JP2001247942A - 蒸気タービン用ロータシャフト - Google Patents

蒸気タービン用ロータシャフト

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JP2001247942A JP2000067183A JP2000067183A JP2001247942A JP 2001247942 A JP2001247942 A JP 2001247942A JP 2000067183 A JP2000067183 A JP 2000067183A JP 2000067183 A JP2000067183 A JP 2000067183A JP 2001247942 A JP2001247942 A JP 2001247942A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、６５０℃の特定の温度でさら
に高温強度の優れた蒸気タービン用ロータシャフトを提
供することにある。 【解決手段】重量％で、Ｃ０.０５〜０.２０％，Ｓｉ
０.２％以下，Ｍｎ０.０５〜１.５％，Ｎｉ０.０１〜
１.０％，Ｃｒ９.０〜１３.０％, Ｍｏ０.０５〜２.０
％,Ｗ０.５〜５.０％，Ｖ０.０５〜０.３０％,Ｎｂ０.
０１〜０.２０％,Ｃｏ０.５〜１０.０％，Ｎ０.０１〜
０.１％，Ｂ０.００１〜０.０３０％，Ａｌ０.０００５
〜０．００６％ 及び残部が実質的にＦｅおよび不可避
の不純物よりなることを特徴とする蒸気タービン用ロー
タシャフト。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は新規な火力プラン
ト、特に超々臨界圧火力プラントに好適な高強度蒸気タ
ービン用ロータシャフトに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、火力発電プラントは効率向上の観
点から高温高圧化が目視されており、蒸気タービンの蒸
気温度は現在最高の６００℃からさらに究極的には６５
０℃が目標となっている。蒸気温度を高めるためには、
従来使われているフエライト系耐熱鋼より高温強度の優
れた耐熱材料が必要である。オーステナイト系耐熱合金
の中には耐温強度の優れたものがあるが、熱膨張係数が
大きいために熱疲労強度が劣る問題がある。
【０００３】このため、高温強度を改良した新しいフエ
ライト系耐熱鋼の例として特開平4−147948号公報及び
特公平8−30249号公報がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、６５０
℃という究極の蒸気温度を達成するためには、これらの
提案された合金では多くのＷを含有するため長時間側で
脆弱な金属間化合物を形成し、長時間クリープ破断強度
を低下させるため、未だ不十分であり、さらに高温強度
の高いしかも長時間でも強度の安定したフエライト系耐
熱鋼の開発が望まれていた。
【０００５】本発明の目的は、６５０℃以上の特定の温
度でさらに高温長時間強度の優れた高温蒸気タービン用
ロータシャフトを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、重量％で、Ｃ
０.０５〜０.２０％，Ｓｉ０.２％以下，Ｍｎ０.０５〜
１.５％，Ｎｉ０.０１〜１.０％，Ｃｒ９.０〜１３.０
％,Ｍｏ０.０５〜０.５％，Ｗ０.５〜５.０％,Ｖ０.０
５〜０.３０％,Ｎｂ０.０１〜０.２０％，Ｃｏ０.５〜
１０.０％，Ｎ０.０１〜０.１％，Ｂ０.００１〜０.０
３０％及びＡｌ０．０００５〜０.００６％を含むマル
テンサイト鋼、好ましくは残部が実質的にＦｅよりなる
ことを特徴とする蒸気タービン用ロータシャフトにあ
る。
【０００７】本発明は、重量％で、Ｃ０.０９〜０.１５
％，Ｓｉ０.０３〜０.１５％，Ｍｎ０.３５〜０.６５
％，Ｎｉ０.０２〜０.５％，Ｃｒ９.５〜１１.５％，Ｍ
ｏ０．０５〜０.４％，Ｗ１.０〜３.０％,Ｖ０.１５〜
０.３０％，Ｎｂ０.０４〜０.１３％，Ｃｏ１.５〜３.
