이 원고는 일본 《電氣現場技術》誌에서 번역 전재한 것입니다.석탄 화력 발전소 보일러 설비에 있어, 석탄용 보일러 고유 과제의 하나로서, 재나 부식에 따른 보일러 전열관의 마모감육(corrosion wastage)이 있어, 경년 보일러 화로 전열관, 과열기관, 재열기관, 철탄기관 등의 갱신요인이 되고 있다.보일러 전열관 마모 감육 대책으로서, 용사 피막에 의한 전열관 표면의 개질처리가 유효 하다고 생각된다. 그러나, 현재 보일러 전열관의 대표적인 내마모용사재로 Cr3C2 - NiCr 시멘트 재(이하, 크롬 커버이드라 한다) 및 재료·시공 비용에 따른 경제성의 문제가 있어, 충분히 극복 할 수 없는 것이 현실이다. 따라서, 고온 환경에 있어서 기술적 과제를 극복하고 부재의 긴 수명화를 가능하게 하는 용사재를 개발하는 것으로, 정기 사업자 검사에 있어서 보수·유지비용의 저감 및 보일러 전열관 취체의 연명화에 의한 갱신비용의 삭감이 가능해지고, 보일러 전열관 마모 감육도 감소해 발전공급의 안전화에 기여할 수 있다고 여겨짐에 따라, 홋카이도전력은 토오카로(주)와 공동으로 고온용 내마모용사재의 개발에 몰두했다. 그 결과, 크롬 커버이드과 비교해 고온견고성, 내마모 특성, 내열사이클 특성 등에 뛰어난 용사재료를 개발해, 2003년 8월에 홋카이도전력 쿠우토우코우신 2호 보일러 전열관의 일부에 부착해 실증시험을 행하고 있다. 본고에서 개발한 용사 피막 실험실에서 시험 결과에서 종래의 용사 피막과 비교해 뛰어난 특성을 가지고 있는 것에 대해 보고한다.

개발 피막의 특성 평가 (시험 및 결과)1. 강도 특성각 용사 피막 열처리(650℃)에 따른 강도 변화 특성을 <그림3>에 나타냈다. 또한, 강도 수치는 가열로에서 추출해, 상온에서 실행한 측정치이다. BIC 용사 피막은, 용사 후의 피막 강도는 Hv950정도와 기대한 정도의 수치는 아니지만, 같은 피막에 650℃ 의 열처리를 하면, 강도는 상승해, 100Hr에서는 평균 Hv1250과 약 30% 상승이 확인돼, 그 후에도 안정된 강도를 보유하고 있다.650℃의 가열 유지라는 열처리는 보일러에서 사용할 때 자동 열처리라고 기대해도 좋아서, 실제 보일러 등에서 고온 환경에 맞는 피막이라 할 수 있다.크롬 커버이드 등의 시멘트 용사 피막 안에는, 용사 후 고온 가열(50Hr정도)을 실행하려 강도가 상승하는 특성(가열 시 확산 소결하는 것에 의해, 분자간의 결함 강도가 상승한다)을 갖고 있는 것이 있지만, 장시간 유지하면 변질 등에 의해 저하하는 경향이 보인다. 그러나 BIC는 안정된 강도를 지녀, 장시간 고온 하에서의 안정된 내마모 특성을 기대할 수 있다.2. 고온 강도 특성각 용사 피막의 고온 강도 특성을 <그림4>에 나타냈다. (사용기구 : 고온 경도성 강도 시험장치 AVK-H, 상온~800℃, 하중1kg) 크롬 커버이드는, 상온에서 강도가 Hv1100정도지만, 600℃에서는 800정도까지 저하한다.그러나, BIC는 600℃에서도 Hv1000정도를 유지하고 있어, 고온 하에서의 강도 저하가 적은 것을 알 수 있다. 앞으로도, BIC는 고온 환경에 있어서 안정된 경도특성을 가지고 있을 것이라 할 수 있다.3. 내마모 특성실제기계 보일러 고온 환경에서의 용사 피막 내마모 특성을 파악하기 위해, 고온 에로존 시험 장치를 사용해, 가속 시험을 실시했다. 평가 수법은 표면거침계에 의한 마모 깊이로 실행했다. 시험 결과를 <그림5>에 나타냈다.(사용 장치 : 고온 에로존 시험 장치, 온도 600℃, 흐름속도 90m/s, 블래스터 재 : 석탄회) BIC는 크롬 커버이드와 비교해 30%정도 마모 깊이가 적고, 또한 STBA 24와의 비교로는 1/7정도의 마모 깊이였다. 이 결과에서 고온 환경에 놓인 BIC는, 크롬 커버이드 이상의 내마모성을 가지고 있다고 생각할 수 있다. 그러나, 실제 보일러에서는 산화와 마모가 동시에 일어난다고 여겨져, 본 시험에서는 산화막에 대해서는 고려하지 않은 결과이다. 따라서 본 가속 시험은 실제 기계에서의 환경을 완전하게 모의하고 있지 않지만, 피막 자체의 파쇄강연성을 비교하는 데는 유효하다고 여겨진다.4. 내열사이클 특성보일러 전열관 등에 용사를 시공했을 경우, 선팽창계수에 차이가 있으면, 기동·정지 시 등 열사이클에 의한 용사피막과 보일러 전열관 등 과의 경계면 그리고 용사 피막 자체의 크락크 발생 등이 염려된다. 보일러 전열관(Ø45×40L×4t)에 각 용사를 시공(막후 300~500㎛)해, 가열로에 가열·냉각의 열사이클을 가해 건전성의 확인시험을 실행했다. 