JP3345988B2 - Steam turbine rotor - Google Patents

Steam turbine rotor

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JP3345988B2
JP3345988B2 JP26332793A JP26332793A JP3345988B2 JP 3345988 B2 JP3345988 B2 JP 3345988B2 JP 26332793 A JP26332793 A JP 26332793A JP 26332793 A JP26332793 A JP 26332793A JP 3345988 B2 JP3345988 B2 JP 3345988B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は新規な耐熱鋼に係り、特
に621℃以上において高いクリープ破断強度と低温に
おいて高い靭性を有し、かつ均一な焼もどしマルテンサ
イト組織を有する蒸気タービン用ロータとその製造法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel heat-resistant steel, and more particularly to a steam turbine rotor having a high creep rupture strength at 621 ° C. or higher, a high toughness at low temperature, and a uniform tempered martensite structure. It relates to the manufacturing method.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の蒸気タービンは蒸気温度最大56
6℃,蒸気圧力246atg である。このロータ材は1C
r−1Mo−1/4V低合金鋼や、特公昭40−4137号公
報に示されている11Cr−1Mo−V−Nb−N鋼が
用いられている。
2. Description of the Related Art A conventional steam turbine has a maximum steam temperature of 56.
The temperature is 6 ° C and the steam pressure is 246 atg. This rotor material is 1C
r-1Mo-1 / 4V low alloy steel and 11Cr-1Mo-V-Nb-N steel disclosed in Japanese Patent Publication No. 40-4137 are used.

【0003】しかし、石油,石炭などの化石燃料の枯渇
及び省エネの観点から、火力発電プラントの高効率化が
望まれている。発電効率を上げるためには蒸気タービン
の蒸気温度を上げるのが最も有効な手段である。これら
の高効率タービン用材料としては、現用ロータ材では強
度不足で、これよりも高強度の材料が必要である。
[0003] However, from the viewpoint of depletion of fossil fuels such as petroleum and coal and energy saving, it is desired to increase the efficiency of thermal power plants. Raising the steam temperature of the steam turbine is the most effective means to increase the power generation efficiency. As these high-efficiency turbine materials, the strength of the current rotor material is insufficient, and a material having a higher strength is required.

【0004】しかし、前述した合金はいずれも、蒸気温
度621℃以上の高温蒸気タービンロータは、高温強度
が不足である。
However, in all of the above-mentioned alloys, high-temperature steam turbine rotors having a steam temperature of 621 ° C. or higher have insufficient high-temperature strength.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】前述の従来使用材料よ
りも高温強度の高い材料は、Co基耐熱合金及びNi基
耐熱合金が知られている。しかし、これらの合金は高温
クリープ破断強度に優れているが、コストが高い上に熱
膨張係数が大きいために、タービンの起動停止時に大き
な熱応力を発生する問題があった。
As the materials having higher high-temperature strength than the above-mentioned conventional materials, Co-base heat-resistant alloys and Ni-base heat-resistant alloys are known. However, although these alloys are excellent in high-temperature creep rupture strength, there is a problem that a large thermal stress is generated when the turbine is started and stopped because of high cost and high thermal expansion coefficient.

【0006】本発明の目的は熱膨張係数が従来使用材と
同等で、621℃以上でのクリープ破断強度の高く、か
つ低温靭性の高い蒸気タービンロータと、その製造法を
提供することにある。
An object of the present invention is to provide a steam turbine rotor having a coefficient of thermal expansion equivalent to that of a conventionally used material, having a high creep rupture strength at 621 ° C. or higher, and a high low-temperature toughness, and a method of manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、重量比でC
0.06〜0.16%,Si0.2%未満,Mn1%未満,
Cr8〜13%,Ni0.2〜0.9%,V0.05〜0.
3%,Nb0.01〜0.20%,N0.005〜0.03
5%,Mo0.5%未満,W2を越え3%未満を含有す
る合金鋼に、0.001を越え0.03%未満のBと2%
未満のCoを添加することによって、高い高温強度と高
い低温靭性が得られることを究明してなされたものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, there is provided a method wherein C
0.06 to 0.16%, Si less than 0.2%, Mn less than 1%,
Cr 8-13%, Ni 0.2-0.9%, V 0.05-0.5.
3%, Nb 0.01 to 0.20%, N 0.005 to 0.03
In alloy steels containing 5%, less than 0.5% Mo, and more than W2 and less than 3%, B and 2% of more than 0.001 and less than 0.03%
It has been found that high-temperature strength and high-temperature toughness can be obtained by adding less than Co.

【0008】また、重量比でC0.06〜0.14%,S
i0.1% 未満,Mn1%未満,Cr8〜12%,Ni
0.2〜0.9%,V0.05〜0.3%,Nb0.01〜
0.20%,N0.005〜0.035%,Mo0.5未満
%,W2を越え3%未満を含有する合金鋼に、0.01
を越え0.025%未満のB及び2%未満のCoを添加
することによって、ロータより高い高温強度と高い低温
靭性が得られることを実験的に究明してなされたもので
ある。
[0008] Further, C in a weight ratio of 0.06-0.14%, S
i less than 0.1%, Mn less than 1%, Cr 8 to 12%, Ni
0.2 to 0.9%, V 0.05 to 0.3%, Nb 0.01 to
The alloy steel containing 0.20%, N 0.005 to 0.055%, Mo less than 0.5%, and W2 more than 3% contains 0.01%.
It has been experimentally determined that the addition of B of less than 0.025% and Co of less than 2% provides higher high-temperature strength and high-temperature toughness than the rotor.

