JP2001049372A - 低熱膨張耐熱合金 - Google Patents

低熱膨張耐熱合金

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JP2001049372A
JP2001049372A JP11223464A JP22346499A JP2001049372A JP 2001049372 A JP2001049372 A JP 2001049372A JP 11223464 A JP11223464 A JP 11223464A JP 22346499 A JP22346499 A JP 22346499A JP 2001049372 A JP2001049372 A JP 2001049372A
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Makoto Takahashi
誠 高橋
Masahiro Inui
正弘 乾
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Kubota Corp
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Kubota Corp
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  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐熱合金の低熱膨張化を図ることであり、高
温部材に沈積するコークとの熱膨張差を小さくすること
により、炉の昇温及び降温時、部材に発生する引張応力
を小さくする。 【解決手段】 耐熱合金は、C:0.08%以上0.3%
未満(重量%、以下同じ)、Si:2.5%以下、Mn:
0.5〜3%、Cr:30〜38%、Ni:40%を超
えて50%以下、W:7〜16%、Ti:0.01〜0.
4%、残部実質的にFeからなる。必要に応じて、N
b:1.0%未満、Mo:2.0%未満、Zr:0.01
〜0.3%、B:0.001〜0.05%からなる群から
選択される少なくとも一種、及び/又はAl:0.01
〜0.5%を含有することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、エチレン
製造における炭化水素類の熱分解用反応管の管材として
好適な低熱膨張耐熱合金に関する。
【0002】
【従来の技術】エチレンの製造は、バーナ等の外部熱源
によって約1100℃の高温に加熱された熱分解用反応
管の中に、原料ナフサとスチームを導入し、管内でナフ
サを分解させることにより行われる。熱分解用反応管の
代表例を図1に示しており、反応管(1)は、直管部(2)の
端部に屈曲部(3)を溶接接合(4)してコイル状に組み立て
られている。直管部(2)は、内径約50〜150mm、肉
厚約6〜10mm、長さ約8〜10mであり、直管部(2)
は、長さ約3mの直管(20)の端部どうしを溶接接合(4)
して形成される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、これまでの
反応管では、使用開始後約2〜3年経過すると、管軸方
向に2%を超えるクリープ伸びが発生する問題があっ
た。このクリープ伸びは、管内を通過する原料ナフサ
の内圧による軸方向応力に起因するもの、管の自重に
起因するもの、管の内外面の温度差により生ずる応力
に起因するもの、から算出される通常のクリープ伸びを
遙かに超えるもので、いわゆる異常伸びと称されるもの
である。
【0004】発明者は、この異常伸び発生の原因を調べ
たところ、次のことがわかった。炭化水素類の熱分解反
応は、その反応系から固形炭素の析出現象を伴うため、
反応管の内壁面に固形炭素が付着する。固形炭素の付着
は、操業時間と共に増大し、管壁内面に厚く沈積するよ
うになる。これを放置すると、反応管外部からの熱伝導
が阻害されると共に、炭化水素を含む流体の管内流通が
妨害されて圧力損失が大きくなる。そこで、圧力損失が
所定の値に達すると、管壁内面に沈積した固形炭素(特
にコークと称される)を化学的及び機械的に除去する操
作が行われる。この操作は、一般的にデコーキング処理
と称されるもので、空気とスチームを管内に導入するこ
とにより行われ、コークは高温で反応して燃焼される。
【0005】このデコーキング処理では、反応管の内部
で発熱反応を伴うので、反応管の加熱温度は通常の操業
温度(例えば、約1100℃)よりも少し低い温度に設定
される(例えば、約900〜1000℃)。ところで、反
応管の内壁面に沈積したコークは、反応管の管体よりも
熱膨張が小さいため、操業温度からデコーキング温度へ
移行するとき、熱膨張量の差により反応管の管体に引張
応力が発生し、軸方向に伸びを生ずることがわかった。
【0006】デコーキング処理は、約30〜75日の間
隔で行われるが、この処理間隔が短くなると、反応管の
軸方向伸びは大きくなり、短期間の間に、当初設計され
た伸び範囲を超えることがある。反応管の軸方向伸びが
大きいと管体に曲がりを生じ易くなり、外部熱源と管体
の距離が接近する部分では管体が過熱され、浸炭が促進
される。また、軸方向伸びが大きくなりすぎると、熱分
