KR102005481B1 - 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents

발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전소 가스터빈의 연소실 내부에 장착되어 연소실 내부 부품의 보호 및 단열을 위해 사용될 수 있는 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 특징은, 알루미나, 멀라이트, 실리카, 알루미나 시멘트를 혼합하여 케스타블을 제조하는 케스타블 제조단계(S10)와, 케스타블을 성형틀에 주입하여 성형물을 성형하는 성형물 성형단계(S20)와, 성형된 성형물을 110~150도(℃)의 온도에서 건조하는 성형물 건조단계(S30)와, 건조된 성형물을 1,600~1,700도(℃)의 온도에서 소결하여 조성물을 완성하는 성형물 소결단계(S40)를 포함한다.

Description

발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물 및 그 제조방법{COMBUSTION CHAMBER INNER LINING COMPONENT OF GAS TURBINE AND METHODE THEREOF}
본 발명은 발전소 가스터빈의 연소실 내부에 장착되어 연소실 내부 부품의 보호 및 단열을 위해 사용될 수 있는 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에, 일반적으로 가스터빈의 구동 시, 가스 연소 과정에 의해 연소실 내부 온도는 약 1,300℃까지 상승하게 된다.
세라믹 재질의 경우 금속 재질에 비해 연소 온도에서의 내화성, 내식성이 안정한 특성을 가지고 있으며, 열전도율이 낮기 때문에 단열 효과가 있어 라이닝재로 적합한 재질이다.
가스 터빈 연소실 내에서 사용되는 라이닝재는 운용 시 발생하는 진동에 견딜 수 있도록 적정 강도가 부여되어야 하며, 급승온에 의한 열충격 및 라이너 내-외부의 온도 차이에 의한 열충격에 견뎌낼 수 있어야 한다.
타일과 타일 간의 간격이 5mm 이하이기 때문에 온도 상승에 따른 열팽창에 의한 타일 간 간섭이 없도록 열팽창계수가 높지 않아야 하며, 사용 중 크랙 발생 시 전파가 억제되어 라이닝재 파괴로 인한 부품 비산으로 가스터빈 베인, 블레이드의 추가피해가 발생되지 않도록 해야 한다.
또한 지속적인 고온에서의 노출에 의한 추가 소결 및 그에 따른 치수 변화가 억제되어야 한다.
따라서, 상기와 같은 환경에서 적용 가능한 재질의 라이닝재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 특허청에 출원되어 공개된 공개특허공보 10-2003-0038748호(2003.05.16.)가 게재되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발전소 가스터빈의 연소실 내부에 장착되어 연소실 내부 부품의 보호 및 단열을 위해 사용될 수 있는 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물 제조방법은, 알루미나, 멀라이트, 실리카, 알루미나 시멘트를 혼합하여 케스타블을 제조하는 케스타블 제조단계(S10)와, 케스타블을 성형틀에 주입하여 성형물을 성형하는 성형물 성형단계(S20)와, 성형된 성형물을 110~150도(℃)의 온도에서 건조하는 성형물 건조단계(S30)와, 건조된 성형물을 1,600~1,700도(℃)의 온도에서 소결하여 조성물을 완성하는 성형물 소결단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 알루미나는 47~64 중량%이고, 멀라이트는 33~46 중량%이며, 실리카는 2~4 중량%이고, 알루미나 시멘트는 1~3 중량%인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 멀라이트는 알루미나 70~80 중량% 및 실리카 20~30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 알루미나의 평균 입경은 0.5㎛~3mm이며, 소결알루미나 및 하소알루미나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝 조성물의 열팽창계수는 5.5*10-6/℃ ~ 7.5*10-6/℃ 인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝 조성물의 비중은 2.85~3.05 g/cm3, 기공률은 10.0~20.0 %, 꺾임강도는 5~20 MPa, 열간꺾임강도는 3~7 MPa, 열충격강도는 3~7 MPa, 압축강도는 80~130 MPa, 1,400도(℃)에서 기준 잔존선치수변화율은 ±0.2 % 인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물에 있어서, 알루미나 47~64 중량%, 멀라이트 33~46 중량%, 실리카 2~4 중량%, 알루미나 시멘트 1~3 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 발전소 가스터빈의 연소실 내부에 장착되어 연소실 내부 부품의 보호 및 단열을 위해 사용될 수 있어서, 열적, 화학적, 기계적 및 열용적 안정성이 조화를 이룰 수 있음에 따라 사용특성이 우수해지는 효과가 있다.