【0009】さらに、重量比でC0.09〜0.14%,
Si0.07%未満,Mn0.7%未満,Cr9.5〜1
2%,Ni0.3〜0.7%,V0.15〜0.25%,N
b0.04〜0.08%,N0.015〜0.025%,M
o0.4%未満,W2.3〜2.7を含有する合金鋼に、
0.01を越え0.02%未満のB及び0.5を越え2%
未満のCoを添加することによって、ロータよりさら
に、高い高温強度と高い低温靭性が得られることを実験
的に究明してなされたものである。
[0009] Further, the weight ratio of C 0.09 to 0.14%,
Si less than 0.07%, Mn less than 0.7%, Cr 9.5 to 1
2%, Ni 0.3 to 0.7%, V 0.15 to 0.25%, N
b 0.04 to 0.08%, N 0.015 to 0.025%, M
o To an alloy steel containing less than 0.4% and W 2.3 to 2.7,
B over 0.01 and less than 0.02% and 2% over 0.5
It has been experimentally determined that by adding less than Co, higher high-temperature strength and high-temperature toughness can be obtained than in a rotor.

【0010】本発明の12Cr耐熱鋼では、C及びN含
有量が次式の範囲内に調整することによって、高い高温
強度と高い低温靭性を有する蒸気タービンロータが得ら
れる。
In the 12Cr heat-resistant steel of the present invention, a steam turbine rotor having high high-temperature strength and low-temperature toughness can be obtained by adjusting the contents of C and N to be within the following ranges.

【0011】[0011]

【数3】 C+2N=0.13〜0.2 …(1) 本発明の12Cr耐熱鋼では、Ta0.2%以下、Ti
0.1%以下及びZr0.1% 以下のうち、少なくとも
一種を添加することによって、高い低温靭性を有する蒸
気タービンロータが得られる。
C + 2N = 0.13 to 0.2 (1) In the 12Cr heat-resistant steel of the present invention, Ta is 0.2% or less,
By adding at least one of 0.1% or less and Zr 0.1% or less, a steam turbine rotor having high low-temperature toughness can be obtained.

【0012】本発明の12Cr耐熱鋼ロータ材では、高
い高温強度と低温靭性並びに高い疲労強度得るために、
次式で計算されるCr当量を4〜10に成分調整し、金
属組織を全焼もどしマルテンサイトにする必要がある。
In the 12Cr heat-resistant steel rotor material of the present invention, in order to obtain high high-temperature strength, low-temperature toughness and high fatigue strength,
It is necessary to adjust the Cr equivalent calculated by the following formula to 4 to 10 and to completely temper the metal structure to martensite.

【0013】[0013]

【数4】 Cr当量=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb−40C −30N−30B−2Mn−4Ni−2Co …(2) 本発明の12Cr耐熱鋼では、621℃以上の蒸気中で
使用されるので、650℃,105hクリープ破断強度10
kgf/mm2以上、室温衝撃吸収エネルギ1.5 kgf−m以
上にしなければならない。
## EQU4 ## Cr equivalent = Cr + 6Si + 4Mo + 1.5W + 11V + 5Nb-40C-30N-30B-2Mn-4Ni-2Co (2) Since the 12Cr heat-resisting steel of the present invention is used in steam at 621 ° C. or higher, it is 650 ° C., 10 ° C. 5 h creep rupture strength 10
kgf / mm 2 or more and room temperature impact absorption energy 1.5 kgf-m or more.

【0014】本発明12Cr耐熱鋼ロータは、12Cr
耐熱鋼ロータ材を目標組成とする合金原料を電気炉で溶
解し精錬後、真空カーボン脱酸法で脱酸し、電極を作製
し、この電極を用いエレクトロスラグ再溶解法で鋼塊を
作製し、この鋼塊を熱間鍛錬で成形することにより健全
なものが作製できる。
[0014] The 12Cr heat-resistant steel rotor of the present invention comprises 12Cr
An alloy material with a target composition of heat-resistant steel rotor material is melted and refined in an electric furnace, then deoxidized by vacuum carbon deoxidation, an electrode is made, and an ingot is made by electroslag remelting using this electrode. By forming the steel ingot by hot forging, a sound product can be produced.

【0015】また、12Cr耐熱鋼ロータ材を950〜
1200℃で熱間鍛錬成形後、950〜1150℃に加熱
し、660〜750℃まで冷却し、この温度で恒温焼鈍
し、更に1000〜1150℃に加熱焼入れ後、550
〜650℃及び650〜750℃で2回焼もどしを行うこ
とにより、621℃以上の蒸気中で使用可能な蒸気ター
ビンロータが製造できる。
[0015] The rotor material of 12Cr heat-resistant steel is 950-
After hot forging at 1200 ° C., it is heated to 950 to 1150 ° C., cooled to 660 to 750 ° C., annealed at this temperature, and further quenched by heating to 1000 to 1150 ° C.
By performing tempering twice at -650 ° C and 650-750 ° C, a steam turbine rotor usable in steam at 621 ° C or higher can be manufactured.

