[논문]650 ℃의 SO2 가스 환경 하에서 T22와 T92 강의 고온 부식특성

정광후; 김성종

doi:10.14773/cst.2019.18.6.285

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In this study, the corrosion characteristics of T22 and T92 steel were investigated in 6O2 + 16CO2 + 2SO2 gas environment at 650 ℃. Corrosion characteristics were characterized by weight gain, oxide layer thickness, scanning electron microscope, optical microscope, energy dispersive X-ray spe...

In this study, the corrosion characteristics of T22 and T92 steel were investigated in 6O2 + 16CO2 + 2SO2 gas environment at 650 ℃. Corrosion characteristics were characterized by weight gain, oxide layer thickness, scanning electron microscope, optical microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy, and X-ray diffraction. T22 and T92 steel tended to stagnate oxide layer growth over time. Oxidation kinetics were analyzed using the data of oxide layer thickness, and a regression model was presented. The regression model was significantly acceptable. The corrosion rate between the two steels through the regression model showed significant difference. The T92 steel was approximately twice as large as the time exponent and showed very good corrosion resistance compared to the T22 steel. In both steels, the oxide layer mainly formed a Fe-rich oxide layer composed of hematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), and spinel (FeCr2O4). Sulfide segregation occurred in the oxide layer due to SO2 gas. However, the locations of segregation for the T22 and T92 steel were different.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Weight gain of T22 and T92 steel with time in 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃.
표 Table 1 Chemical composition(wt%) of T22 and T92 steel
표 Table 2 Oxide thickness of T22 and T92 steel in 650 ℃ with time
그림 Fig. 2 Cross-sectional OM images of T22 and T92 steel 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃ with time.
그림 Fig. 3 Thickness of oxide film for T22 and T92 steel with time in 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃.
그림 Fig. 4 XRD patterns of the oxide film on T22 and T92 steel in 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃ for 500 h.
그림 Fig. 5 Surface morphologies of T22 and T92 steel in 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃ for 500 h; (a) T22, (b) T92.
그림 Fig. 6 Elements distribution of on cross-section of the T22 steel in 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃ for 500 h; (a) SEM image, (b-e) element maps.
그림 Fig. 7 Elements distribution of on cross-section of the T92 steel in 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃ for 500 h: (a) SEM image, (b-e) element maps.
그림 Fig. 8 Ratio of thickness of the inner layer to outer layer for T22 and T92 steel in 6O₂-16CO₂-2SO₂ gas at 650 ℃ for 500 h.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 보일러 화염 측 온도 구간에 해당하는 650 ℃의 SO₂ 가스환경에서 T22, T92에 대한 부식특성 연구를 실시하였다.
실제 본연구에서 시료 표면의 산화층은 약한 충격에도 탈리되는열악한 물리적 특성을 나타냈다. 따라서 본 연구에서는 시료의 건전한 산화물 두께를 통해 산화속도에 대한 시간 의존성을 분석하였다.

제안 방법

먼저, 노출시간에 따른 산화층 두께 측정을 위해 광학현미경을 통해 산화층 단면을 관찰하였다. Fig.
고온 부식시험 종료 후 빠른 냉각에 의한 산화층의 박리를 방지하기 위해 시험편은 노냉을 실시하였다. 무게증가량은 부식시험 전과 종료 후 10^-4 g의 정밀도를 가진 전자저울을 통해 측정하였다. 산화층 두께는 데이터에 대한 신뢰도 확보를 위해 각 시편 당 5회 이상 측정하였으며, 그에 대한 평균값을 산출하였다.
본 연구에서는 650 ℃의 6O₂-16CO₂-2SO₂ 가스환경하에서 T22와 T92에 대하여 최대 500시간까지 고온부식실험을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다. T22과 T92는 시간경과에 따라 산화층 성장이 정체되는 산화 거동을 나타냈다.
산화층 두께는 데이터에 대한 신뢰도 확보를 위해 각 시편 당 5회 이상 측정하였으며, 그에 대한 평균값을 산출하였다. 부식된 시험편의 표면 및 단면은 주사전자현미경 (scanning electron microscope, 이하 SEM)과 광학현미경 (optical microscope, 이하 OM)을 사용하여 관찰하였다. 산화층의 화학성분은 주사전자현미경에 장착된 에너지 분산형 X-선 분광계 (energy dispersive X-ray spectroscopy, 이하 EDS)를 사용하여 분석하였다.
산화층의 화학성분은 주사전자현미경에 장착된 에너지 분산형 X-선 분광계 (energy dispersive X-ray spectroscopy, 이하 EDS)를 사용하여 분석하였다. 산화층의 결정 구조는 Cu-Ka X-ray source를 사용하는 X선 회절기 (X-ray diffraction,이하 XRD)를 통해 실시하였다.
부식된 시험편의 표면 및 단면은 주사전자현미경 (scanning electron microscope, 이하 SEM)과 광학현미경 (optical microscope, 이하 OM)을 사용하여 관찰하였다. 산화층의 화학성분은 주사전자현미경에 장착된 에너지 분산형 X-선 분광계 (energy dispersive X-ray spectroscopy, 이하 EDS)를 사용하여 분석하였다. 산화층의 결정 구조는 Cu-Ka X-ray source를 사용하는 X선 회절기 (X-ray diffraction,이하 XRD)를 통해 실시하였다.

