JP2000192201A - 廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用高耐食性オ―ステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 廃棄物焼却発電プラントにおける溶融塩腐食
および酸露点腐食に優れた抵抗性を有し、特に溶融塩腐
食環境で優れた耐粒界腐食性を有するボイラ伝熱管用オ
ーステナイト系ステンレス鋼を提供すること。 【解決手段】 重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：
２．０〜４．０％、Ｍｎ：０．５超〜２．０％、Ｎｉ：
２０〜２５％未満、Ｃｒ：２０〜３０％、およびＮ：
０．１５％以下を含み、かつ下式（１）および（２）を
同時に満足して、残部が実質的にＦｅおよび不可避的不
純物からなる廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用高耐食
性オーステナイト系ステンレス鋼。Ｍｏ：１．０％未
満、ＮｂまたはＴｉのいずれか１種または２種を合計で
０．１〜１．５％、Ｃａ：０．００１〜０．０１５％を
必要に応じて単独または複合で添加できる。Ｓｉ（％）
×｛Ｃｒ（％）−１５．２｝≧１７．６％…（１）Ｃｒ
（％）＋６×Ｓｉ（％）≦４８．０％…（２）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、都市ごみ、産業廃
棄物等の廃棄物（いわゆる、ごみ）あるいは、近年のＲ
ＤＦ（Ｒｅｆｕｓｅ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｕｅｌ）を原
料に発電を行う施設に設置されるボイラの蒸発管、水壁
管および過熱器管等のボイラ伝熱管として利用される高
耐食性オーステナイト系ステンレス鋼に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、これまで利用されずに放置されて
いたエネルギーを活用し高効率化を図ることによって結
果的にＣＯ₂ の排出を抑制しようとする動き、いわゆる
サーマルリサイクルが地球規模で急速に普及し始めてい
る。国内ではその中でも廃棄物エネルギーの回収と有効
利用が積極的に展開され、古くは焼却施設内の電力や地
域暖房を賄うためだけに留まっていたものが、現状では
例えば売電のような高度な（高効率な）ものに移行して
きている。

【０００３】しかしながら、廃棄物エネルギーを高効率
に電気エネルギーとして回収するためには、一般的にボ
イラの蒸気温度および圧力を上昇させなければならず、
高効率化にはわが国独特の腐食性の高いごみ質も相俟っ
て、燃焼灰に含まれる溶融塩と燃焼排ガスによるボイラ
伝熱管材料の激しい腐食損傷が避けられない状況にあ
る。そのため、廃棄物発電ボイラ伝熱管の材料寿命は高
温における耐食性に依存するところが大きいと認識され
ており、種々の耐食材料が既に提案されてはいるが、メ
タル温度４００℃以上で実証され成功を収めた例は未だ
数少ない。

【０００４】このように、わが国のサーマルリサイクル
情勢を見れば、廃棄物発電ボイラの伝熱管用材料として
燃焼灰や排ガスによる過酷な高温腐食環境および炉停止
時に生じる酸露点腐食環境に耐え得る材料の出現が多く
で望まれ、当該材料の開発およびその実証が急務とされ
ている。既に廃棄物焼却廃熱ボイラ管用途として、耐食
性および耐応力腐食性を改善した特開平４−３５０１４
９号公報が提案されている。しかしながら、これはＮｉ
が２５％未満の場合、Ｓｉの添加は耐高温腐食性に悪影
響を及ぼすとされ、またＮｉの多量添加による高コスト
な材料であった。しかしながら、本発明者らがさらに詳
細に実験を重ねた結果、Ｎｉ：２５％以下の成分系にお
いても上述した式（１）を満たせば、耐高温腐食性に対
してＳｉの添加は有効であることを見出し、本発明材料
が廃棄物発電ボイラ伝熱管として優れた性質を有してい
ることが明らかとなった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、わが
国の過酷な腐食環境における廃棄物焼却発電の高効率
化、およびボイラの長寿命化をはかるために、高温腐食
性ガス、溶融塩および酸などが単独あるいは複合で存在
する過酷な腐食環境下において、優れた耐食性を有する
廃棄物焼却発電用のボイラ伝熱管材料を提供するところ
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下に示す化
学組成をもつ廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用の高耐
食性オーステナイト系ステンレス鋼を要旨とする。その
要旨とするところは、 （１）重量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：２．０〜
４．０％、Ｍｎ：０．５超〜２．０％、Ｎｉ：２０〜２
５％未満、Ｃｒ：２０〜３０％、Ｎ：０．１５％以下を
含み、かつ下式（１）および（２）を同時に満足して、
残部が実質的にＦｅおよび不可避的不純物からなること
を特徴とする廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用高耐食
性オーステナイト系ステンレス鋼。 Ｓｉ（％）×｛Ｃｒ（％）−１５．２｝≧１７．６％ … （１） Ｃｒ（％）＋６×Ｓｉ（％）≦４８．０％ … （２）