【0016】[0016]

【作用】Cは高い引張強さを得るために0.06%以上
必要な元素であるが、0.16%を越えると高温に長時
間さらされた場合に金属組織が不安定になり長時間クリ
ープ破断強度を低下させるので、0.06〜0.16%に
限定される。特に0.09〜0.14%が好ましい。
[Function] C is an element required at least 0.06% in order to obtain high tensile strength, but if it exceeds 0.16%, the metal structure becomes unstable when exposed to high temperatures for a long time, and Since the creep rupture strength is reduced, the content is limited to 0.06 to 0.16%. In particular, 0.09 to 0.14% is preferable.

【0017】Nはクリープ破断強度の改善及びδフェラ
イト組織の生成防止に効果があるが、0.005%未満
ではその効果が十分でなく0.035%を越えると靭性
を低下させると共に、クリープ破断強度も低下させる。
特に0.015〜0.03%が好ましい。
N is effective in improving the creep rupture strength and preventing the formation of a δ ferrite structure. However, if the content is less than 0.005%, the effect is not sufficient, and if it exceeds 0.035%, the toughness is reduced and the creep rupture is reduced. It also reduces strength.
Particularly, 0.015 to 0.03% is preferable.

【0018】またCとNの適正範囲は次式を満足すると
ころにあることが実験的に究明された。
It has been experimentally determined that the proper range of C and N satisfies the following equation.

【0019】[0019]

【数5】 C+2N=0.13〜0.2 …(1) Mnは脱酸剤として添加するものであり、少量の添加で
その効果は達成され、1%を越える多量の添加はクリー
プ破断強度を低下させる。特に0.7% 以下が好まし
い。
C + 2N = 0.13-0.2 (1) Mn is added as a deoxidizing agent, and its effect is achieved by adding a small amount, and creep rupture strength is obtained by adding a large amount exceeding 1%. Lower. In particular, it is preferably 0.7% or less.

【0020】Siも脱酸剤として添加するものである
が、真空C脱酸法などの製鋼技術によれば、Si脱酸は
不要である。またSiを低くすることにより有害なδフ
ェライト組織生成防止効果がある。したがって、添加す
る場合には0.2% 以下に抑える必要があり、特に0.
07%未満が好ましい。
Although Si is also added as a deoxidizing agent, according to steelmaking techniques such as vacuum C deoxidizing method, Si deoxidizing is unnecessary. Also, lowering Si has an effect of preventing formation of a harmful δ ferrite structure. Therefore, when it is added, it needs to be suppressed to 0.2% or less, and especially 0.2%.
Less than 07% is preferred.

【0021】Vはクリープ破断強度を高める効果がある
が、0.05% 未満ではその効果が不十分で0.3% を
越えるとδフェライトを生成して疲労強度を低下させ
る。特に、0.15〜0.25%が好ましい。
V has the effect of increasing the creep rupture strength, but if it is less than 0.05%, its effect is insufficient, and if it exceeds 0.3%, δ ferrite is formed and the fatigue strength is reduced. In particular, 0.15 to 0.25% is preferable.

【0022】Nbは高温強度を高めるのに非常に効果的
な元素であるが、あまり多量に添加すると、特に大型鋼
塊では粗大な共晶Nb炭化物が生じ、かえって強度を低
下させたり、疲労強度を低下させるδフェライトを析出
させる原因になるので0.2%以下に抑える必要があ
る。また0.01% 未満のNbでは効果が不十分であ
る。特に大型鋼塊の場合は0.03〜0.1%が、より
0.04〜0.08が好ましい。
Nb is a very effective element for increasing the high-temperature strength. However, if it is added in an excessively large amount, coarse eutectic Nb carbides are generated, especially in large steel ingots, so that the strength is reduced and the fatigue strength is reduced. Must be suppressed to 0.2% or less because it causes δ ferrite to precipitate. On the other hand, if the content of Nb is less than 0.01%, the effect is insufficient. Particularly in the case of a large steel ingot, the content is preferably 0.03 to 0.1%, more preferably 0.04 to 0.08.

【0023】Niは靭性を高め,かつ,δフェライトの
生成を防止するのに非常に有効な元素であるが、0.2
%未満ではその効果が十分でなく、0.9%を越える添
加はクリープ破断強度を低下させるので好ましくない。
特に0.3〜0.7%が好ましい。
Ni is a very effective element for increasing the toughness and preventing the formation of δ ferrite.
%, The effect is not sufficient, and the addition exceeding 0.9% is not preferable because it lowers the creep rupture strength.
Particularly, it is preferably from 0.3 to 0.7%.

【0024】Crは高強度及び高温酸化を改善する効果
がある。13%を越えると有害なδフェライト組織生成
の原因となり、8%より少ないと高温高圧蒸気に対する
耐酸化性が不十分となる。またCr添加は、クリープ破
断強度を高める効果があるが、過剰の添加は有害なδフ
ェライト組織生成及び靭性低下の原因となる。特に、
9.5〜11%、より10.5〜11.5%が好ましい。
Cr has the effect of improving high strength and high temperature oxidation. If it exceeds 13%, a harmful δ ferrite structure is formed, and if it is less than 8%, the oxidation resistance to high-temperature and high-pressure steam becomes insufficient. Further, the addition of Cr has the effect of increasing the creep rupture strength, but the excessive addition causes the formation of a harmful δ ferrite structure and a decrease in toughness. In particular,
It is preferably 9.5 to 11%, more preferably 10.5 to 11.5%.