또한, 성형틀을 이용하여 라이닝의 조성물을 완성하므로 원하는 형태로 성형할 수 있다.
또한, 성형틀에서 성형된 성형물을 건조한 후에 소결하므로 높은 경도의 라이닝 조성물이 완성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물을 제조하는 과정을 보인 순서도.
도 2는 본 발명에 적용되는 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝재를 보인 사진.
도 3은 도 2의 라이닝재의 양측이 가공된 상태를 보인 사진.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 자세히 살펴본다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 알루미나, 멀라이트, 실리카, 알루미나 시멘트를 혼합하여 케스타블(CASTABLE)을 제조하는 케스타블 제조단계(S10)와, 케스타블을 성형틀에 주입하여 성형물을 성형하는 성형물 성형단계(S20)와, 성형된 성형물을 110~150도(℃)의 온도에서 1~3일 동안 건조하는 성형물 건조단계(S30)와, 건조된 성형물을 1,600~1,700도(℃)의 온도에서 6~7일 동안 소결하여 조성물을 완성하는 성형물 소결단계(S40)를 포함한다.
여기서, 본 발명에 사용되는 알루미나의 평균 입경은 0.5㎛~3 mm로 미분 및 골재 형태로 투입되며, 내열충격성이 강한 소결알루미나와 고온 소결성이 좋은 하소알루미나로 구성된다. 골재의 경우 라이닝에 내열충격성을 부여하는 역할을 하며, 미분의 경우 소결이 일어나면서 골재-골재를 연결시켜주어 라이닝의 강도를 부여하는 역할을 한다.
골재의 경우 30~40 중량% 이내, 미분은 20~30 중량%를 포함한다. 미분 함량이 너무 적으면 골재 간 결합이 잘 이루어지지 않아 강도가 약해지며, 미분 함량이 너무 많으면 강도는 높아지나 조직의 치밀화가 이루어져 열충격에 취약해지는 특징이 있다.
알루미나 47~64 중량%, 멀라이트 33~46 중량%, 실리카 2~4 중량%, 알루미나 시멘트 1~3 중량%인 것이 바람직하다.
멀라이트는 알루미나 70~80 중량% 및 실리카 20~30 중량%를 포함한다. 멀라이트 이외에 알루미나와 실리카를 원료 형태로 첨가 후 합성을 통하여 멀라이트 매트릭스를 형성하여 전체적으로 저열팽창 특성을 부여할 수 있다.
그리고, 본 발명에 사용되는 멀라이트의 원료 함량은 33~46 중량%이다. 33% 미만일 경우 멀라이트의 첨가 목적인 내열충격성 향상 및 저열팽창성의 특성 발현이 잘 일어나지 않으며, 46% 이상 첨가 시에는 전체 매트릭스의 강도가 저하되는 문제가 있다.
성형물이 소결되는 과정에서 케스타블이 모두 산화물로 구성되어 있기 때문에 산화분위기에서 소결을 진행하며, 6~7일 동안 소결공정을 통해 열적, 구조적, 안정성이 향상된 라이닝이 완성될 수 있다.
또한, 본 발명의 연소실 내부 라이닝재에 대한 비중은 2.85~3.05 g/cm3, 기공률은 10.0~20.0%, 꺾임강도는 5~20MPa, 열간꺾임강도는 3~7MPa, 열충격강도는 3~7MPa, 압축강도는 80~130MPa, 1,400도(℃)에서 기준 잔존선치수변화율은 ±0.2% 인 것이 바람직하다.
이와 같은, 제조방법으로 제조된 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물은 하기와 같은 물성을 가지며, 각 물성이 갖는 의미는 다음과 같다.
열팽창계수는 그 값이 증가할수록 온도의 상승에 따른 라이닝재의 열변형이 발생되어 라이닝재 간의 간섭 현상 및 라이닝 고정 부품과의 간섭 현상으로 야기되는 응력 발생에 의한 부재 탈락 현상이 일어날 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝재는 5.5*10-6/℃ ~ 7.5*10-6/℃의 열팽창계수 값을 가지며, 내열충격성이 우수한 특성을 가진다. 이러한 특성은 열팽창계수가 낮으며 열적 안정성이 우수한 멀라이트와 소결 과정에서 합성되는 멀라이트 및 미분 알루미나의 비율을 적절하게 배합하여 적용함으로써 나타난다.
