대부분의 용융 아연 도금 설비에 사용되고 있는 소재는 SM45C(기계구조용 탄소강, KS규격)으로, 주로 저렴한 가격적인 측면에 의해 사용되고 있다. 용융 아연 도금의 특성상 해당 용탕에서 발생되어 올라오는 Zn Fume과 고온의 열에 의한 도금 설비의 산화가 발생되고 있으며 현재 용융 아연 도금 설비의 교체 주기의 시기는 6개월으로 많은 시간과 설비 비용이 낭비 되어오고 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 소재들(Inconel625, STS304, SM45C)을 이용하여 고온과 Zn Fume 환경에서 강제로 산화 시켜 각각의 부식성을 확인하고 비교 분석하였으며, 각 소재들의 용융 아연 도금 현장 설비에 적용 가능성을 파악하고자 진행하였다. 강제 산화 실험은 650도의 대기로 내에 Zn 용탕을 두고, Ar 가스를 용탕 내에서 직접 버블링하여 Zn fume를 발생시켜 고온, Zn fume에 의한 부식을 행하는 실험을 하였다. 30일 후 Sample들을 꺼내어 표면의 산화층을 EDS, SEM으로 확인하고, 동전위분극 시험을 이용하여 부식성을 비교 분석하였다.
대부분의 용융 아연 도금 설비에 사용되고 있는 소재는 SM45C(기계구조용 탄소강, KS규격)으로, 주로 저렴한 가격적인 측면에 의해 사용되고 있다. 용융 아연 도금의 특성상 해당 용탕에서 발생되어 올라오는 Zn Fume과 고온의 열에 의한 도금 설비의 산화가 발생되고 있으며 현재 용융 아연 도금 설비의 교체 주기의 시기는 6개월으로 많은 시간과 설비 비용이 낭비 되어오고 있다. 이에 본 연구에서는 다양한 소재들(Inconel625, STS304, SM45C)을 이용하여 고온과 Zn Fume 환경에서 강제로 산화 시켜 각각의 부식성을 확인하고 비교 분석하였으며, 각 소재들의 용융 아연 도금 현장 설비에 적용 가능성을 파악하고자 진행하였다. 강제 산화 실험은 650도의 대기로 내에 Zn 용탕을 두고, Ar 가스를 용탕 내에서 직접 버블링하여 Zn fume를 발생시켜 고온, Zn fume에 의한 부식을 행하는 실험을 하였다. 30일 후 Sample들을 꺼내어 표면의 산화층을 EDS, SEM으로 확인하고, 동전위분극 시험을 이용하여 부식성을 비교 분석하였다.
The material normally used in hot dip galvanizing facilities is SM45C (carbon steel for mechanical structure, KS standard), mainly because of its price. During this process, the oxidation of the plating facility occurs due to the heat of the Zn fumes coming from the molten zinc. Since the cycle time...
The material normally used in hot dip galvanizing facilities is SM45C (carbon steel for mechanical structure, KS standard), mainly because of its price. During this process, the oxidation of the plating facility occurs due to the heat of the Zn fumes coming from the molten zinc. Since the cycle time of the current facilities is 6 months, much time and money are wasted. In this study, the corrosive properties of various materials (Inconel625, STS304, SM45C) were investigated by oxidation in a high temperature and Zn fumes environment. The possibility of applying the hot-dip galvanizing equipment was investigated for each material. The Zn fumes were generated by directly bubbling Ar gas into Zn molten metal in a 650 degree furnace. High-temperature, Zn fumes corrosion was conducted for 30 days. The sample was removed after 30 days and the oxidation of the surface was confirmed with EDS and SEM, and the corrosion properties were examined using potentiodynamic polarization tests.
The material normally used in hot dip galvanizing facilities is SM45C (carbon steel for mechanical structure, KS standard), mainly because of its price. During this process, the oxidation of the plating facility occurs due to the heat of the Zn fumes coming from the molten zinc. Since the cycle time of the current facilities is 6 months, much time and money are wasted. In this study, the corrosive properties of various materials (Inconel625, STS304, SM45C) were investigated by oxidation in a high temperature and Zn fumes environment. The possibility of applying the hot-dip galvanizing equipment was investigated for each material. The Zn fumes were generated by directly bubbling Ar gas into Zn molten metal in a 650 degree furnace. High-temperature, Zn fumes corrosion was conducted for 30 days. The sample was removed after 30 days and the oxidation of the surface was confirmed with EDS and SEM, and the corrosion properties were examined using potentiodynamic polarization tests.