【0025】Wは高温長時間強度を顕著に高める効果が
ある。2%より少ないWでは、621〜650℃で使用す
る耐熱鋼としては効果が不十分である。またWが3%を
越えると靭性が低くなる。2.1〜2.8%が好ましく,
特に2.3〜2.7%が好ましい。
W has the effect of significantly increasing the high-temperature long-time strength. If W is less than 2%, the effect is insufficient for heat-resistant steel used at 621 to 650 ° C. If W exceeds 3%, the toughness decreases. 2.1-2.8% is preferred,
In particular, it is preferably 2.3 to 2.7%.

【0026】これまでの高Crマルテンサイト系耐熱鋼
には、高温強度向上のために、約1%のMo添加が行な
われていた。しかし、本発明鋼の様に2%を越えるWを
含む場合には、0.5%以上のMo添加は靭性及び疲労
強度を低下させるので、0.5%未満に制限される。
Conventionally, about 1% of Mo has been added to high-Cr martensitic heat-resistant steel in order to improve high-temperature strength. However, when the content of W exceeds 2% as in the steel of the present invention, the addition of Mo of 0.5% or more lowers the toughness and the fatigue strength, so that it is limited to less than 0.5%.

【0027】Ta,Ti及びZrの添加は、靭性を高め
る効果があり、Ta0.2% 以下、Ti0.1%以下及
びZr0.1%以下の単独または複合添加で十分な効果
が得られる。Taを0.1% 以上添加した場合には、N
bの添加を省略することができる。
Addition of Ta, Ti and Zr has an effect of increasing toughness, and a sufficient effect can be obtained by adding Ta 0.2% or less, Ti 0.1% or less and Zr 0.1% or less alone or in combination. When 0.1% or more of Ta is added, N
The addition of b can be omitted.

【0028】本発明の耐熱鋼ロータ材は実質的に全焼も
どしマルテンサイト組織でなければならない、δフェラ
イト組織が混在すると、疲労強度及び靭性が低くなるの
で、組織は均一な焼もどしマルテンサイト組織にする必
要がある。全焼もどしマルテンサイト組織を得るため
に、(1)式で計算されるCr当量を、成分調整により
10以下にしなければならない。Cr当量をあまり低く
するとクリープ破断強度が低下してしまうので、4以上
にしなければならない。特に、Cr当量6〜8が好まし
い。
The heat-resistant steel rotor material of the present invention must have a substantially fully tempered martensitic structure. If a δ ferrite structure is mixed, the fatigue strength and toughness are reduced, so that the structure has a uniform tempered martensitic structure. There is a need to. In order to obtain a fully tempered martensite structure, the Cr equivalent calculated by equation (1) must be reduced to 10 or less by adjusting the composition. If the Cr equivalent is too low, the creep rupture strength decreases, so it must be 4 or more. In particular, a Cr equivalent of 6 to 8 is preferable.

【0029】B添加は高温(621℃以上)クリープ破
断強度を著しく高めるが、B含有量が0.01%未満で
はその効果が不十分である。B含有量が0.04%を越
えると、高温熱間加工性が悪くなるため、上限は0.0
4% に制限される。大形ロータのB含有量は、0.01
〜0.03%が好ましく、特に0.01〜0.02%が好
ましい。
Although the addition of B significantly increases the high temperature (621 ° C. or higher) creep rupture strength, the effect is insufficient when the B content is less than 0.01%. If the B content exceeds 0.04%, the high-temperature hot workability deteriorates, so the upper limit is 0.0.
Limited to 4%. The B content of the large rotor is 0.01
-0.03%, particularly preferably 0.01-0.02%.

【0030】Co添加は有害組織であるδフェライト相
の析出を防止すると共に、クリープ破断強度及び靭性を
高める効果がある。2%以上の添加は、靭性を低める欠
点がでてくる。特に0.5〜1.9%が好ましい。
The addition of Co has the effects of preventing precipitation of the δ ferrite phase, which is a harmful structure, and increasing creep rupture strength and toughness. Addition of 2% or more has the disadvantage of lowering toughness. In particular, it is preferably 0.5 to 1.9%.

【0031】ロータは、621℃以上の蒸気中で高速回
転(3000又は3600rpm)されるので、ブレードを
支持しているダブテール部と中心孔部には、高い応力が
作用するので、クリープ破壊防止の観点から、10kgf
/mm2以上の105hクリープ破断強度が要求される。ま
た、起動時には、メタル温度が低い時に中心孔部に引張
り熱応力が作用するので、脆性破壊防止の観点から、
1.5kgf−m 以上の室温衝撃吸収エネルギが要求され
る。
Since the rotor is rotated at a high speed (3000 or 3600 rpm) in steam at 621 ° C. or higher, a high stress acts on the dovetail portion and the center hole portion supporting the blade. From a viewpoint, 10kgf
/ Mm 2 or more 10 5 h creep rupture strength is required. In addition, at the time of startup, when the metal temperature is low, tensile thermal stress acts on the center hole, so from the viewpoint of preventing brittle fracture,
Room-temperature impact absorption energy of 1.5 kgf-m or more is required.

