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KR102673095B1 - 유동층보일러용 온도센서의 센서봉을 구성하는 표면경화처리된 보호관 제조방법 - Google Patents

유동층보일러용 온도센서의 센서봉을 구성하는 표면경화처리된 보호관 제조방법 Download PDF

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KR102673095B1
KR102673095B1 KR1020230101172A KR20230101172A KR102673095B1 KR 102673095 B1 KR102673095 B1 KR 102673095B1 KR 1020230101172 A KR1020230101172 A KR 1020230101172A KR 20230101172 A KR20230101172 A KR 20230101172A KR 102673095 B1 KR102673095 B1 KR 102673095B1
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South Korea
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protective tube
fluidized bed
bed boiler
tungsten carbide
temperature sensor
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English (en)
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김현철
Original Assignee
(주)센테크이엔지
김현철
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Abstract

본 발명은 유동층보일러용 온도센서의 센서봉을 구성하는 표면경화처리된 보호관 제조방법에 관한 것으로서, (a) 소정의 소재가 상기 보호관의 형태로 가공되는 단계; (b) 진공 상태의 용기에 상기 (a) 단계에서 가공된 보호관이 장입되는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계에서 가공된 보호관이 장입된 상태의 상기 용기에 보로나이징 분말이 투입된 상태에서 가열되는 단계를 포함하며, 상기 소재는 니켈이 포함된 합금일 수 있다.

Description

유동층보일러용 온도센서의 센서봉을 구성하는 표면경화처리된 보호관 제조방법{A method for manufacturing a surface-hardened protective tube constituting a sensor rod of a temperature sensor for a fluidized bed boiler}
본 발명은 온도센서의 센서봉을 구성하는 보호관으로서 표면경화처리된 보호관을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 1,300℃ 이상의 고온에서 부식성 유체나 기체, 마모성 유동매체 등이 포함된 상태에서 작동되는 환원로 또는 유동층보일러의 내측의 온도를 센싱하는 온도센서에 있어서, 온도를 센싱하는 측정모듈이 삽입된 시스(sheath)를 보호하는 보호관이 상술한 고온, 부식성 유체나 기체 또는 마모성 유동매체 등에 대항하여 최대한 오랫동안 견딜 수 있도록, 내마모성, 내부식성 및 내열성을 증대시켜 기대수명을 최대화할 수 있는 표면경화처리된 보호관을 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속 산화물의 환원공정에 사용되는 환원로는 1,300℃ 이상의 고온 상태에서 염소가스 및 각종 산화물질이 포함된 상태에서 작동되며, 석탄을 적당한 크기로 분쇄하여 만든 석탄 입자들과 석회석 및 모래와 같은 유동매체에 적정속도의 공기를 불어넣어 부유 유동층(suspended fluidzed bed)상태로 만들어 연소시키는 유동층보일러는 상술한 바와 같이 마모성이 강한 유동매체가 포함된 상태에서 작동된다.
이러한 환원로 또는 유동층보일러의 내측 온도를 측정하기 위해 환원로 또는 유동층보일러의 내측으로 온도센서의 센서봉이 삽입된 상태에서 환원로와 유동층보일러가 작동된다.
이러한 환원로 또는 유동층보일러에 장착되는 온도센서의 수명은 고온, 부식성 유체나 기체, 마모성 유동매체 등에 의해 영향을 받게 된다.
즉, 환원로의 경우 1.300℃ 이상의 고온과 염소가스 및 각종 산화물질 등 부식성 물질에 의해 그 기대수명이 단축되며, 유동층보일러의 경우 석회석 및 모래와 같은 마모성 유동매체에 의해 그 기대수명이 단축된다.
따라서, 이러한 고온, 부식성 물질 및 마모성 유동매체에 최대한 대항할 수 있는 온도센서가 절실히 필요한 실정이다.
이와 관련된 종래기술인 대한민국 특허등록번호 제10-1516128호를 살펴본다. 상술한 문제점을 해결하기 위한 종래기술은 온도센서 중 온도 감지센서와 보호관을 분리 가능한 상태로 제작하고, 사용된 보호관을 재사용할 수 있도록 보호관을 코팅하는 방법을 제안하고 있다.