또한, 보일러 전열관은 선팽창계수의 크기 SUS347HTB (선팽창계수 : 17.7 10-6/℃, 참고STBA24 : 13.5×10-6/℃)를 사용해, 보다 엄격한 환경하에서 했다.또한, 가열 및 냉각 사이클의 조건은, 20℃~800 ℃까지 상승·하강을 6.5℃/min로 해, 그 사이 800℃ 에서 1Hr 유지 시험을 5사이클 2회 실행했다.시험 후에 BIC 및 크롬 커버이드 피막의 외관 및 광학현미경에 따른 단면 관찰을 <그림6><그림7>에 나타냈다.BIC는 10사이클 이상의 시험 후에도 건전 현상을 유지하고 있다. 이에 대해, 크롬 커버이드는 5사이클 이내의 시험에서 축 방향으로 거시적 크락크가 확인 되어, 보일러 전열관과의 경계면에 박리도 확인됐다. 용사 피막 두께도 크롬 커버이드가 300㎛에 대해, BIC는 500㎛와 후육으로 시공함에도 불구하고 건전해 지는 것으로, 높은 내열 사이클 성을 갖고 있다고 여겨진다. 여기서, BIC와 크롬 커버이드의 열물성직을 <표2>에 나타냈다.이 결과로부터, BIC와 크롬 커버이드는 열물성질이 대략 동등(열 사이클 때에 동등 최대 열응력이 발생하고 있다고 여겨진다.)함에도 불구하고, BIC가 놓은 내열 사이클 성을 나타내는 것은 피막의 파괴인성이 뛰어나기 때문이라고 추정된다.내마모 시험 및 내열 사이클 시험에서 얻을 수 있었던 결과로부터, BIC는 고온 내마모성과 내열 사이클을 양립하는 재료라는 것을 알 수 있다.이것은, 붕화물과 IMC의 복합화에 의한 효과라고 여겨진다. 5. 내 산화 특성 BIC 및 크롬 커버이드의 내 산화성을 비교하기 위해, 10㎜ 각의 평판 시료에 각 용사를 시공해, 피막 표면을 굵기 Ra=0.1이하의 경면 상태로 한 시료를 준비해, 대기 중 650℃ 및 950℃로 30Hr의 가열 유지를 실행 했다. 시험 후의 표면 관찰 결과를 <표3>에, 산화 막 표면에서 광 전자분 광 분석 장치(이하 XPS라 함)에 따른 정량분석 결과를 <표4>에 나타냈다. 관찰 및 분석 결과, 크롬 커버이드에 생기는 산화막은 주로 Cr2O3이고, 방물선 측을 따르기 때문에 800℃이하의 온도에서는 안정 박막 상황을 유지하지만, 그 이상의 온도역에서는 박리 산화 형태로 이동 한다.이것은 <표4>에 나타낸 광전자분 광분석 (XPS)에 따른 산화막의 정량 분석 결과로부터 입증된다. 같은 모양의 BIC에 생기는 산화막도 주로 Cr2O3인 것을 알 수 있지만, 그 이외의 안정 산화막 형성 원소(Ni, Al)가 포함돼 있기 때문에 안정성이 향상하고 있다고 추정할 수 있다.보일러 안에서의 에로존 및 열 사이클 환경 하에서는, 산화막의 파괴·박리와 재생이 반복되고 있다고 여겨져, 성장 속도가 빠른 산화막에서는 성장량도 소비량도 필연적으로 많아진다. 이로인해, 애쉬어택 등 존재하는 고온환경 하에서는 내산화특성이 중요하며, 희박하게 안정돼 있는 쪽이 보다 바람직하다고 여겨진다.실기 장착 시험이상의 실험실에서의 평가 시험에 의해, 크롬 커버이드와 비교해 각 특성이 뛰어나다는 것을 알 수 있었던 것으로부터, 2003년 8월의 홋카이도전력 쿠우토우코우신 2호기 정기 사업자 점검 때에 보일러 전열관의 일부에 정착해 실증시험을 개시했다.장착 부분은 다음과 같다.① 화로측 벽관 데스 락카 회전판넬 (1.5m 2m : 1곳)② 최종 과열기직관 (2m : 1대)<그림8>에 쿠우토우코우신 2호 보일러의 BIC 장착 상황을 나타냈다.석탄 지피기 보일러의 문제 중 하나인 에로존 대책으로서, 고온 내마모성과 내열 사이클을 양립하는 용사 피막의 개발에 몰두해, 붕화물과 IMC 복합재료에 착안해 여러 가지 복합화 분말 재료의 시험 제작·검토를 반복한 결과, 유효한 특성을 가진 용사 피막 BIC를 개발했다.본 실증 시험에서 개발 용사재 피막 BIC의 성능 평가에 대해서는, 2년 혹은 4년 후의 정기 사업자 검사 때 실시할 예정이지만, 실험실 등의 시험 결과로부터, 실제 기계에 있어도 크롬 커버이드 이상의 내마모 특성, 내열사이클 특성 등을 갖고 있는 것이라고 확신하는 것이다.다음에는, 본사 보일러 설비 등의 적용에 의해 보일러 전열관 취급 등 연명화에 따른 가격 절감에 반영할 예정이다. 또한, 그밖에 보일러 설비, 고온 환경 분야(철강, 제철 플랜트 등에서 시험 검토 중이므로, 앞으로 적용을 확대해 나갈 예정이다.

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