【0032】ロータ全体を均質にするのには、鋼塊重量
80トン前後(ロータ→直径:1200mm,長さ:約8m)
と大形になるので、高度な製造技術が要求される。本発
明ロータは目標組成とする合金原料を電気炉で溶解し精
錬後、真空カーボン脱酸法で脱酸し、電極を作製し、こ
の電極を用いエレクトロスラグ再溶解法で鋼塊を作製
し、この鋼塊を熱間鍛錬で成形することにより作製でき
る。電気炉とエレクトロスラグ再溶解法で、2回溶解を
繰り返すことにより、成分偏析の少ない均質なロータが
作製できる。
In order to homogenize the entire rotor, a steel ingot weight of around 80 tons (rotor → diameter: 1200 mm, length: about 8 m)
Therefore, advanced manufacturing technology is required. The rotor of the present invention melts the alloy raw material having the target composition in an electric furnace, refines it, deoxidizes it by a vacuum carbon deoxidation method, produces an electrode, and produces an ingot by electroslag remelting using this electrode. The steel ingot can be manufactured by molding by hot forging. By repeating melting twice with an electric furnace and an electroslag remelting method, a homogeneous rotor with less component segregation can be manufactured.

【0033】また、鋼塊の熱間鍛錬は、高温で行うほど
変形抵抗が小さく鍛錬し易いが、あまり高温で行うと割
れてしまうので、950〜1200℃の温度範囲で行わ
なければならない。熱間鍛錬成形後、950〜1150
℃に加熱し、660〜750℃まで冷却し、この温度で
恒温焼鈍し、更に1000〜1150℃に加熱焼入れ
後、550〜650℃及び650〜750℃で2回焼も
どしを行うことにより、10kgf/mm2 以上の650
℃、105hクリープ破断強度と1.5kgf−m以上の室
温衝撃吸収エネルギが得られ、621℃以上の蒸気中で
使用可能な蒸気タービンロータが製造法できる。上記熱
処理で、恒温焼鈍は結晶粒を微細化し、靭性を高める。
また、2回焼もどしは、残留オーステナイトを完全に分
解させ、均一な全焼きもどしマルテンサイト組織にする
ことができる。
The hot forging of the steel ingot is performed at a high temperature because the deformation resistance is small and the forging is easy, but when it is performed at an excessively high temperature, the steel is broken. Therefore, it must be performed in a temperature range of 950 to 1200 ° C. 950-1150 after hot forging
C., cooled to 660-750.degree. C., annealed at this temperature, isothermally quenched at 1000-1150.degree. C., and then tempered twice at 550-650.degree. C. and 650-750.degree. / mm 2 or more of the 650
° C., 10 5 h creep rupture strength and 1.5 kgf-m or more at room temperature impact absorption energy can be obtained, the steam turbine rotor manufacturing method available in 621 ° C. or higher in the vapor. In the above heat treatment, the constant temperature annealing refines crystal grains and increases toughness.
In addition, the twice tempering completely decomposes the retained austenite and makes it possible to form a uniform whole tempered martensitic structure.

【0034】[0034]

【実施例】以下、本発明鋼の実施例について述べる。EXAMPLES Examples of the steel of the present invention will be described below.

【0035】表1は代表的試料の化学組成を示す。Table 1 shows the chemical composition of a representative sample.

【0036】[0036]

【表1】 [Table 1]

【0037】試料は、高周波誘導溶解炉を用い鋼塊を作
製し、次に950〜1150℃で、35mm角棒に熱間鍛
伸した。試料No.8〜13は発明材であり、試料No.
1及び2は従来材である。試料No.1及びNo.2は現
流タービンに使用されているCr−Mo−V鋼及び11
Cr−1Mo−V−Nb−N鋼である。No.3〜No.7
は比較材である。
As a sample, a steel ingot was prepared using a high-frequency induction melting furnace, and then hot forged into a 35 mm square bar at 950 to 1150 ° C. Sample Nos. 8 to 13 are invention materials, and Sample Nos.
1 and 2 are conventional materials. Samples No. 1 and No. 2 were made of Cr-Mo-V steel and 11
Cr-1Mo-V-Nb-N steel. No.3 to No.7
Is a comparative material.

【0038】試料は、大形蒸気タービンロータシャフト
の中心部を想定して次の条件で熱処理(焼入れ・焼もど
し)した。大形ロータの中心部は、水又は油で焼入れし
ても、冷却速度はあまり速くならず、高々100℃/h
である。
The sample was heat-treated (quenched and tempered) under the following conditions, assuming the center of a large steam turbine rotor shaft. Even if the center of the large rotor is quenched with water or oil, the cooling rate is not so high, and is at most 100 ° C./h.
It is.

