화력발전소용 보일러에 사용되고 있는 재료는 탄소강， 저Cr-Mo강，9-12Cr강， 스테인 리스강 등으로 대멸된다 이들의 특성은 다음과 같다.
1. 탄소강(Carb on Steel) 및 저 합금강(Low Alloy Steel) 탄소강의 분류로는 AISI-SAE 의 네 자리 수 기호가 많이 이용된다. 앞의 두 자리의 수가 10 이면 이 강은 탄소강이다. 마지막 두 숫자는 강 중의 탄소 함량을 표기한다. 예를 들어 AISI-SAE번 호가 1030이면 이 강은 탄소를 0.30% 함유한 탄소강을 나타낸다. 모든 탄소강에는 강도를 향상시키기 위해 Mn을 합금 원소로서 강고 있는데 0.30~0.95% 함유하는 게 보통이다. 탄소강은 또한 S, P, Si 그리고 다른 원소들을 불순물로 합유한다. 몇 종의 AISI-SAE 탄소강의 대표적인 기계적 성질을 표 1에 나타내었다 탄소 함량이 매우 적은 탄소강의 경우에는 상대적으로 강도가 낮으나 연성은 매우 좋다.
표 1 일반 산업설비용 탄소강의 기계적 성질과 용도
이런 강은 자동차 차체나 펜더 같은 성형용 판재로 이용된다. 탄소강의 탄소 함량이 높아짐에 따라 강은 더욱 강해지지만 연성은 감소한다. 중탄소강( 1020- 1040)은 축이나 기어에 이용되고 고 탄소강 (1060- 1095)은 스프링이나 다이 블럭， 절단기 등에 이용된다. 표 2에 산업용으로 많이 이용되고 있는 저합금강의 대표적인 기계적 성질과 용도를 나타내었다. 저합금강은 탄소강에 비해 강도와 인성， 연성의 조합이 매우 좋지만 고가이므로 꼭 필요한 경우에만 이용된다. 저합금강은 탄소강으로는 얻을 수 없는 우수한 강도와 인성이 요구되는 자동차 산업에 많이 이용되고 있다. 저합금강이 자동차에 이용되는 예로서 는 축， 기어， 스프링 등이 있다. 약 0.2%C 를 함유한 저합금강의 내부는 인성이 있고 표면은 단단하며， 내마모성을 갖게 하기 위해 침탄을 시키거나 표면처리를 실시한다. 현재 발전소의 보일러 튜브 및 배관용에 사용되는 주요 탄소강과 저합금강의 종류 및 화학성분은 표 3과 같다.
표 2 일반 산업설비용 저합금강의 기계적 성질과 대표적인 응용
* Tempered는 315℃에서 템퍼링 한 것.
표 3(a) 보일러 튜브 및 배관용 탄소강과 저합금강의 종류    표 3(b) 보일러 튜브 및 배관용 탄소강과 저합금강의 종류   발전설비에 관련된 탄소강 및 저합금강의 특성에 관한 일반 사항은 다음과 같다. 1.1 탄소강 탄소강은 화력발전소에서 가장 일반적으로 많이 사용하는 배관 재료이다. 특히, ASTM A53과 A106 의 두 종류는 사용 빈도가 가장 높다. A53과 A106은 모두Grade A와 B가있으며, Grade B가 A보 다 큰 허용응력치를 가지고 있으므로 더 높은 압력 등급에 유용하다. A106경 우는 Grade C도 있으므로 가끔 높은 허용 응력치가 필요한 고압용 보일러 급수 계통의 배관에 사용 된다. 또한 일반적으로 관벽 두께가 19mm 이상 일때는 잔류응력 제거(Stress Relief)작업 이 필요하므로 Grade C의 사용으로 19mm이하로 관벽 두께를 감소시킬 수 있는 경우는 잔류응력 제거 작업(Stress Relieving Treatment)을 하지 않아도 된다. A53과 A106의 사용 온도는 413℃ 까지 로 제한되어 있다. 즉, 관련 적용규격 ANSI B 31.1의주의 사항에서 탄소강을 413 ℃ 이상의 온도에서 장시간 사용하는 경우에는 흑연석출(Graphite Formation) 가능성에 대하여 고려하도록 되어 있다. 