그러나 종래기술에는 단순히 보호관을 재사용할 수 있도록 DLC(Diamond Like Carbon) 코팅에 대한 기술적 특징만을 개시하고 있을 뿐, 환원로가 작동되는 환경 또는 유동층보일러가 작동되는 환경 등이 고려되지 않은 상태에서의 기술적 특징을 개시하고 있을 뿐이다. 즉, 고온, 부식성 유체나 기체, 마모성 유동매체 등에 의해 보호관이 받게 되는 영향을 고려하지 않은 기술적 특징을 개시하고 있어, 실제로 환원로 또는 유동층보일러에 적용시 온도센서의 기대수명에 대하여 여전히 의문이 남아 있는 실정이다.
따라서, 환원로 또는 유동층보일러에 적용될 수 있도록 내열성, 내부식성 또는 내마모성이 증대되어 기대수명이 최대화될 수 있는 보호관을 제조하는 방법에 대한 연구가 절실히 필요한 실정이다.
상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 환원로 또는 유동층보일러에 적용될 수 있도록 내열성, 내부식성 또는 내마모성이 증대되어 온도센서의 기대수명이 최대화될 수 있는 보호관을 제조하는 방법을 제안하고자 한다.
상술한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 따른 유동층보일러의 온도를 센싱하는 유동층보일러용 온도센서의 센서봉을 구성하는 보호관으로서, 표면경화처리된 보호관을 제조하는 방법은, (a) 소정의 소재가 상기 보호관의 형태로 가공되는 단계; (b) 진공 상태의 용기에 상기 (a) 단계에서 가공된 보호관이 장입되는 단계; 및 (c) 상기 (a) 단계에서 가공된 보호관이 장입된 상태의 상기 용기에 보로나이징 분말이 투입된 상태에서 가열되는 단계를 포함하며,
상기 소재는 니켈이 포함된 합금일 수 있다.
바람직하게는, 상기 (c)가 진행됨에 따라, 상기 보호관의 외측면에 침탄된 붕소의 침투 깊이는 29 내지 31 ㎛일 수 있다.
바람직하게는, 상기 소재는 인코넬 690(inconel 690)일 수 있다.
바람직하게는, 상기 (c) 단계에서 가공된 보호관이 장입된 상태의 상기 용기에 상기 보로나이징 분말이 투입된 상태에서 9 내지 11시간 동안 가열될 수 있다.
바람직하게는, 상기 (c)가 진행됨에 따라, 상기 보호관의 외측면에 침탄된 붕소의 침투 깊이는 30 ㎛이며, 상기 (c) 단계에서 가공된 보호관이 장입된 상태의 상기 용기에 상기 보로나이징 분말이 투입된 상태에서 10시간 동안 가열될 수 있다.
상술한 과제해결수단으로 인하여, 환원로의 경우 내열성 및 내부식성의 정도가 최대화된 보호관으로서 고온과 부식성 유체 및 기체에 불구하고 온도센서의 기대수명을 최대화할 수 있으며, 유동층보일러의 경우 내마모성의 정도가 최대화된 보호관으로서 석회석 및 모래 등의 마모성 유동매체에 불구하고 온도센서의 기대수명을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 보호관이 포함된 온도센서를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의성을 위해 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자 또는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1을 참조하면, 온도센서는 측정모듈이 시스(sheath)의 내측으로 삽입된 상태에서, 시스(sheath)를 보호하고자 보호관의 내측으로 시스(sheath)가 삽입된 상태에서 온도센서가 조립된다.
환원로나 유동층보일러 내측으로 센서봉이 삽입되어 온도측정이 이루어지는 바, 시스(sheath)를 보호하는 보호관이 환원로나 유동층보일러 내측 환경에 직접 접촉되게 된다. 즉, 환원로의 경우 1,300℃ 이상의 고온에서 염소가스나 산화물질 등 부식성 유체나 기체에 직접적으로 접촉되며, 유동층보일러의 경우 800 내지 900℃ 온도에서 유동되는 석회석이나 모래 등의 마모성이 높은 유동매체에 직접적으로 접촉되게 된다.
이러한 상황에서 보호관의 표면이 경화처리되지 않는 상태에서의 온도센서의 기대수명은 산화아연 제조용 환원로의 경우 3개월 미만으로 알려져 있으며, 발전소에 사용되는 유동층보일러의 기대수명 또한 3개월 미만으로 알려져 있다.