【0039】試料No.1:970℃×20h100℃
/h冷却 675℃×20h空冷 試料No.2:1050℃×20h 100 ℃/h
冷却 570℃×20h 空冷 675℃×20h 空冷 試料No.3〜13:1050℃×20h 100 ℃
/h 冷却 570℃×20h 空冷 700℃×20h 空冷 試料No.10′は、焼入れ・焼もどし熱処理前に、恒
温焼鈍処理(1050℃まで加熱し、10時間保持後7
00℃まで冷却死、この温度で50時間保持し恒温変態
させ、炉冷)を施したものである。
Sample No. 1: 970 ° C. × 20 h 100 ° C.
/ H cooling 675 ° C × 20h air cooling Sample No.2: 1050 ° C × 20h 100 ° C / h
Cooling 570 ° C x 20h Air cooling 675 ° C x 20h Air cooling Sample Nos. 3 to 13: 1050 ° C x 20h 100 ° C
/ H Cooling 570 ° C × 20h Air cooling 700 ° C × 20h Air cooling Sample No. 10 ′ was subjected to constant temperature annealing treatment (heated to 1050 ° C. and held for 10 hours before quenching / tempering
The sample was cooled to 00 ° C., kept at this temperature for 50 hours, transformed at a constant temperature, and cooled in a furnace.

【0040】表2は室温の引張特性、20℃におけるV
ノッチシャルピー衝撃吸収エネルギ及び650℃、10
5hクリープ破断強度を示す。
Table 2 shows the tensile properties at room temperature and the V at 20 ° C.
Notch Charpy impact absorption energy and 650 ° C, 10
5 h shows the creep rupture strength.

【0041】[0041]

【表2】 [Table 2]

【0042】適量のN,B及びCoを添加した本発明材
(No.8〜10)のクリープ破断強度及び衝撃吸収エネ
ルギは、超々臨界圧タービンロータに要求される特性
(650℃,10h強度≧10kgf/mm2,20℃衝
撃吸収エネルギ≧1.5kg−m)を十分満足する。また、
Ta,Ti及びZrを添加した試料(No.11,12及
び13)の靭性は、かなり優れている。
The material of the present invention to which appropriate amounts of N, B and Co are added
Creep rupture strength and impact absorption energy of (No.8~10) are characteristics required for the ultra supercritical pressure turbine rotor (650 ℃, 10 5 h strength ≧ 10kgf / mm 2, 20 ℃ absorbed energy ≧ 1.5 kg -M) is sufficiently satisfied. Also,
The toughness of the samples (Nos. 11, 12, and 13) to which Ta, Ti, and Zr are added are quite excellent.

【0043】恒温焼鈍処理を施した試料10´の靭性
は、この処理を行わなかった試料No.10より、著しく
改善されている。
The toughness of the sample 10 'subjected to the constant temperature annealing treatment is remarkably improved as compared with the sample No. 10 not subjected to this treatment.

【0044】図1および図2は、衝撃吸収エネルギおよ
びクリープ破断強度に及ぼすC+N量の影響を示す。C
+N量が0.14%の本発明材(No.9)は、比較材(N
o.6:C+N=0.07,No.4:C+N=0.18)
に比べ、クリープ破断強度及び衝撃吸収エネルギが著し
く優れており、要求値を十分満足する。本発明材は、6
50℃以下の温度域(525〜625℃)でも、比較材
より著しく高いクリープ破断強度を示した。
FIGS. 1 and 2 show the effect of the amount of C + N on impact absorption energy and creep rupture strength. C
The material of the present invention (No. 9) having a + N amount of 0.14% is a comparative material (N
o.6: C + N = 0.07, No. 4: C + N = 0.18)
As compared with the above, the creep rupture strength and the impact absorption energy are remarkably excellent, and the required values are sufficiently satisfied. The material of the present invention has 6
Even in a temperature range of 50 ° C. or lower (525 to 625 ° C.), the material exhibited significantly higher creep rupture strength than the comparative material.

【0045】本発明の合金組成原料を電気炉で溶解し精
錬後、真空カーボン脱酸法で脱酸し、電極を作製し、こ
の電極を用いエレクトロスラグ再溶解法で10トン鋼塊
を作製し、この鋼塊を950〜1200℃で熱間鍛錬で
成形した。熱間鍛錬成形後、1050℃に加熱し、70
0℃まで冷却し、この温度で恒温焼鈍し、更に1050℃に
加熱焼入れ後、570℃及び700℃で2回焼もどしを
行ない蒸気タービンロータを製造した。図2はその形状
を示す。この試作ロータを切断調査した結果、超々臨界
圧タービンロータに要求される特性(650℃、105
強度≧10kgf/mm2,20℃衝撃吸収エネルギ≧1.5
kg−m)を十分満足し、均質なロータであることが実証
された。
The alloy composition raw material of the present invention was melted and refined in an electric furnace, and then deoxidized by a vacuum carbon deoxidation method to produce an electrode. Using this electrode, a 10 ton steel ingot was produced by an electroslag remelting method. This ingot was formed by hot forging at 950 to 1200 ° C. After hot forging, heating to 1050 ° C, 70
After cooling to 0 ° C., constant temperature annealing at this temperature, and heat quenching to 1050 ° C., tempering was performed twice at 570 ° C. and 700 ° C. to produce a steam turbine rotor. FIG. 2 shows the shape. The cutting survey result this prototype rotor, characteristics (650 ° C. required for ultra supercritical pressure turbine rotor, 10 5 h
Strength ≧ 10 kgf / mm 2 , shock absorption energy at 20 ° C. ≧ 1.5
kg-m), which proved to be a homogeneous rotor.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明によれば、650℃クリープ破断
強度及び室温靭性の高いマルテンサイト系耐熱鋼が得ら
れるので、温度650℃までの超々臨界圧タービン用ロ
ータ等の高温部材をこれまでの超合金鋼に代わり、マル
テンサイト系耐熱鋼(本発明鋼)で作製することができ
る。
According to the present invention, a martensitic heat-resistant steel having a high creep rupture strength at 650 ° C. and a high room temperature toughness can be obtained. Instead of superalloy steel, it can be made of martensitic heat-resistant steel (steel of the present invention).