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문제 정의
본 연구는 용융아연도금 설비의 수명과 성능향상을 위해, 다양한 소재들을 이용하여 고온, Zn fume 환경에서 산화 시켜 각각의 부식성에 대해 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.
Zn 용탕에서 나오는 Zn fume은 설비들에 부착되어 설비의 변형, 부식 등을 초래한다. 본 연구에서는 실제 설비들의 환경(주변 온도 : 100-200℃, 용탕에서 설비 까지 거리 : 1m)보다 극한 환경을 제작, 설치하여 고온(650℃, 용탕의 융점 차이로 인해 다른 온도에서 실시함)의 furnace 내에서 용융아연에 아르곤 가스를 주입하여 Zn fume를 발생시켜 각 시험편의 부식 정도를 비교 분석해 보았다.
제안 방법
furnace내 온도 650℃를 유지, 알루미나 도가니에 Zn를 20kg 녹여서 해당 용탕에 Ar gas 를 주입하여 Zn fume을 계속해서 발생 시켰다. Zn 용탕과 Sample 홀더의 간격은 약 50cm 이며, Sample(Ni Alloy(이후 Inconel625), STS 304, SM45C)들을 모두 홀더 위에 올려 놓고 30day 후 꺼내어 분석을 실시 하였다. Fig.
각 소재별로 고온, Zn fume환경에서 부식시간 및 소재에 따른 표면 특성 분석(SEM, EDS)과 내식성 특성 분석(동전위분극)을 실시하였다. 동전위분극 시험은 각 소재들의 부식 전과 후를 비교 분석하기 위하여 원소재들도 함께 진행하였다.
각 소재별로 고온, Zn fume환경에서 부식시간 및 소재에 따른 표면 특성 분석(SEM, EDS)과 내식성 특성 분석(동전위분극)을 실시하였다. 동전위분극 시험은 각 소재들의 부식 전과 후를 비교 분석하기 위하여 원소재들도 함께 진행하였다.
본 연구 전 단계에서는 용탕의 종류에 따라 고온 내열설비에 우수하다[3-5]는 니켈 합금의 산화 특성을 파악하여 설비에 부분적으로 교체를 한다면 설비의 교체 주기를 늘릴 수 있다는 결론을 내렸었는데[2], 니켈 합금은 고온 내열에 강하지만, 가격이 높은데다가 높은 융점, 그리고 난 가공성을 가지고 있어[6,7] 산업 설비를 갖추어 사용 하는데 에는 무리가 있다고 판단하였다. 따라서 내식성이 강한 대체 소재로 가장 많이 사용되고 있는 STS계열을 염두 해 두었으며 그 중에서도 가격 및 가공도 등을 고려하여 STS304(KS 규격)를 선택하였다. STS310과 STS316또한 내식성 및 내열성이 좋다고 알려져 있지만 STS304에 비하여 가격이 고가인 것을 고려하여 배제 하였다.
마지막으로 정확한 내식성 특성을 알아보기 위해 동전위 분극 시험을 실시하였으며 분석 조건으로 전해질용액은 식염수 (0.9% NaCl), Scan Rate (mV/s) 는 10으로 하였다.
부식률의 정확한 파악과 비교분석을 위해 강제부식을 하지 않은 원소재(bare)를 측정한 후에 고온, Zn fume의 분위기에서 30일간 강제 부식한 소재들도 같은 조건으로 동전위 분극실험을 실시하였다. 다음 Fig.
대상 데이터
따라서 내식성이 강한 대체 소재로 가장 많이 사용되고 있는 STS계열을 염두 해 두었으며 그 중에서도 가격 및 가공도 등을 고려하여 STS304(KS 규격)를 선택하였다. STS310과 STS316또한 내식성 및 내열성이 좋다고 알려져 있지만 STS304에 비하여 가격이 고가인 것을 고려하여 배제 하였다.
Zn fume 부식 테스트에 이용할 각 Sample들은, Inconel625, STS304, SM45C는 판재를 구입하여 20×20mm 사이즈로 절단하여 sand paper 300, 600, 1200, 2000의 연마지를 이용하여 연마하여 사용하였으며, 알콜 세척 후 실험을 실시하였다.