解管の屈曲部の下端が炉床に接触して、管体の破損等を
招く虞れがある。
【0007】そこで、反応管の軸方向伸びがある程度大
きくなると、管体の一部分を切断して取り除き、管体を
再度溶接接合することにより、直管部の長さを調節する
作業を行わねばならなかった。これは、経済的に不利を
生じるだけでなく、操業の一旦停止を余儀なくされるた
め、操業率の低下を招く不都合があった。
【0008】本発明の目的は、耐熱合金の低熱膨張化を
図ることにあり、該耐熱合金を各種部材に適用した際、
部材に沈積するコークとの熱膨張量の差を小さくするこ
とである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る低熱膨張耐熱合金は、C:0.08%
以上0.3%未満(重量%、以下同じ)、Si:2.5%以
下、Mn:0.5〜3%、Cr:30〜38%、Ni:
40%を超えて50%以下、W:7〜16%、Ti:
0.01〜0.4%、残部実質的にFeからなる。なお、
残部実質的にFeとは、合金溶製段階で不可避的に混入
するP、Sその他の不純物元素を含んでもよいことを意
味する。なお、Feの含有量は12%以下に抑えること
が好ましい。
【0010】本発明の低熱膨張耐熱合金は、必要に応じ
て、Nb:1.0%未満、Mo:2.0%未満、Zr:
0.01〜0.3%、B:0.001〜0.05%からなる
群から選択される少なくとも一種、及び/又はAl:
0.01〜0.5%を含有することができる。
【0011】熱膨張は、1000℃における線膨張率で
17.0×10-6(1/℃)以下、1100℃における線
膨張率で17.5×10-6(1/℃)以下が望ましい。
【0012】
【作用及び効果】本発明の耐熱合金は、熱膨張の大きい
Feが好ましくは12%以下の含有量に制限されると共
に、熱膨張の小さいCrとWを多く含有しているので、
低熱膨張化を達成することができる。本発明の耐熱合金
を、例えば炭化水素類の熱分解用管に適用した場合、デ
コーキング処理で管壁温度を操業温度からデコーキング
温度へ下降させるとき、コークと管体の熱膨張量の差を
小さく抑えることができるから、管体に生ずる引張応力
は小さくなり、軸方向に生ずる異常伸びを可及的に抑制
できる。それゆえ、管体の曲がりを抑制できると共に、
前述した直管部の長さ調節作業は殆んど不要となり、エ
チレン製造費用の上昇を抑えることができ、かつ高い操
業率を確保することができる。また、所定の機械的性
質、クリープ破断強度、耐酸化性及び耐浸炭性を具えて
いるから、炭化水素類の熱分解用反応管のみならず、鉄
鋼熱処理炉のハースロール、ラジアントチューブ等の部
材としても好適である。
【0013】
【成分限定理由の説明】C:0.08%以上0.3%未満 Cは鋳造凝固時に結晶粒界にCr−W系炭化物を形成
し、粒界を強化してクリープ破断強度の向上に寄与す
る。この効果を得るために少なくとも0.08%以上含
有させる。しかし、0.3%以上含有すると室温引張延
性の低下が著しくなるため、上限を0.3%未満に規定
する。
【0014】Si:2.5%以下 Siは溶鋼の流動性を高める効果を有しており、また、
耐浸炭性の向上に寄与する。しかし、2.5%を超える
とクリープ破断強度が著しく低下するので、上限を2.
5%に規定する。好ましくは1.4〜2%である。
【0015】Mn:0.5〜3% Mnは合金溶湯の脱酸、および鋳造時の溶湯の流動性の
改善に寄与する。また、溶接性と室温引張伸びを向上さ
せる効果がある。このため、0.5%以上含有させる。
一方、3%を超えて含有してもそれ以上の効果を期待で
きないので、上限を3%に規定する。
【0016】Cr:30〜38% Crは耐酸化性の向上と熱膨張係数の低下に寄与する。
また、Niとの共存において、約1200℃までの温度
域で所望の耐酸化性を確保する必要がある。このため、
少なくとも30%以上含有させる。一方、含有量が38
%を超えると室温における引張伸びの低下が著しくなる
ので、上限は38%に規定する。
【0017】Ni:40%を超えて50%以下 Niはオーステナイト相を安定化し、耐酸化性と高温強
度の向上に寄与する。約1200℃までの温度域での使
用を考慮した場合、40%を超えて含有させる必要があ
る。一方、50%を超えて含有しても含有量の増加に対
応する効果が得られないので、上限を50%に規定す
る。
【0018】W:7〜16% Wは共晶状のCr−W系炭化物を形成して、高温での機
械的特性及びクリープ破断強度の向上に寄与する。ま
た、Crとの共存により熱膨張係数を低下させる。これ
らの効果を発揮させるために、少なくとも7%以上含有
させる。含有量の増加と共にその効果は増すので、好ま
しくは13%以上含有させる。しかし、16%を超える
と室温引張伸びの低下が著しくなるので、上限は16%
に規定する。
【0019】Ti:0.01〜0.4% Tiはオーステナイト基地中に生成するクロム炭化物の
成長粗大化を抑制遅延させ、クリープ破断強度の向上に
寄与する。0.01%の含有からその効果が認められる
が、0.4%を超えて含有すると酸化物系介在物の増加
を伴い、クリープ破断強度を却って低下させる。このた
め、含有量は0.01〜0.4%に規定する。好ましくは
0.03〜0.2%である。
【0020】Nb:1.0%未満 Nbはクリープ破断強度の向上に寄与するため、必要に