데이터처리

무게증가량은 부식시험 전과 종료 후 10^-4 g의 정밀도를 가진 전자저울을 통해 측정하였다. 산화층 두께는 데이터에 대한 신뢰도 확보를 위해 각 시편 당 5회 이상 측정하였으며, 그에 대한 평균값을 산출하였다. 부식된 시험편의 표면 및 단면은 주사전자현미경 (scanning electron microscope, 이하 SEM)과 광학현미경 (optical microscope, 이하 OM)을 사용하여 관찰하였다.

성능/효과

8의 EDS 원소 분포도에서 관찰된 Cr₂O₃ 산화층과 그 하부에 형성된 황화물에 기인한 것으로 사료된다. 결론적으로 Cr₂O₃과 하부의 황화물에 의한 입계의 점유가 내부 O^2-의 확산을 저지한 것으로 사료된다.
2는 650 ℃의6O₂-16CO₂-2SO₂ 가스환경에서 부식된 T22와 T92 시편의 산화층 단면을 나타낸 것이다. 시료와 관계없이 산화 층은 다공성의 외부층과 내부층으로 이루어진 구조를 가지며, 시간경과에 따라 두께가 증가하는 경향을 나타냈다. 산화층 내부에 관찰되는 다수의 기공 및 관통 균열은 산화층과모재의 상이한 열팽창계수와 급격한 성장에 기인한 것으로 판단된다.
그러나 무게증가량을 통한 산화속도 분석은 산화과정 및 취급과정에서 발생하는산화물 탈리에 의한 무게손실을 반영할 수 없다. 실제 본연구에서 시료 표면의 산화층은 약한 충격에도 탈리되는열악한 물리적 특성을 나타냈다. 따라서 본 연구에서는 시료의 건전한 산화물 두께를 통해 산화속도에 대한 시간 의존성을 분석하였다.
산화층의 주 원소는 O, Cr, Fe, 그리고 부분적인 S이며, 전체적으로 Fe-풍부상의 산화층이 형성된 것을 알 수 있다. 외부 산화층의 주 합금 원소는 Fe와 O이며, 내부 산화층의 주 금속 원소는 Fe와 Cr이 혼재된 것으로 나타났다. Fe-Cr 합금의 경우, Fe보다 활성인 Cr이 우선적으로 O와 반응하여 Cr₂O₃이 형성된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보일러 증기 발생용 재료로 쓸 수 있는 Cr-Mo 강의 특징은?	화력발전 보일러에 사용되는 금속재료는 페라이트계, 오스테나이트 스테인리스계, 그리고 니켈합금 등으로 매우 다양하다. 그 중 페라이트계 내열강인 Cr-Mo 강은 높은 고온크리프 강도와 경제적 이점으로 인해 보일러 증기 발생용 재료로 광범위하게 사용되고 있다. 1960년대 이후, 대표적으로 화력발전 보일러용 튜브재로 T22(2.
	Cr-Mo 강의 크리프 강도와 내식성을 개선하기 위해 첨가하는 원소의 종류는?	25Cr-1Mo) 강이 사용되었다. 이후 주증기 온도 상승에 따라 Cr 함량을 늘린 9Cr 강, 12Cr 강이 개발되었으며, 다양한 원소 Mo, W, N, Nb 등을 첨가하여 크리프 강도와 내식성을 개선하였다. 그중 T92는 초 임계압력 (ultra-supercritical) 화력발전소의 핵심 부품 및 구조용 소재로의 사용이 증가하고 있다 [5].
	석탄화력발전 환경에 노출된 금속재가 부식에 취약한 이유는?	그러나 석탄화력발전은 여전히 국내 전체 발전 비중의 40% 이상을 차지하고 있는 주력 발전이다. 석탄화력발전의 경우, 유황 (sulfur)을 함유한 화석연료를 연소함에 따라 연소가스 내 유황 함유종이 발생하며, SO2가 대부분을 차지한다. 연료 내 1%의 황 성분은 연소가스 내 SO2농도를 최대 1000 ~ 1200 ppm 까지 증가시키는 것으로 알려져 있다 [1]. SO2는 산소와 반응하여 SO3를 형성하며, 수분이 존재할 경우 H2SO4를 형성하며 [2], 가혹한 부식환경을 조성한다. 이러한 환경에 노출된 금속재는 부식에 취약할 수밖에 없다.

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