성능/효과
1. 소재의 종류에 따라 생성되는 산화물의 형태와 성분이 달라 산화물의 생성거동이 다름을 확인 하였다.
2. 강제 산화 전인 bare 상태에서는 Inconel625, STS304 보다 SM45C가 가장 안정하여, 더욱 낮은 부식률을 가지는 것을 확인 하였다.
3. 장기간 고온, Zn Fume의 분위기에서 사용될 때의 소재는 Ni base 소재인 Inconel625보다 STS304가 더 우수함을 확인 하였다.
Fig. 7과 Table1에 bare 값을 먼저 보면 알 수 있듯이 bare 상태에서는 전체적으로 비슷한 형상의 그래프를 그리고 있었고, Ecorr 값이 가장 낮아, 표면에서 발생하는 전위가 가장 낮게 나타나는 것을 확인 할 수 있었지만, Icorr의 값은 SM45C가 3.78×10-8 A의 값으로 가장 낮은 전류밀도를 가지면서 결과 적으로 상온에서 부식을 진행하지 않은 상태에서는 SM45C가 가장 좋은 결과를 보였다.
Fig. 7에 강제산화를 실시한 동전위 그래프의 결과(Zn fume 30day)를 인해 보면 한 눈에 보아도 STS304의 그래프가 눈에 띄는 것을 확인 할 수 있었으며 나머지 Inconel625와 SM45C 두 가지의 그래프와는 달리 끝부분에서 약간의 부동태영역이 한번 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 표면에 넓게 형성된 FeZnO 형태의 산화물이 산화피막의 형태로 적용되어 잠깐 동안 부식을 억제 하는 형상을 보여 약간의 부동태영역을 보인 것으로 판단된다.
Inconel625와 SM45C의 경우 미리 예상은 한 결과 이었지만 STS304의 경우 예상한 것 보다 더 얇은 층의 산화물 두께를 형성하였는데 고온, 내열성이 좋다고 알려져 있는 Ni 합금 Inconel625보다 더 좋은 결과라고 볼 수 있었다.
우선 강제산화 후 육안으로 Sample을 확인해 보면, Sample들 표면에 산화물로 추측되는 물질들이 확인이 되었으며 조금씩 다른 형상을 보였다. Inconel625의 경우 표면이 전체적으로 매끈해 보였으며, 작은 알갱이 같은 산화물이 형성되어 있음을 확인 했고, STS304의 경우 표면에 Inconel625의 산화물로 보이는 것보다 조금 더 큰 크기의 산화물이 형성되어 있음을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 SM45C의 경우는 표면에 산화물 덩어리는 형성되어 있지 않았지만 전체적으로 산화가 심하게 일어나 표면 전체가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다.
Inconel625의 경우 표면이 전체적으로 매끈해 보였으며, 작은 알갱이 같은 산화물이 형성되어 있음을 확인 했고, STS304의 경우 표면에 Inconel625의 산화물로 보이는 것보다 조금 더 큰 크기의 산화물이 형성되어 있음을 확인 할 수 있었다. 마지막으로 SM45C의 경우는 표면에 산화물 덩어리는 형성되어 있지 않았지만 전체적으로 산화가 심하게 일어나 표면 전체가 일어나는 것을 확인 할 수 있었다. Inconel625와 STS304는 산화물로 추정되는 물질의 크기 정도 차이만 있었으며, SM45C는 전체적인 산화가 있었던 것 이라고 판단된다
5에는 각각 베이스인 금속이 Ni 과 Fe로써, 산화 생성 방향이 다름을 확인하기 위해Inconel 625와 SM45C만을 나타내었다. 맵핑의 결과로 알 수 있듯이 Inconel 625는 산화물이 군데군데 생성되는 국부적인 산화가 확인 되었으며 SM45C는 예상대로 표면에 FeO 산화물이 전체적으로 퍼져 있으며, ZnO이 FeO산화물 위쪽에 생성되어 있음을 확인 할 수 있었다.