【0047】これまでの超合金鋼に代わり、本発明鋼を
高温部材に使用することにより、材料コストを著しく低
減することができる。また、本発明鋼は超合金鋼に比べ
熱膨張係数が小さいので、タービンの急起動が容易にな
ると共に、熱疲労損傷を受け難いなどの利点がある。
By using the steel of the present invention for a high-temperature member instead of the conventional superalloy steel, material costs can be significantly reduced. Further, since the steel of the present invention has a smaller thermal expansion coefficient than that of superalloy steel, it has advantages in that it is easy to start the turbine quickly and is less susceptible to thermal fatigue damage.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】衝撃吸収エネルギに及ぼすC+N量の影響を示
す特性図。
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the influence of the amount of C + N on shock absorption energy.

【図2】クリープ破断強度に及ぼすC+N量の影響を示
す特性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing the effect of the amount of C + N on creep rupture strength.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 重義 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 福井 寛 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 藤田 利夫 東京都千代田区神田駿河台四丁目6番地 株式会社 日立製作所内 (56)参考文献 特開 昭59−232231(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 38/00 - 38/60 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Shigeyoshi Nakamura 7-1-1, Omikacho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Within Hitachi Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Hiroshi Fukui 7-1-1, Omikamachi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture No. 1 Hitachi, Ltd., Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Toshio Fujita 4-6 Kanda Surugadai, Chiyoda-ku, Tokyo Hitachi, Ltd. (56) References JP-A-59-232231 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C22C 38/00-38/60