【０００７】（２）前記（１）に記載した合金成分に加
えて、さらに、Ｍｏ：１．０重量％未満含有することを
特徴とする廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用高耐食性
オーステナイト系ステンレス鋼。 （３）前記（１）または（２）に記載した合金成分に加
えて、さらに、ＮｂまたはＴｉのいずれか１種または２
種を合計で０．１〜１．５重量％含有することを特徴と
する廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用高耐食性オース
テナイト系ステンレス鋼。 （４）前記（１）〜（３）に記載したいずれかの合金成
分に加えて、さらに、Ｃａ：０．００１〜０．０１５重
量％含有することを特徴とする廃棄物焼却プラントボイ
ラ伝熱管用高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼にあ
る。

【０００８】本発明の技術的な考え方と特徴は次の通り
である。 （１）溶融塩腐食および耐酸露点腐食に対する抵抗性
を、合金最前縁におけるＣｒ₂ Ｏ₃ およびＳｉＯ₂ 被膜
の同時形成によって達成させる。 （２）粒界Ｃｒ炭化物の析出によって発生したＣｒ欠乏
層の形成による耐食性劣化をＳｉＯ₂ 被膜形成によって
補う。 （３）Ｃ含有量の低減により、Ｃｒ欠乏層の形成による
粒界侵食を抑制させる。 （４）不可避的に含まれるＣをＮｂおよびＴｉによって
固定させ、Ｃｒ欠乏層の形成による粒界侵食を抑制させ
る。 という技術思想に基づき、ＳｉおよびＣｒの複合添加
（式（１）の関係）をもって耐溶融塩腐食性、特に耐粒
界腐食性が向上するところを見出したことに本発明の特
徴がある。さらに、化学組成が式（２）の関係を満たす
時、効率的な製造が行えることを見出したことも本発明
の特徴の一つに挙げられる。

【０００９】以下に本発明鋼の各合金成分の作用とそれ
らの含有量の限定理由を説明する。 Ｃ：０．０５％以下 Ｃの多量の含有は、高温で結晶粒界に多量のＣｒ炭化物
の析出を招き、粒界腐食の進行を促すので、含有量はで
きるだけ低減されることが望ましい。Ｃの含有量が０．
０５％を超えると上述した問題が顕著に現れるようにな
るので、含有量を０．０５％以下とした。

【００１０】Ｓｉ：２．０〜４．０％ Ｓｉは一般に脱酸剤を目的に用いられる元素であるが、
本発明においては、前述したようにＣｒとの同時添加に
よって材料に優れた耐食性を付与させるために用いられ
る。この効果はＳｉ含有量が２．０％以上で顕著となる
ことから、２．０％を下限とした。ところが、Ｓｉ含有
量が４．０％を超えると著しく熱間加工性を劣化させる
ため、４．０％を上限とした。