본 발명은 보호관의 표면경화처리를 통하여 보호관의 내열성, 내부식성 및 내마모성을 증대시키고자, 보호관의 소재와 표면경화처리(텅스텐카바이드(tungsten carbide) 코팅 및 보로나이징(boronizing))을 달리하여 제조된 다수의 보호관 실시예에서 내열성, 내부식성 및 내마모성이 우수한 보호관을 제안하고자 한다. 특히, 온도센서가 적용되는 장치(환원로 및 유동층 보일러)에서 보호관이 접촉되는 환경에 따라 최적의 실시예를 제안하고자 한다.
보호관의 소재로서 인코넬 690(inconel 690), 티타늄(titanium) 또는 하스텔로이(hastelloy)가 적용되었으며, 표면경화처리로 텅스텐카바이드 코팅과 보로나이징이 적용되었고, 이러한 실시예에 따라 제조된 보호관에 대한 내열성, 내부식성 및 내마모성에 대한 시험이 이루어졌다. 더 나아가, 텅스텐카바이드 코팅재의 구성성분을 달리하여 코팅이 이루어졌고, 코팅된 상태에 따른 각각의 보호관의 내열성, 내마모성 및 내부식성에 대한 시험이 이루어졌다.
본 발명에 따른 텅스텐카바이드 코팅 과정에 대해서 설명한다.
우선적으로, 소재가 가공되어 보호관의 형태로 가공될 수 있다.
다음으로, 가공된 보호관의 외측면이 세척, 이물질 제거 또는 표면마모 작업 등의 전처리 작업이 진행될 수 있다.
다음으로, 가공된 보호관이 회전체에 장착된 상태에서 회전체의 회전에 의해 고속으로 회전될 수 있다.
다음으로, 코팅재가 초고온에서 액체미립자 형태로 고속으로 가공된 보호관의 외측면으로 용사되어, 가공된 보호관의 외측면에 코팅재가 용착될 수 있다.
이후, 코팅재로 코팅된 상태의 보호관이 냉각되고, 냉각된 상태에서 육안 검사가 이루어질 수 있다. 이후, 코팅재의 코팅 두께가 측정될 수 있다.
보호관의 외측면이 보로나이징되는 과정에 대해서 설명한다.
우선적으로, 소재가 가공되어 보호관의 형태로 가공될 수 있다.
다음으로, 가공된 보호관의 외측면이 세척, 이물질 제거 또는 표면마모 작업 등의 전처리 작업이 진행될 수 있다.
다음으로, 진공 상태의 용기에 가공된 보호관이 장입될 수 있다.
다음으로, 가공된 보호관이 장입된 상태의 진공 용기에 보로나이징 분말이 투입되고, 이러한 상태에 가열될 수 있다.
이후, 보로나이징된 상태의 보호관이 냉각되고, 냉각된 상태에서 육안 검사가 이루어질 수 있다. 이후, 보로나이징된 침탄 깊이(붕소의 침탄 깊이)가 측정될 수 있다.
보호관의 소재 각각의 물리적 특성은 표 1과 같다.
[표 1]
각각의 보호관 소재에 따라 텅스텐카바이드 코팅과 보로나이징이 진행되었다.
제1실시예에서 각각의 보호관 소재에 텅스텐카바이드 코팅이 진행되되, 텅스텐카바이드 88 중량% 및 코발트 12 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되었다. 코팅시간(0.5±α 시간)의 조절로 보호관의 외측면에 코팅된 코팅재의 코팅 두께가 300, 298, 302 ㎛가 되도록 진행되었다.
표 2는 제1실시예에 따른 코팅 두께를 나타내고 있다.
[표 2]
제2실시예는 각각의 보호관 소재에 텅스텐카바이드 코팅이 진행되되, 텅스텐카바이드 86 중량%, 코발트 10 중량% 및 크롬 4 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되되, 코팅시간(0.5±α 시간)이 조절되어 코팅 두께가 300, 298, 302 ㎛가 되도록 진행되었다.
표 3은 제2실시예에 따른 코팅 두께를 나타내고 있다.