応じて含有させることが望ましい。しかし、1.0%以
上含有しても対応する効果が得られないので、含有量は
1.0%未満に規定する。
【0021】Mo:2.0%未満 Moはクリープ破断強度の向上に寄与するため、必要に
応じて含有させることが望ましい。しかし、2.0%以
上含有すると、室温引張延性の低下を招くので、含有量
は2.0%未満に規定する。
【0022】Zr:0.01〜0.3% Zrはオーステナイト基地に固溶し、その固溶強化作用
によってクリープ破断強度の向上に寄与するため、必要
に応じて含有させることが望ましい。0.01%の含有
からその効果が認められるが、0.3%を超えて含有す
ると、室温引張延性の低下を招くので、含有量は0.0
1〜0.3%に規定する。好ましくは0.03〜0.2%
である。
【0023】B:0.001〜0.05% Bはクリープ破断強度の向上に寄与するため、必要に応
じて含有させることが望ましい。0.001%の含有か
らその効果が認められるが、0.05%を超えて含有す
ると、室温引張延性の低下を招くので、含有量は0.0
01〜0.05%に規定する。
【0024】Al:0.01〜0.5% Alは耐浸炭性の向上に寄与するため、必要に応じて含
有させることが望ましい。0.01%の含有からその効
果が認められるが、0.5%を超えて含有すると、室温
引張延性及び溶接性の低下を招くので、含有量は0.0
1〜0.5%に規定する。好ましくは0.1〜0.3%で
ある。
【0025】
【発明の実施の形態】供試材の作製 高周波誘導溶解炉で各種成分の合金を溶製し、これを遠
心力鋳造した後、適宜切断して供試材を作製し、線膨張
率、機械的特性及びクリープ破断強度を調べた。各供試
材の化学組成を表1に示す。No.1〜No.8は発明例、N
o.11〜No.12は比較例である。No.11は従来のHP
系材料、No.2は32Cr−45Ni系材料である。
【0026】線膨張率 各供試材の熱膨張について、1000℃と1100℃に
おける線膨張率を調べた。その測定結果を表2に示す。
【0027】機械的特性 機械的特性については、常温と1100℃における引張
強さ、0.2%耐力及び伸びを調べた。その測定結果を
表2に示す。
【0028】クリープ破断強度 JISZ2272に準拠し、引張クリープ破断試験を行
ない、破断時間を測定した。その測定結果を表2に示
す。なお、試験温度は1100℃、引張応力は2.0kgf
/mm2である。
【0029】
【表1】
【0030】
【表2】
【0031】表1及び表2から明らかなように、本発明
の実施例に係る供試材No.1〜No.8は、比較例の供試材
No.11〜No.12と比べて、線熱膨張率が低い。これ
は、No.11〜No.12のFeの含有量は約20〜30%
であるのに対し、No.1〜No.8では、約10%よりも少
なく、その分、CrとWの含有量が多くなっているため
である。また、Wの含有量が多くなるほど、クリープ破
断に到るまでの時間が長く、クリープ破断強度にすぐれ
る傾向にある。これはCr−W系炭化物の形成による効
果と考えられる。なお、比較例のNo.12はWを含有し
ないにも拘わらずクリープ破断時間が長くなっているの
は、Cの含有量が多いためである。しかし、No.12は
Cの含有量が多いため、前述のとおり、線膨張率が高く
なる不都合がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】エチレン製造プラントにおける炭化水素類の熱
分解用反応管の組立状態の概要図である。
【符号の説明】
(1) 反応管 (2) 直管部 (3) 屈曲部 (4) 溶接部

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 C:0.08%以上0.3%未満(重量
    %、以下同じ)、Si:2.5%以下、Mn:0.5〜3
    %、Cr:30〜38%、Ni:40%を超えて50%
    以下、W:7〜16%、Ti:0.01〜0.4%、残部
    実質的にFeからなる低熱膨張耐熱合金。
  2. 【請求項2】 Nb:1.0%未満、Mo:2.0%未
    満、Zr:0.01〜0.3%、及びB:0.001〜0.
    05%からなる群から選択される少なくとも一種を含有
    している請求項1に記載の低熱膨張耐熱合金。
  3. 【請求項3】 Al:0.01〜0.5%を含有している
    請求項1又は請求項2に記載の低熱膨張耐熱合金。
  4. 【請求項4】 熱膨張は、1000℃における線膨張率
    で17.0×10-6(1/℃)以下である請求項1乃至請
    求項3の何れかに記載の低熱膨張耐熱合金。
  5. 【請求項5】 熱膨張は、1100℃における線膨張率
    で17.5×10-6(1/℃)以下である請求項1乃至請
    求項3の何れかに記載の低熱膨張耐熱合金。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015120956A (ja) * 2013-12-24 2015-07-02 新日鐵住金株式会社 オーステナイト系耐熱鋳造合金

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