【００１１】Ｍｎ：０．５超〜２．０％以下 Ｍｎは、脱酸とオーステナイト組織の安定化をはかるた
めに添加される。０．５％以下では、脱酸の効果がな
く、一方で含有量が２．０％を超えたとき、熱間加工性
の劣化を生じるので、含有量を２．０％以下とした。 Ｎｉ：２０〜２５％未満 Ｎｉはオーステナイト組織を安定化させ、十分な機械的
性質を確保するために添加される。オーステナイト組織
の安定化および機械的性質を確保させるには、含有量が
２０〜２５％未満必要であるのでそのように設定した。

【００１２】Ｃｒ：２０〜３０％ Ｃｒは材料の耐溶融塩腐食性および耐酸露点腐食性を向
上させるために不可欠な元素である。特に耐溶融塩腐食
性に対しては、Ｓｉとの複合添加によってその効果をよ
り発揮させる。含有量が２０％以上でその効果が認めら
れるので、２０％を下限とした。 一方、３０％を超え
て含有するようになると高温保持においてオーステナイ
ト組織の維持が困難となり、脆化を招きやすくなるの
で、上限を３０％とした。

【００１３】Ｎ：０．１５％以下 Ｎはオーステナイト組織の安定化に寄与するばかりでな
く、高温強度を高める効果を有する元素であるが、含有
量の増加にともなって熱間および冷間加工性を低下させ
る傾向にあるので上限を０．１５％とし、望ましくは
０．０４％超と設定した。上述した成分の他に、本発明
では上述した化学組成に加えて、さらに必要に応じて、
Ｍｏを含有させることができる。

【００１４】Ｍｏ：１．０％未満 Ｍｏは高温強度の向上ばかりでなく、優れた耐酸露点腐
食性を発揮する元素である。特にこれらの効果を得たい
場合、必要に応じて添加することができる。ところがＭ
ｏ含有量が増加するにしたがって熱間加工性が低下する
傾向にあるので、上限を１．０％未満とした。さらに、
本発明では上述した化学組成に加え、必要に応じてＮｂ
またはＴｉのいずれか１種または２種を選んで含有させ
ることができる。

【００１５】Ｎｂ、Ｔｉ：いずれかの１種または２種を
合計で０．１〜１．５％ ＮｂおよびＴｉはいずれも炭化物を形成しやすいので、
鋼中のＣを固定させ、Ｃｒ欠乏層の発生を未然に防ぐこ
とによって、溶融塩腐食環境における耐粒界腐食性と酸
露点腐食に対する抵抗性の劣化を防止する作用を有す
る。これらの効果を得たい場合には、必要に応じてＮｂ
およびＴｉを選択して含有させる。この場合、合計で
０．１％未満では効果が認められず、１．５％を超える
ようになると著しく熱間および冷間加工が劣化するの
で、請求の範囲を１種または２種合計で０．１〜１．５
％とした。

【００１６】さらに、本発明では上述した化学組成に加
えてＣａを含有させてもよい。 Ｃａ：０．００１〜０．０１５％ Ｃａは熱間加工性を劣化させる要因の一つであるＳを固
定させる作用を有するため、本発明の熱間加工性の向上
を目的とする場合に添加することができる。含有させる
場合には、０．００１％以上の添加が望ましいが、０．
０１５％を超える添加は、低融点のＣａ−Ｎｉ化合物を
生成させ、逆に熱間加工性を悪化させるので上限を０．
０１５％とした。

【００１７】 Ｓｉ（％）×｛Ｃｒ（％）−１５．２｝≧１７．６％ … （１） 前述したように、本発明者らが詳細に実験を重ねた結
果、廃棄物焼却環境における溶融塩腐食に対する効果
は、ＳｉおよびＣｒが適正に添加された場合に著しく大
きくなり、ＳｉおよびＣｒの含有量が式（１）の条件を
満たす時、耐溶融塩腐食性、特に耐粒界腐食性が相乗的
に向上することが判明した。 Ｃｒ（％）＋６×Ｓｉ（％）≦４８．０％ … （２） しかしながら、確かに式（１）の値が大きくなるにつれ
て耐溶融塩腐食性は向上するが、式（２）の値が４８％
を超えるようになると熱間加工性が著しく劣化するよう
になるので、式（２）のように、ＳｉおよびＣｒの複合
含有量を４８．０％以下に制限した。