그러나 국내 발전설비의 경우， 설비의 내구성을 고려하여 400℃이하에서도 합금강을 사용한 것이 다수 있다. 1.2 압력 배 관용 C-Mo 강 탄소-몰리브덴강은 사용 온도가 흑연석출 (Graphitization) 때문에 468℃까지로 제한된다. 413℃와 468℃의 온도 범위에서 사용할 때는 C-Mo 강과 Cr-Mo 강 중에서 경제성 검토를 한 후 어떤 강을 사용할 것 인가를 결정해야 한다. C-Mo 강보 다 Cr-Mo강이 더 큰 허용응력 값을 가지고 있어서 보다 작은 관벽 두께를 사용할 수 있다. 1.3 저 Cr-Mo 량 600℃정도 이하의 온도영역에서 사용되는 재료이다. 저 Cr-Mo 강은 Mo의첨가에 따라 고온 강도를 향상시키고, Cr에 의하여 내산화성 및 흑연화에 대한 저항성을 향상시킨 것이다. 이 재료들은 보통 고온증기 계통인 주증기, 고온재열，저온재열 및 추기 계통의 증기에 사용 된다. 저 Cr-Mo 합금강 중 사용빈도가 높은 재료는 T11(P11), T12(P12)와 T22(P22)이며， 각 등급의 Cr-Mo의 함유 량은 아래와 같다. - T12 : 1Cr-1/2Mo - T11 : 1¼Cr-½Mo - T22 : 2¼Cr-1Mo 배관의 경제성 및 이용 가능성을 고려할 때 일반적으로 Grade P11 경우는 565°C까지, 그리고 Grade P22는 593°C 까지 사용 가능하다. 일반적으로 Cr-Mo Grade P22는 538°C의 온도 범위에서 가장 경제적인 재료로 간주되며, Grade P22는 P11과 P12보 다 이 온도 범위에서 훨씬 더 큰 허용 응력치를 가지고 있다. 최근 화력발전소의 주증기 및 고온재열 증기 계통은 통상 569°C/596°C의 온도 범위로 되어 있다. 따라서 보일러 튜브재질의 성질을 향상시키기 위한 노력으로 기존으I T22 를 개량하여 고온강도와 크리프 파단강도를 향상시킨 T23 , T24 를 개발하였다. 이 재료는 T22 보다 높은 고온강도를 가지고 있어 관 두께를 현저히얇게 하여 중량감소에 의한 원가절감을 달성할 수 있고 탄소량이 종래의 강에 비해 현저히 낮아 용접 균열 감수성이 적다. 이와 같은 이유로 예열 및 후열처리를 생략하여도 용접시의 균열발생의 우려가 없다. 따라서 최근 800MW 화력발전소부터 적용되고 있으며 앞으로 USC(Ultra Super Critical) 발전소의 보일러용 재료에 적용될 예정이다. 이들의 특징은 표 4와 같다. 표 4 개량형 2.25Cr-1Mo 강의 기계적 성질 비교
1.4 9~2Cr강 625°C정도 이하의 온도영역에서 사용되는 재료로 널리 사용되고 있다. ASME 재료에는 보일러 전열관으로 SA213 T91 (9Cr-1Mo), 배관용으로 SA335 P91 (9Cr-1Mo)가 있고 일본 JIS 재료로는 보일러 전열관으로 STBA28 (9Cr-1Mo), 배관용으로 STPA28 (9Cr-1Mo)이 있다. 그러고 독일(DIN) 재료로는 X10CrMoVNb91 (9Cr-1Mo)과 X20CrMoV121 (12Cr강)이 있다. 국내 발전설비에는 초기에 X20CrMoV121 (12Cr강)이 많이 사용되었으나 현재는 T91(P91) 의 사용이 증가하고 있다. 9Cr강의 허용용력은 종래의 저 Cr-Mo강에 비하여 500~600℃의 온도범위에서 향상이 두드러진다. 580℃에 서 600℃까지 의 온도에서는 이 12Cr강을 기본으로 W 또는 Mo를 첨가 하여 고온강도의 향상을 도모한 재료가 사용되고 있다. 9~12Cr강은 탄소강, 저 Cr-Mo강과 같은 페라이트계 이며, 오스테나이트계 스테인리스강에 비하면 고온강도는 떨어지나 선팽창계수가 작기 때문에 연신율 차이가 작고, 사용하지 쉬운 장점이 었다. 현재 9~12Cr강은 그 동안 비약적인 발전을 거듭하여 새로운 강종이 생산되고 있다. 이중 일부 재질은 현재의 스테인리스강보다 고온강도 등이 우수한 것이 있다. 2.