또한, 본 발명의 연소실 내부 라이닝재에 대한 비중은 2.85~3.05 g/cm3, 기공률은 10.0~20.0 %, 꺾임강도는 5~20 MPa, 열간꺾임강도는 3~7 MPa, 열충격강도는 3~7 MPa, 압축강도는 80~130 MPa, 1,400도(℃)에서 기준 잔존선치수변화율은 ±0.2 % 인 것이 특징이며, 상기 물성을 갖는 연소실 내부 라이닝은 화학적, 열적 안정성이 우수할 뿐만 아니라, 고온 기계강도 및 크랙 전파 억제 특성이 우수하여 고온에서의 안정적인 지속적 사용이 가능하다.
이하, 본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것으로서 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
[시험예]
열팽창계수 측정
연소실 내부 라이닝재 시편을 ㅨ6*25 mm 로 가공하여 1,000 ℃까지 산화 분위기에서 가열하여 평균 열팽창계수를 측정하였다.
부피비중, 기공률 측정 (KS L ISO 5017)
연소실 내부 라이닝재 시편을 35*35*35 mm로 가공하여 아르키메데스 법으로 부피비중 및 기공률을 측정하였다.
곡강도 측정 (KS L 3110)
연소실 내부 라이닝재 시편을 15*15*80 mm로 가공하여 3점 곡강도 실험으로 곡강도를 측정하였다. 이 때 crosshead speed는 분당 0.1 mm로 하였으며, span은 60 mm로 하였다.
압축강도 측정 (KS L 3503)
연소실 내부 라이닝재 시편을 35*35*35mm 로 가공하여, crosshead speed를 분당 0.1 mm로 설정 후 압축강도를 측정하였다.
열간곡강도 측정 (KS L 3139)
연소실 내부 라이닝재 시편을 15*15*80 mm로 가공하여, 시편의 온도를 1,500℃까지 가열한 상태에서 3점 곡강도 실험으로 곡강도를 측정하였다.
내스폴링성(열충격강도) 측정 (KS L 1003)
연소실 내부 라이닝재 시편을 15*15*80 mm로 가공한 뒤, 1,100 ℃로 30분간 가열한 후 흐르는 물에 담궈 급냉시킨 후 균열의 유무 파악 및 그 강도를 3점 곡강도 실험으로 측정하였다.
잔존선치수변화율 측정 (KS L 3518)
연소실 내부 라이닝재 시편을 35*35*60 mm로 가공한 뒤 가열 전의 길이를 측정하고, 1,400 ℃로 3시간 가열 후 자연냉각을 시킨 다음 길이를 측정하여 치수변화율을 측정하였다.
[실시예 1~4, 비교예 1~3]
하기 표 1은 본 발명에서 사용된 원료의 성분 및 첨가량을 나타낸 것이고, 하기 표 2는 그에 따른 물성 측정 결과를 나타낸 것이다. 멀라이트는 용융품을 사용하였다.
하기 표 1과 같은 조성으로 각각의 성분을 혼합하여 캐스터블을 제조한 후, 몰드에 캐스팅하여 성형한 후 110 ℃에서 24시간 이상 건조하고, 1,650 ℃에서 총 7일간 소결하여 연소실 내부 라이닝재를 제조하였다.