비록 용융아연도금 설비의 교체 주기인 6개월 이상 강제부식 실험을 진행 해 보진 못 했지만 현재 설비의 환경보다 더 높은 온도와 많은 Zn fume의 발생으로 열악한 환경을 조성하여 얻은 결과 값으로서 충분하다고 판단된다. 앞서 언급 하였지만 본 학술지에 앞서 게재된 논문[2] 내용 중에 하나인 Ni 합금도 좋지만 Ni합금은 설비에 도입하기엔 아직 가격도 높고 가공도 쉽지 않기[3-7] 때문에 가격면이나 가공면, 내식적 측면으로 보았을 때 결론적으로 STS304가 더 적합할 것으로 판단된다.
비록 용융아연도금 설비의 교체 주기인 6개월 이상 강제부식 실험을 진행 해 보진 못 했지만 현재 설비의 환경보다 더 높은 온도와 많은 Zn fume의 발생으로 열악한 환경을 조성하여 얻은 결과 값으로서 충분하다고 판단된다. 앞서 언급 하였지만 본 학술지에 앞서 게재된 논문[2] 내용 중에 하나인 Ni 합금도 좋지만 Ni합금은 설비에 도입하기엔 아직 가격도 높고 가공도 쉽지 않기[3-7] 때문에 가격면이나 가공면, 내식적 측면으로 보았을 때 결론적으로 STS304가 더 적합할 것으로 판단된다.
우선 bare 상태에서의 결과는 Ecorr(V) 과 Icorr(A)값과 마찬가지로, 거의 근사치 이긴 하지만 SM45C가 0.017의 값으로 가장 좋은 값을 보였으며, 30일 동안 강제 산화 실험 후의 값은 bare 일 때와는 반대로 SM45C가 293.0으로 가장 나쁜 결과를 보였고, 그 다음으로 Inconel625가 40.558, 마지막으로 STS304가 가장 좋은 값인 9.001mpy를 확인 하였다. 이로써 본 연구에서는 약 650℃에서 Zn fume을 발생시킨 환경에서의 부식성은 약 20% Cr의 첨가로 내식성을 향상시킨 STS304가 Ni Alloy인 Inconel625 보다 더 낮은 부식률을 확인 할 수 있었다.
001mpy를 확인 하였다. 이로써 본 연구에서는 약 650℃에서 Zn fume을 발생시킨 환경에서의 부식성은 약 20% Cr의 첨가로 내식성을 향상시킨 STS304가 Ni Alloy인 Inconel625 보다 더 낮은 부식률을 확인 할 수 있었다.
후속연구
따라서 용융아연도금 설비의 소재를 STS304으로 바꾸게 된다면 가장 효과가 높은 설비의 수명과 성능 향상에 도움이 될 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
용융 아연 도금법의 특징은?
용융 아연 도금법은 안정성과 경제적 측면으로 이점을 가지고 있지만 오픈된 공간에서 용융된 아연을 사용하기 때문에 Zn Fume에 의한 고온 산화로 인해 설비의 보수보강 및 유지관리의 번거로움이 있다[1]. 실제로 용융 아연 도금강판을 제조하는 환경에서 고온과 Zn fume에 의한 설비들의 고온 부식의 발생으로 설비의 교체를 위해 많은 시간과 노동, 비용 등을 투자하고 있다.
Zn fume 환경에서 소재들의 부식성을 실험한 결과 가장 효과가 높은 소재는 무엇인가?
따라서 용융아연도금 설비의 소재를 STS304으로 바꾸게 된다면 가장 효과가 높은 설비의 수명과 성능 향상에 도움이 될 것으로 판단된다.
니켈 합금의 특징은?
본 연구 전 단계에서는 용탕의 종류에 따라 고온 내열설비에 우수하다[3-5]는 니켈 합금의 산화 특성을 파악하여 설비에 부분적으로 교체를 한다면 설비의 교체 주기를 늘릴 수 있다는 결론을 내렸었는데[2], 니켈 합금은 고온 내열에 강하지만, 가격이 높은데다가 높은 융점, 그리고 난 가공성을 가지고 있어[6,7] 산업 설비를 갖추어 사용 하는데 에는 무리가 있다고 판단하였다. 따라서 내식성이 강한 대체 소재로 가장 많이 사용되고 있는 STS 계열을 염두 해 두었으며 그 중에서도 가격 및 가공도 등을 고려하여 STS304(KS 규격)를 선택하였다.
참고문헌 (10)
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M. Donachie and S. Donachie, Superalloys A Technical Guide, Second Edition, p. 11-39, ASM International, U.S.A. 2001.
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