스테인리스강(Stainless Steel) 스테인리스강은 고온성질 및 내부식성이 매우 우수하여, 발전설비에서 해수용 재료와 보일러 튜브 재료로 널리 사용되고 있는 합금이다. 스테인리스강의 내식성은 Cr 함량이 높기 때문에 나타난다. 스테인리스강이 부식되지 않게 하기 위해서는 최소한 강 내에 12%의 Cr이 존재해야 한다. 그리고 산화물의 보호막을 형성 시키기 위해서는 스테인리스강이 산화 매체에 노출되어야만 한다. 일반적으로스테인리스강은 제조 방법 에 따라 크게 단조용과 주조용으로 구분하고, 미세조직 에 따라 표 5 와 같이 분류한다. 표 5 스테인리스강의 일반적인 구분과 특성
각각에 대한 상세한 특성은 다음과 같다. 2.1 페라이트계 스테인리스강 페라이트계 스테인리스강은 Fe-Cr 2원 계 합금으로서 약 12 ~ 30%·Cr을 함유하고 았다 이것 을 페라이트계라 하는 이유는 정상적인 열처리 조건에서 조직이 대부분 페라이트형태(BCC, α-철 유형)로 존재하기 때문이다. Cr은 페라이트와 마찬가지로 BCC 구조로서 α상 영역을 확대 시키고 γ상 영역을 축소시킨다. 그 결과 그림 1에 서 보는 바와 같이 Fe-Cr 상태도에는 γ루프 (Loop)가 형성되어 FCC 와 BCC영역으로 분리된다. 페라이트계 스테인리스강은 크롬을 12% 이상 함유하고 있으므로 FCC에서 BCC로의 변태를 거치지 않고 고온에서 냉각될 때 갈내에 Cr이 고용된 고용체로서 존재한다.  그림 1 Fe-Cr 상태도에서의 γ-루프(Loop) 표 6은 430형 페라이트계 스테인리스강을 비롯한 몇몇 스터I인리스강의 화학조성을 나타낸 것이다. 페라이트계 스테인리스강은 Ni을 함유하고 있지 않으므로 값이 비교적 저렴하고 주로 특수한 내식성과 내열성이 요구되는 일반적인 건축 자재로 이용된다. 최근에는 탄소와 질소의 함량을 매우 낮춘 새로운 페라이트계 스테인리스강이 개발되어 내식성이 향상되었다. 2.2 마르텐사이트계 스테인리스강 오스테나이트 영역으로부터 담금질할 때 마르텐사이트 조직이 되게 하기 위해 마르텐사이트계 스테인리스강(Martensite Stainless Steel)은 충분한 양의 탄소 (0.15~1.0%C)와 함께 Cr이 12~17% 정도 포함된 Fe~Cr 합금이다. 이 합금들을 마르텐사이트계라고 하는 이유는 오스테 나이트 처리와 담금질 열처리 후에 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있기 때문이다. 강도와 경도를 적절한 수준으로 조절하기 위해 마르텐사이트계 스테인리스강의 조성을 변화시켰기 때문에 이 계의 합금은 페라이트계나 오스테나이트계에 비해서 내식성이 비교적 떨어진다. 마르텐사이트계 스테인리스강의 강도와 인성을 증가시키기 위한 열처리는 탄소강과 저합금 강의 경우와 기본적으로 같다. 즉 합금을 오스테나이트화하고 마르텐사이트 조직이 되도록 급냉시킨 다음, 응력을 제거하고 인성을 증가시키기 위해 템퍼링을 한다. Fe-12~17% Cr 합금은 경화능이 우수해서 수냉할 필요가 없으며 좀더 느린 냉각속도로도 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있다. 표 6을 보면 410과 440C형 마르텐사이트계 스테인리스강의 화학조성을 알 수 있다. 크롬을 12% 함유한 410 스테인리스강은 강도가 비교적 낮은 마르텐사이트계 스테인리스강으로 기계 부품이나 펌프축, 볼트, 부싱 (Bushing)등 다목적의 열처리가 쉬운 곳에 이용된다. Fe-Cr 합금의 탄소 함량이 약 1%까지 증가하면 루프가 확장되어 약 1%C를 함유한 Fe-Cr 합금은 약 16% Cr을 함유할 수 있고 오스테나이트화 처리와 담금질 후에 마르텐사이트 조직 으로 된다. 16% Cr과 1%C를 함유한 440C형 합금은 내식성 강보다는 경도가 높은 마르텐사이 트계 스테인리스강이다. 이렇게 경도가 높은 이유는 단단한 마르텐사이트 기지와 고농도의 1차 탄화물 때문이다. 표 6 스테인리스강의 종류 및 화학성분