【００１８】

【実施例】実施例として表１に本発明鋼、比較鋼および
既存鋼の化学成分を示す。既存鋼として３鋼種採用し、
既存鋼Ｎｏ３８、３９、４０はそれぞれ、ＳＵＳ３１０
Ｓ、ＳＵＳ３１６、ＮＣＦ８００Ｈに相当するものであ
る。表１に示す化学組成の合金を真空溶解炉で１００ｋ
ｇづつ溶製し、得られたインゴットを幅６０ｍｍ×厚さ
１０ｍｍのプレートに熱間鍛造後、１１６０℃で成品熱
処理を行った。その後、機械加工、研削工程を通って１
０ｍｍ×１０ｍｍ×３．５ｍｍの腐食試験片を調整し
た。

【００１９】

【表１】

【００２０】耐溶融塩腐食性の評価は、埋没法にて行っ
た。実験は外径２６ｍｍ×高さ１９ｍｍ、容量５ｍｌの
るつぼを使用して、廃棄物焼却実炉ボイラで採取された
付着灰（１５０μｍ以下に調整）に試験片を埋没させた
後、焼却炉の腐食性ガスを模擬した１０％ＣＯ₂ −１０
％Ｏ₂ −５０ｐｐｍＳＯ₂ −５０ｐｐｍＮＯ−１００ｐ
ｐｍＣＯ−１５００ｐｐｍＨＣｌ−２０％Ｈ₂ Ｏ−ｂａ
ｌ．Ｎ₂ の混合ガスを６００ｍｌ／ｍｉｎの流量で流し
ながら、５５０℃の温度で１００ｈ保持するという工程
で行われた。なお、実験に供試した灰は、表２に示すよ
うな組成のものである。実験終了後、脱スケールを施
し、試料の重量減量を測定した。さらにその後、試料を
厚み方向に切断し、光学顕微鏡にて最大全面腐食深さお
よび最大粒界腐食長さを測定し、評価した。

【００２１】

【表２】

【００２２】耐酸露点腐食性は、試料に実炉灰を塗布、
水蒸気飽和させた８０℃の恒温槽中で１００ｈ保持後、
光学顕微鏡にて局部腐食の発生有無の確認およびその深
さの測定・比較によって評価された。表３および図１に
これらの実験結果を示す。なお、比較鋼Ｎｏ３６および
Ｎｏ３７については、鋼塊の熱間鍛造時に著しい鍛造割
れを引き起こし、試験片の調整ができなかったため、実
験を実施することができなかった。

【００２３】実験結果を解析した結果、図１で示される
ように、本発明で規定される成分範囲において、耐溶融
塩腐食性は、ＳｉとＣｒの相乗効果（式（１））によっ
て向上し、整理されることが明らかとなった。さらに、
本発明鋼の最大全面腐食深さは既存鋼に対し最高１／５
〜１／４を示し、何れの例においても粒界侵食される最
大の長さは０．０１ｍｍ未満であるので、本発明鋼は既
存鋼に対して最高４〜５倍の耐溶融塩腐食を有すること
が確認された。なお、高温環境における粒界腐食が懸念
されるような環境には、例えば発明鋼Ｎｏ１８とＮｏ１
９やＮｏ２２とＮｏ２３との比較で明らかなように、Ｎ
ｂおよびＴｉの単独あるいは複合添加が有効であること
が分かる。

