료에 있어서, 란탄 0.01-0.08중량%, 루테니움 0.01-0.08중량%, 파라디움 0.01-0.08중량%, 티타니움 0.02-0.08중량% 및 질코니움 0.02-0.08중량% 1종 이상이 함유됨을 특징으로 하는 터어빈 로우터와 슈퍼히터 및 리히터 튜브 재료.