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】621℃以上の高温の蒸気中で3000rp
m 又は3600rpm の回転数で高速回転される蒸気ター
ビンロータであって、重量比でC0.06〜0.16%,
Si0.2%未満,Mn1%未満,Cr8〜13%,N
i0.2〜0.9%,V0.05〜0.3%,Nb0.01
〜0.20%,N0.005〜0.03%,Mo0.5%未
満,W2を超え3%未満,B0.001を超え0.03%
未満及びCo2%未満を含み、残部がFe及び不可避不
純物よりなり、C量とN量の合計が[数1]の範囲にあ
り、[数2]で計算されるCr当量が4〜10であり、
全焼もどしマルテンサイト組織を有し、650℃,10
5hクリープ破断強度が10kgf/mm2以上、室温衝撃吸
収エネルギーが1.5kgf−m以上を有する12Cr耐熱
鋼によって構成されていることを特徴とする蒸気タービ
ンロータ。 【数1】 C+2N=0.13〜0.2 …(1) 【数2】 Cr当量=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb−40C −30N−30B−2Mn−4Ni−2Co …(2)
(1) 3000 rp in high-temperature steam of 621 ° C. or more.
A steam turbine rotor which is rotated at a high speed of 3 m or 3600 rpm and has a weight ratio of C 0.06 to 0.16%,
Si less than 0.2%, Mn less than 1%, Cr 8-13%, N
i 0.2 to 0.9%, V 0.05 to 0.3%, Nb 0.01
~ 0.20%, N 0.005 ~ 0.03%, Mo less than 0.5%, over W2 and less than 3%, B over 0.001 and 0.03%
Less than and less than Co2%, the balance being Fe and unavoidable impurities, the sum of the C amount and the N amount is in the range of [Equation 1] , and the Cr equivalent calculated by [Equation 2] is 4-10. ,
Has a fully tempered martensitic structure, 650 ° C, 10
A steam turbine rotor comprising a 12Cr heat-resistant steel having a 5 h creep rupture strength of 10 kgf / mm 2 or more and a room temperature shock absorption energy of 1.5 kgf-m or more. (1) C + 2N = 0.13 to 0.2 (1) Cr equivalent = Cr + 6Si + 4Mo + 1.5W + 11V + 5Nb-40C-30N-30B-2Mn-4Ni-2Co (2)
【請求項2】621℃以上の高温の蒸気中で3000rp
m 又は3600rpm の回転数で高速回転される蒸気ター
ビンロータであって、重量比でC0.06〜0.14%,
Si0.1%未満,Mn1%未満,Cr8〜12%,N
i0.2〜0.9%,V0.05〜0.3%,Nb0.01
〜0.20%,N0.005〜0.03%,Mo0.5%未
満,W2を超え3%未満,B0.01を超え0.025%
未満及びCo2%未満を含み、残部がFe及び不可避不
純物よりなり、C量とN量の合計が[数1]の範囲にあ
り、[数2]で計算されるCr当量が4〜10であり、
全焼もどしマルテンサイト組織を有し、650℃,10
5hクリープ破断強度が10kgf/mm2以上、室温衝撃吸
収エネルギーが1.5kgf−m以上を有する12Cr耐熱
鋼によって構成されていることを特徴とする蒸気タービ
ンロータ。【数1】 C+2N=0.13〜0.2 …(1) 【数2】 Cr当量=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb−40C −30N−30B−2Mn−4Ni−2Co …(2)
(2) 3000 rp in high-temperature steam of 621 ° C. or higher.
A steam turbine rotor which is rotated at a high speed of 3 m or 3600 rpm, and has a weight ratio of C 0.06 to 0.14%,
Si less than 0.1%, Mn less than 1%, Cr 8-12%, N
i 0.2 to 0.9%, V 0.05 to 0.3%, Nb 0.01
~ 0.20%, N 0.005 ~ 0.03%, Mo less than 0.5%, more than W2 less than 3%, more than B0.01 more than 0.025%
Less than and less than Co2%, the balance being Fe and unavoidable impurities, the sum of the C amount and the N amount is in the range of [Equation 1] , and the Cr equivalent calculated by [Equation 2] is 4-10. ,
Has a fully tempered martensitic structure, 650 ° C, 10
A steam turbine rotor comprising a 12Cr heat-resistant steel having a 5 h creep rupture strength of 10 kgf / mm 2 or more and a room temperature shock absorption energy of 1.5 kgf-m or more. [Number 1] C + 2N = 0.13~0.2 ... (1 ) Equation 2] Cr equivalent = Cr + 6Si + 4Mo + 1.5W + 11V + 5Nb-40C -30N-30B-2Mn-4Ni-2Co ... (2)
【請求項3】621℃以上の高温の蒸気中で3000rp
m 又は3600rpm の回転数で高速回転される蒸気ター
ビンロータであって、重量比でC0.09〜0.14%,
Si0.07%未満,Mn0.7% 未満,Cr9.5〜1
2%,Ni0.3〜0.7%,V0.15〜0.25%,N
b0.04〜0.08%,N0.015〜0.025%,M
o0.4% 未満,W2.3〜2.7%,B0.01を超え
0.02%未満及びCo0.5 を超え2%未満を含み、
残部がFe及び不可避不純物よりなり、C量とN量の合
計が[数1]の範囲にあり、[数2]で計算されるCr
当量が4〜10であり、全焼もどしマルテンサイト組織
を有し、650℃,105h クリープ破断強度が10kg
f/mm2以上、室温衝撃吸収エネルギーが1.5kgf−m以
上を有する12Cr耐熱鋼によって構成されていること
を特徴とする蒸気タービンロータ。【数1】 C+2N=0.13〜0.2 …(1) 【数2】 Cr当量=Cr+6Si+4Mo+1.5W+11V+5Nb−40C −30N−30B−2Mn−4Ni−2Co …(2)
(3) 3000 rp in a high temperature steam of 621 ° C. or more.
A steam turbine rotor which is rotated at a high speed of 3 m or 3600 rpm and has a weight ratio of C 0.09 to 0.14%,
Si less than 0.07%, Mn less than 0.7%, Cr 9.5 to 1
2%, Ni 0.3 to 0.7%, V 0.15 to 0.25%, N
b 0.04 to 0.08%, N 0.015 to 0.025%, M
o less than 0.4%, W 2.3-2.7%, B more than 0.01 and less than 0.02%, and Co more than 0.5 and less than 2%,
The balance consists of Fe and unavoidable impurities, the sum of the C content and the N content is in the range of [Equation 1] , and Cr calculated by [Equation 2]
Equivalent weight is 4-10, fully tempered martensite structure, 650 ° C, 10 5 h Creep rupture strength of 10 kg
A steam turbine rotor made of 12Cr heat-resistant steel having f / mm 2 or more and room-temperature impact absorption energy of 1.5 kgf-m or more. [Number 1] C + 2N = 0.13~0.2 ... (1 ) Equation 2] Cr equivalent = Cr + 6Si + 4Mo + 1.5W + 11V + 5Nb-40C -30N-30B-2Mn-4Ni-2Co ... (2)
【請求項4】請求項1,2または3において、Ta0.
2%以下、Ti0.1%以下及びZr0.1% 以下のう
ち、少なくとも一種を含有することを特徴とする蒸気タ
ービンロータ。
4. The method according to claim 1, 2 or 3, wherein Ta0.
A steam turbine rotor containing at least one of 2% or less, Ti 0.1% or less and Zr 0.1% or less.
【請求項5】請求項1ないし4のいずれか1つに記載の
蒸気タービンロータの製造法であって、合金原料を電気
炉で溶解し精錬後、真空カーボン脱酸法で脱酸し、電極
を作製し、この電極を用いエレクトロスラグ再溶解法で
鋼塊を作製し、この鋼塊を950から1200℃で熱間
鍛錬成形後、950〜1150℃に加熱し、660〜7
50℃まで冷却し、この温度で恒温焼鈍し、更に100
0〜1150℃に加熱焼入れ後、550〜650℃で焼
もどしを行ない、次いで650〜750℃で焼もどしを
行なうことを特徴とする蒸気タービンロータの製造法。
5. The method for manufacturing a steam turbine rotor according to claim 1, wherein the alloy material is melted in an electric furnace, refined, and then deoxidized by a vacuum carbon deoxidation method. A steel ingot is produced by an electroslag remelting method using this electrode, and the steel ingot is subjected to hot forging at 950 to 1200 ° C., and then heated to 950 to 1150 ° C.
After cooling to 50 ° C, annealing at this temperature,
A method for manufacturing a steam turbine rotor, comprising: heat quenching at 0 to 1150 ° C., tempering at 550 to 650 ° C., and then tempering at 650 to 750 ° C.
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