고온 부식과 저온 부식

고온 부식과 저온 부식에 대해서

금속의 부식은 재료의 특성과 사용 조건, 주변 환경 등 많은 요소의 영향을 받는데요. 그 중에서도 연료를 연소시켜 생성된 연소가스의 영향을 받는 부식은 특징이 있습니다. 이번에는 중유연소기관 등의 고온환경에서의 금속에서 볼 수 있는 고온부식과 연료중의 유황분에 의해 금속이 부식하는 저온부식에 대해 소개합니다.

고온 부식이란?

고온 부식이란 400도를 넘는 고온 환경 하에서의 부식을 말해요. 고온 부식에는 어떤 특징이 있을까요?

고온 부식의 메커니즘
고온의 환경에는 온도, 고온 가스, 용융염 등 금속 부식의 원인이 되는 다양한 요소가 존재해요. 공업, 건축에 사용되는 금속의 경우, 고온의 환경하에서는 온도에 의해 모든 것이 산화를 일으킬 가능성이 있는데 이러한 고온 환경에서 금속이 산화하는 것이 고온 산화입니다.

고온 산화의 직접적인 요인이 되는 것은 고온의 공기, 산소, 수증기, 이산화탄소 등이 있어요. 일반적으로, 고온 환경하에 있는 금속은 환경 중의 산소를 이용하여 생성한 산화 피막으로 덮여 있고, 이 산화 피막이 환경과 금속과의 직접적인 접촉을 막아, 부식 방지의 역할을 담당하고 있지요.

그런데 이 환경 중에 특히 부식의 유인이 되는 물질이 포함되어 있으면 온도 상승에 의해 이 화합물이 녹아 산화 피막에 부착하여 막이 파괴되어 부식이 일어나는데 바로 이것이 고온 부식의 기본 메커니즘입니다.

탄소강의 고온 부식
고온 산화의 예로서, 예를 들어 탄소강은 500℃ 내지 550℃ 이상의 환경에서 산화 속도가 증가합니다. 이때 570℃ 이하에서는 내층에 마그네타이트, 외층에 헤마타이트의 산화물을 생성하지만, 570℃ 이상에서 발생하는 산화물은 우스타이트가 최 내층, 마그네타이트가 중층, 헤마타이트가 외층입니다.

3가지 물질의 구성 비율로는 우스타이트가 대부분을 차지하지만, 이윽고 탄소강이 냉각되어 570℃ 이하로 내려가면 마그네타이트와 철로 분해됩니다. 이러한 경우 산화가 일어나는 온도에 따라 산화물로 생성되는 물질에 큰 차이가 생기는 것이죠.

고온 부식이 발생하는 경우
고온 부식을 볼 수 있는 케이스로서는 발전용 가스 터빈, 증기 터빈, 디젤 엔진, 제트 엔진, 에틸렌 제조 장치 등 석유나 저질 중유 등을 연소하는 경우를 들 수 있어요. 예를 들어 저질 중유에서는 오산화바나듐, 황산나트륨, 염화나트륨 등의 화합물이 고온 부식이 되는 원인이지요.

고온 부식에 있어서는 원인 물질이 되는 화합물에 다양한 종류가 있지만, 그 화합물의 융점은 각각 다르기 때문에, 온도대에 의해 완전히 다른 원인 물질에 의한 부식을 나타냅니다. 고온 부식을 방지하기 위해서는 고온 환경 하에서도 기계적 성질에 변화가 생기기 어려운 내열 합금이나 내열강을 사용하는 등의 대책을 해야 합니다.

저온 부식이란?

저온 부식이란 연료가 연소함에 있어 연료 중의 유황분이 원인 물질이 되어 발생하는 부식입니다. 저온 부식의 메커니즘은 무엇일까요?

저온 부식 메커니즘
유황분을 포함한 연료를 연소시키는 경우, 연소 시에 이산화황(아황산가스)이 생성되는데요. 이산화유황은 연소가스로서 배출 처리되지만, 이 중 가스 안에서 삼산화황으로 산화한 것은 환경 중에 포함된 수증기에 의해 황산 증기로 변질돼요. 황산 증기는 농도나 연소 압력, 수분 등에 따라 이슬점이 다른 물질입니다. 하지만 환경 온도가 이슬점에 도달하면 황산 수용액으로 결로 하는데, 이 현상을 저온 부식(황산 이슬점 부식)이라고 합니다.

저온 부식이 발생하는 경우
저온 부식은 디젤 엔진의 피스톤 외부 표면, 가스 통로, 실린더 내면 등에서 발생해요. 이 엔진 내부의 사이트는 언뜻 보면 오히려 고온 환경에 있다고 생각할 수 있지만 실은 냉각수 등의 냉각 기구에 의해 일정한 저온으로 유지되고 있어 더욱 황산 증기와 항상 접하고 있는 상태가 되기 쉽고, 따라서 종종 황산 수용액에 의한 심한 부식의 피해를 받는 것입니다.

정리

고온 부식과 저온 부식은 부식이 발생하는 메커니즘과 원인 물질이 완전히 다르다는 것을 알 수 있습니다. 특히 기계에 발생한 부식을 조사할 때는 부식 부위의 온도가 부식 대책을 위한 중요한 지표가 되므로 온도를 확인해 주십시오.

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