[표 3]
제1실시예와 제2실시예에서, 보호관의 표면에 텅스텐카바이드가 코팅된 상태이고, 따라서 마모성 유동매체나 부식성 유체나 기체에 직접 접촉하는 부분은 코팅된 텅스텐카바이드에 한정되는 바, 보호관의 소재의 특성은 후술할 내마모성이나 내부식성 시험 결과에 영향을 미치지 않기에, 각각의 소재 구분없이 코팅 두께별로 구분하였다.
제3실시예는 10시간의 동일한 가열시간으로 보로나이징된 각각의 보호관이 붕소가 침탄된 깊이별로 구분되었다. 사용된 보로나이징 분말은 50 중량%의 B4C, 45 중량%의 SiC, 5 중량%의 KBF4이다.
표 4는 제3실시예에 따른 붕소의 침탄 깊이를 나타내고 있다. 동일한 조건의 보로나이징일지라도 붕소의 침탄 깊이는 보호관의 소재에 따라 달라짐을 표 4를 통해 알 수 있다.
[표 4]
각각의 실시예에 따라 텅스텐카바이드 코팅되거나 보로나이징된 보호관에서, 텅스텐카바이드 코팅된 보호관의 경우 가로길이 50mm 세로길이 50mm 두께 1mm에 코팅 두께가 각각 0.3mm, 0.298mm, 0.302mm(총 두께 1.3mm, 1.298mm, 1.302mm)인 시편들이 추출되고, 보로나이징된 보호관의 경우 각각의 침탄 깊이별로 가로길이 50mm 세로길이 50mm 두께 1mm 시편들이 추출되어 내마모성, 내부식성 시험이 진행되었고, 각각의 실시예에 따른 표면경화처리된 보호관의 온도센싱 반응시간이 측정되었다.
내부식성 시험은 ASTM standard 중 B117 방식으로 진행되었다. 시험 전 무게와 96 시간의 시험반응 진행 후의 무게의 차이를 측정하는 부식율을 계산하였다.
내마모성 시험은 ASTM standard 중 D4060 방식으로 진행되었다. 시험 전 무게와 5,000회의 마모시험 후의 무게의 차이를 측정하여 마모율을 계산하였다.
온도센싱에 대한 반응시간에 대한 시험은 히팅 온도를 1,200℃으로 셋팅한 상태에서, 각 실시예에 따라 제조된 보호관이 적용된 온도센서에서 측정된 온도가 1,000℃에 도달하는 시간(히팅 온도에 접촉한 시점부터 시작하여 1,000℃에 도달하는 시간)으로 측정하였다. 일반적으로 히팅 온도 1,200℃에서 온도센서에서 측정된 온도가 1,000℃에 근접하게 도달하는데 소요되는 시간은 대략 5분 이내인 것으로 알려져 있다.
각각의 실시예에 따른 표면경화처리된 보호관의 내부식성, 내마모성 및 온도센싱에서의 반응시간에 대한 시험결과는 다음과 같다.
표 5는 텅스텐카바이드 코팅된 보호관으로서, 텅스텐카바이드 88 중량% 및 코발트 12 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되었던 실시예에 대한 내마모성, 내부식성 및 반응시간에 대한 시험결과이다.
[표 5]
표 6은 텅스텐카바이드 코팅된 보호관으로서, 텅스텐카바이드 86 중량%, 코발트 10 중량% 및 크롬 4 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되었던 실시예에 대한 내마모성, 내부식성 및 반응시간에 대한 시험결과이다.
[표 6]
표 7은 보로나이징된 보호관으로서 붕소의 침탄 깊이를 달리한 실시예에 대한 내마모성, 내부식성 및 반응시간에 대한 시험결과이다.
[표 7]
텅스텐카바이드 코팅의 경우 보호관의 소재와 무관하게 구성성분이 동일한 경우에는 비슷한 내마모성과 내부식성을 나타내고 있으나, 온도센싱 반응시간에서는 텅스텐카바이드 코팅과 더불어 보호관의 소재에 따라 다른 반응시간을 나타내고 있다. 온도센싱 반응시간 시험결과에는 보호관의 소재가 영향을 미치는 것으로 보인다.