2.3 오스테나이트계 스터I인리스강 오스테나이트계 스테인리스강(Austenitic Stainless Steels)은 주로 약 16~25% Cr과 20% Ni를 함유하는 Fe-Cr-Ni의 3원계 합금이다. 이 합금을 오스테나이트계라 하는 이유는 모든 정상적인 열처리 온도에서 오스테나이트 조직 (FCC, γ-철 유형)을 갖기 때문이다 . FCC구조를 갖는 니켈때문에 FCC구조가 상온에서도 남아 있을 수 있게 되고 FCC 구조를 갖고 있기때문에 성형성이 매우 좋다 표 6에 301, 304, 347 형 오스테나이계 스테인리스강의 화학조성을 나타내었다. 표 6에서L Grade 는 저탄소 (Low Carbon)를 의미한다. 즉， 316과 316L은 서로 다른 재질로 분류된다 . L grade는 주로 용접성 및 내공식성 (Pitting에 대한 저항성)의 향상을 위해 사용 되고 있다. 스테인리스강은 탄소함량이 높을수록 내부식성 이 저하되는 경향이 있는데 이는 탄소가 내식성을 주기 위해 스테인리스강에 첨가한 Cr과 결합하여 Cr고갈지역을 형성시켜 공식 (Pitting) 현상을 유발하기 때문이다. 그러므로 탄소함량이 높은 (0.08%이하) :316이 탄소함량이 낮은 (0.03% 이하) 316L 보다 내식성이 떨어진다고 볼 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스강은 탄화물이 고온으로부터의 급냉으로 인해고 용체내에 남아 있게 되므로 페라이트계나 마르텐사이트계에 비해 내식성이 좋다. 그러나 만일 이들 합금이 고온에서부터 870~600℃영역을 통해 서냉되거나 용접되면 크롬을 함유한 탄화물이 결정립계에 석출되어셔 입계 부식이 일어나기 쉽다. 이러한 단점은 합금 내에 최대 탄소 함량을 약 0.03%C(304L형 합금)로 낮추거나, Nb(347형 합금)같은 합금 원소를 첨가해서 합금내의 탄소와 결합시킴으로써 어느 정도는 극복할 수 있다. 2.4 석출경화계 스테인리스강 석출경화계스터l인리스강은 내식성이우수하면서 강도가 매우 탁월해 펌프나 밸브의 Shaft 재료로 사용된다. 이 강종은 크게 세미오스테나이트껴 I (Semiaustenite) 와 마르텐사이트계로 나눈다. 이들의 종류 및 화학성분은 표 6과 같다. 2.5 주조용 스테인리스강 주조용 스테인리스강의종류 및 화학성분은 표 7과 같다. 표 7 주조용 스테인리스강의 종류 및 화학성분
표 7 의 CF-3 에서 3 은 탄소량 0.03% 를 의미 하고, M 은 화학성분 중에 Mo가 있음을 나타낸다. 그러므로 CF-3 및 CF-3M 은 CF-8 및 CF-8M 에 비하여 저탄소 (Low Carbon)이다. 그리고 CF-3M, CF-8M 및 CF-12M은 316 스테인리스강을 표시 하는 것이다. 그러므로 전술한 바와 같이 저탄소인 CF-3 이 CF-8 보다, 그리고 CF-3M이 CF-8M 보다 내식성이 좋다고 할 수 있다. 한편 316 과 CF-8M의 화학성분은 유사하지만, CF계열은 주조(Casting)용이고 316 은 단조 (Forging)용이다. CF-8M은 316 보다 Cr 량이 많고 Ni 량이 적다. 이런 경향은 316L 과 CF-3M 에서도 마찬가지 이다. 그러므로 단조용과 주조용을 구분하여 용도에 맞게 사용해야 할 것 이다. [출처] 재료의 종류 및 특징|작성자 안지 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