【００２４】耐酸露点腐食性についても本発明鋼は比較
鋼や既存鋼よりも優れており、殆どにおいて、２．５μ
ｍ未満の最大孔食深さであった。特にＣｒ、Ｍｏを多く
含む組成においては、例えば発明鋼Ｎｏ１、Ｎｏ１６お
よびＮｏ１７等で示されるように、孔食は観察されなか
ったため、酸露点腐食が懸念されるような環境において
は、Ｃｒの増量あるいはＭｏの選択添加が望ましい。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明鋼は廃棄物焼
却環境という極めて過酷な腐食環境下においても、優れ
た耐溶融塩腐食性を有し、しかも炉停止時に起こる酸露
点腐食に対しても強い抵抗性を有するオーステナイト系
ステンレス鋼であることが示された。従って、本発明鋼
からなる管を例えば過熱器管のようなボイラの高温部位
に適用される際には、廃棄物焼却ボイラの高温・高圧化
が可能となり、サーマルリサイクルに則った焼却廃熱の
高効率利用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】腐食減量に対するＳｉ、Ｃｒの相乗効果を示す
図である。 特許出願人 山陽特殊製鋼株式会社 他１０名 代理人 弁理士 椎 名 彊

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000133032 株式会社タクマ 大阪府大阪市北区堂島浜１丁目３番23号 (71)出願人 000004123 日本鋼管株式会社 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 (71)出願人 000006208 三菱重工業株式会社 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 (71)出願人 000000239 株式会社荏原製作所 東京都大田区羽田旭町11番１号 (71)出願人 000000099 石川島播磨重工業株式会社 東京都千代田区大手町２丁目２番１号 (71)出願人 000001052 株式会社クボタ 大阪府大阪市浪速区敷津東一丁目２番47号 (71)出願人 000001199 株式会社神戸製鋼所 兵庫県神戸市中央区脇浜町１丁目３番18号 (71)出願人 000180070 山陽特殊製鋼株式会社 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番地 (72)発明者 庄 篤史 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番地 山陽特殊製鋼株式会社内 (72)発明者 仮屋 哲朗 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番地 山陽特殊製鋼株式会社内 (72)発明者 磯本 辰郎 兵庫県姫路市飾磨区中島字一文字3007番地 山陽特殊製鋼株式会社内 (72)発明者 占部 武生 東京都江東区青海二丁目地先 東京都清掃 局中防庁舎内 (72)発明者 永島 公明 東京都新宿区西新宿二丁目８番１号 東京 都清掃局工場管理部内 (72)発明者 鈴木 貞夫 東京都新宿区西新宿二丁目８番１号 東京 都清掃局工場管理部内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ：０．０５％以下、 Ｓｉ：２．０〜４．０％、 Ｍｎ：０．５超〜２．０％、 Ｎｉ：２０〜２５％未満、 Ｃｒ：２０〜３０％、 Ｎ：０．１５％以下を含み、かつ下式（１）および
   （２）を同時に満足して、残部が実質的にＦｅおよび不
   可避的不純物からなることを特徴とする廃棄物焼却プラ
   ントボイラ伝熱管用高耐食性オーステナイト系ステンレ
   ス鋼。 Ｓｉ（％）×｛Ｃｒ（％）−１５．２｝≧１７．６％ … （１） Ｃｒ（％）＋６×Ｓｉ（％）≦４８．０％ … （２）
2. 【請求項２】 請求項１に記載した合金成分に加えて、
   さらに、Ｍｏ：１．０重量％未満含有することを特徴と
   する廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用高耐食性オース
   テナイト系ステンレス鋼。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載した合金成分に
   加えて、さらに、ＮｂまたはＴｉのいずれか１種または
   ２種を合計で０．１〜１．５重量％含有することを特徴
   とする廃棄物焼却プラントボイラ伝熱管用高耐食性オー
   ステナイト系ステンレス鋼。
4. 【請求項４】 請求項１〜３に記載したいずれかの合金
   成分に加えて、さらに、Ｃａ：０．００１〜０．０１５
   重量％含有することを特徴とする廃棄物焼却プラントボ
   イラ伝熱管用高耐食性オーステナイト系ステンレス鋼。