조성 알루미나 멀라이트 실리카 알루미나
시멘트
>1 mm <1 mm 1.5~0.5 mm <0.5 mm
실시예 1 30 25 30 10 3 2
실시예 2 30 27 30 10 1 2
실시예 3 30 24 25 15 4 2
실시예 4 25 30 25 15 2 3
비교예 1 30 28 30 10 0 2
비교예 2 15 50 30 - 3 2
비교예 3 25 20 30 20 3 2
항목 열팽창
계수		 부피
비중		 기공률 곡강도 압축
강도		 열간
곡강도		 열충격
강도		 잔존선
치수
변화율
실시예 1 0.63 2.93 14.8 12.5 110 6.4 6.9 +0.08
실시예 2 0.65 2.99 14.4 14.3 111 4.1 6.7 -0.01
실시예 3 0.70 2.98 15.7 16.1 115 7.0 5.4 +0.10
실시예 4 0.71 2.97 17.2 12.9 108 3.6 3.2 +0.02
비교예 1 0.69 3.00 14.0 13 105 3.0 4.0 -0.07
비교예 2 0.72 2.99 15.7 19.2 135 3.4 2.8 +0.03
비교예 3 0.58 2.93 13.9 10.1 92 2.5 3.4 +0.04
상기의 표 1에 대한 조성으로 물성시험 측정 결과 표 2에서 보이는 바와 같이 재질 내의 멀라이트 함량이 증가하면서 열팽창계수가 낮아짐을 확인할 수 있었으며, 미분부에서의 멀라이트가 생성되지 않을 경우 열간 강도가 낮아짐을 확인할 수 있었다. 또한 미분 알루미나가 과량 투입될 경우 재질의 강도는 높아지나 열간 특성이 낮아짐을 비교예 2를 통하여 확인할 수 있었다. 멀라이트 함량이 높아지면서, 열팽창계수는 낮아지나, 강도 측면에서도 낮아짐을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명은 가스 터빈 연소실 내부를 둘러싸는 형태로 장착되어 내부 부품 보호 및 단열 역할을 수행하므로 연소실 내부 라이닝재용 조성물에 적용되어 널리 사용될 수 있는 매우 유용한 발명이라 할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의의 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S10 : 케스타블 제조단계
S20 : 성형물 성형단계
S30 : 성형물 건조단계
S40 : 성형물 소결단계

Claims (8)

  1. 케스타블을 성형틀에 주입하여 성형물을 성형하는 성형물 성형단계(S20)와,
    성형된 성형물을 110~150도(℃)의 온도에서 건조하는 성형물 건조단계(S30)와,
    건조된 성형물을 1,600~1,700도(℃)의 온도에서 소결하여 조성물을 완성하는 성형물 소결단계(S40)를 포함하고,
    알루미나는 47~64 중량%이고, 실리카는 2~4 중량%이며, 알루미나 시멘트는 1~3 중량%이고, 멀라이트는 33~46 중량%이어서, 내열충격성 향상 및 저열팽창성이 있으며,
    멀라이트는 알루미나 70~80 중량% 및 실리카 20~30 중량%를 포함하여, 멀라이트 이외에 알루미나와 실리카를 첨가 후 합성을 통하여 멀라이트 매트릭스를 형성하여 전체적으로 저열팽창 특성을 부여할 수 있고,
    알루미나는 평균 입경이 0.5㎛~3mm로 미분 및 골재 형태로 투입되며, 내열충격성이 강한 소결알루미나와 고온 소결성이 좋은 하소알루미나로 구성되어, 골재의 경우 라이닝에 내열충격성을 부여하는 역할을 하고, 미분의 경우 소결이 일어나면서 골재-골재를 연결시켜주어 라이닝의 강도를 부여하는 역할을 하며,
    골재는 30~40 중량%를 포함하고, 미분은 20~30 중량%를 포함하며,
    발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝 조성물의 열팽창계수는 5.5*10-6/℃ ~ 7.5*10-6/℃ 이어서, 내열충격성이 우수할 수 있고,
    발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝 조성물의 비중은 2.85~3.05 g/cm3, 기공률은 10.0~20.0%, 꺾임강도는 5~20MPa, 열간꺾임강도는 3~7MPa, 열충격강도는 3~7MPa, 압축강도는 80~130MPa, 1,400도(℃)에서 기준 잔존선치수변화율은 ±0.2% 이어서, 라이닝은 화학적, 열적 안정성, 고온 기계강도 및 크랙 전파 억제가 우수하며,
    성형물 소결단계(S40)에서 케스타블이 산화물로 구성되기 때문에 산화분위기에서 소결을 진행하며, 6~7일 동안 소결공정을 통해 열적, 구조적, 안정성이 향상될 수 있는 것을 특징으로 하는 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 의한 제조방법으로 제조된 발전소 가스터빈의 연소실 내부 라이닝의 조성물.
  8. 삭제
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