텅스텐카바이드 88 중량% 및 코발트 12 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되었던 실시예와, 텅스텐카바이드 86 중량%, 코발트 10 중량% 및 크롬 4 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되었던 실시예와 비교하건대, 내마모성, 내부식성 및 온도센싱 반응시간에 있어서 텅스텐카바이드 86 중량%, 코발트 10 중량% 및 크롬 4 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되었던 실시예에서 나은 시험결과를 나타내고 있다.
텅스텐카바이드 코팅(텅스텐카바이드 86 중량%, 코발트 10 중량% 및 크롬 4 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재)과 보로나이징을 비교하건대, 온도센싱 반응시간에서는 비슷하게 나타나나, 내마모성에서는 보로나이징에서 보다 효과를 나타내고 있으며, 내부식성에서는 텅스텐카바이드 코팅에서 보다 나은 효과를 나타내고 있다.
결론적으로, 염소가스나 산화물질 등 부식성 유체나 기체 등에 의해 마모보다는 부식에 대한 우려가 높은 환원로의 경우에는, 환원로의 내부환경 온도가 1,300℃ 이상의 고온에서 작동되는 점을 고려하여 보호관의 소재로서는 용융점이 가장 높은 티타늄이 가장 바람직하며, 내부식성에 있어서 상대적으로 보로나이징보다는 텅스텐카바이드 코팅이 더 바람직하며, 텅스텐카바이드 구성성분에 있어서는 내부식성이 상대적으로 좋은 텅스텐카바이드 86 중량%, 코발트 10 중량% 및 크롬 4 중량%로 구성된 텅스텐카바이드 코팅재로 코팅이 진행되었던 실시예가 가장 바람직하다. 텅스텐카바이드 코팅의 두께에 있어서는 온도센싱 반응시간 측면을 고려하여 코팅두께가 좀 더 얇은 298㎛인 경우가 가장 바람직하다.
석회석 및 모래 등 유동매체에 의해 부식보다는 마모에 대한 우려가 높은 유동층보일러의 경우에는, 내마모성에 있어서 상대적으로 텅스텐카바이드 코팅보다는 보로나이징이 더 바람직하며, 보로나이징된 보호관 중에서 보호관의 소재가 인코넬 690(inconel 690)인 경우가 가장 바람직하다. 유동층보일러의 내부환경 온도는 800 내지 900℃ 정도인 바, 용융점이 1,390 내지 1,410℃인 인코넬 690(inconel 690)이 충분히 적용될 수 있다.
붕소 침탄의 깊이가 깊을수록 내마모성, 내부식성 및 온도센싱 반응시간에서 더 나은 효과를 보이고 있다. 붕소의 침탄 깊이는 보호관의 소재에 따라 달라짐을 알 수 있으며, 붕소의 침탄의 깊이가 깊을수록 내마모성, 내부식성 및 온도센싱 반응시간에서 더 나은 효과를 보이고 있음을 알 수 있다. 30 ㎛의 붕소의 침탄 깊이가 가장 바람직한 것으로 나타난다.
이상, 본 명세서에는 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당업자라면 본 발명의 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 유동층보일러의 온도를 센싱하는 유동층보일러용 온도센서의 센서봉을 구성하는 보호관으로서, 표면경화처리된 보호관을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 소정의 소재가 상기 보호관의 형태로 가공되는 단계;
    (b) 진공 상태의 용기에 상기 (a) 단계에서 가공된 보호관이 장입되는 단계; 및
    (c) 상기 (a) 단계에서 가공된 보호관이 장입된 상태의 상기 용기에 보로나이징 분말이 투입된 상태에서 가열되는 단계를 포함하며,
    상기 소재는 인코넬 690(inconel 690)이고, 상기 소재의 용융점은 1,400℃이며,
    상기 (c)가 진행됨에 따라, 상기 보호관의 외측면에 침탄된 붕소의 침투 깊이는 30 ㎛이며,
    상기 (c) 단계에서 가공된 보호관이 장입된 상태의 상기 용기에 상기 보로나이징 분말이 투입된 상태에서 10시간 동안 가열되는 방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4850717A (en) * 1982-09-17 1989-07-25 Clark Eugene V Process sensor tube having erosion and corrosion resistance
KR100915352B1 (ko) * 2007-08-22 2009-09-14 주식회사 우진 파이넥스 용융로 내부 온도 측정용 시스열전대 조립체

Patent Citations (2)

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