５％，Ｎ０.０１〜０.０４％，Ｂ０.００５〜０.０２５
％及びＡｌ０.０００５〜０.００５％を含み、好ましく
は残部が実質的にＦｅであるマルテンサイト鋼からなる
蒸気タービン用ロータシャフトが好ましい。
【０００８】本発明は、重量で、Ｃｒ９.０〜１３.０
％，Ｗ０.５〜５.０％，Ｖ０.０５〜０.３０％，Ｎｂ
０.０１〜０.２０％，Ｃｏ０.５〜１０.０及びＢ０.０
０１〜０.０３０％を含むマルテンサイト鋼よりなり、
６５０℃，１０5時間クリープ破断強度が９kg／mm２以
上、好ましくは１０kg／mm２以上である蒸気タービン用
ロータシャフトにある。そのロータシャフトは、好まし
くは、前述の組成を有するマルテンサイト鋼からなり、
１０5時間クリープ破断強度が６００℃で２０kg／m
m２，６２５℃で１４kg／mm２及び７００℃で２５kg／m
m２を越える値とするものであり、より好ましくは６０
０℃で２２kg／mm２以上，６２５℃で１６kg／mm２以
上，７００℃で３kg／mm２ 以上とするものである。
【０００９】本発明は、重量％で、Ｃ０.０９〜０.１５
％，Ｓｉ０.１５％以下，Ｍｎ０.３〜０.７％，Ｎｉ０.
０２〜０.５％，Ｃｒ９.０〜１３.０％，Ｍｏ０.０５〜
０.５％，Ｗ１.０〜３.０％，Ｖ０.１５〜０.３０％,Ｎ
ｂ０.０４〜０.１３％,Ｃｏ１.５〜４.０％，Ｎ０.０１
〜０.０４％，Ｂ０.００１〜０.０３０％及びＡｌ０．
０００５〜０.００６％を含み、好ましくは残部が実質
的にＦｅからなるマルテンサイト鋼が好ましい。
【００１０】本発明は、重量％で、Ｃ０.０５〜０.２０
％，Ｓｉ０.２％以下，Ｍｎ０.０５〜１.５％，Ｎｉ０.
０１〜１.０％，Ｃｒ９.０〜１３.０％,Ｍｏ０.０５〜
２.０％，Ｗ０.５〜５.０％，Ｖ０.０５〜０.３０％，
Ｎｂ０.０１〜０.２０％，Ｃｏ１.０％を越え１０.０％
以下，Ｎ０.０１〜０.１％，Ｂ０.００１〜０.０３０％
及びＡｌ０.０００５〜０.００６％を含むマルテンサイ
ト鋼、好ましくは残部が実質的にＦｅよりなることを特
徴とする蒸気タービン用ロータシャフトにある。
【００１１】Ｃは焼入性を確保し、また焼もどし過程で
Ｍ２３Ｃ６ 型炭化物を析出させて高温強度を高めるた
めに不可欠の元素であり、最低０.０５％ を必要とする
が、０.２０％を越えるとＭ２３Ｃ６ 型炭化物を過度に
析出させ、マトリックス度を低めてかえって長時間側の
高温強度を損なうので、０.０５〜０.２０％に限定す
る。望ましくは、０.０９〜０.１３％である。
【００１２】Ｍｎは、δフエライトの生成を抑制し、Ｍ
２３Ｃ６ 型炭化物の析出を促進する元素として最低０.
０５％は必要であるが、１.５％を越えると耐酸化性を
劣化させるので、０.０２〜１.５％に限定する。望まし
くは、０.３〜０.７％である。さらに望ましくは、０.
３５〜０.６５％である。
【００１３】Ｎｉはδフエライトの生成を抑制し、靭性
を付与する元素であり、最低０．０５％必要であるが、
１.０％ を越えると６２０℃以上のクリープ破断強度を
低下させるので、０.０２〜１.０％に限定する。望まし
くは、０.１〜０.５％である。
【００１４】Ｃｒは耐酸化性を付与し、Ｍ２３Ｃ６ 型
炭化物を析出させて高温強度を高めるために不可欠の元
素であり、最低９％必要であるが、１３％を越えるとδ
フエライトを生成し、高温強度および靭性を低下させる
ので９.０〜１３.０％に限定する。望ましくは、９.５
〜１１.５％、より望ましくは１０.０〜１１.０％であ
る。
【００１５】ＭｏはＭ23Ｃ6 型炭化物の微細析出を促進
し、凝集を妨げる作用があり、このため高温強度を長時
間保持するのに有効で、最低０.０５％必要であるが、
２.０％以上になるとδフエライトを生成し易くするの
で０.０５〜２.０％に限定する。望ましくは、０.０５
〜０.５％で、より好ましくは０.１〜０.３％である。
【００１６】ＷはＭｏ以上にＭ２３Ｃ６ 型炭化物の凝
集粗大化を抑制する作用が強く、またマトリックスを固
溶強化するので高温強度の向上に有効であり、最低０.
５％必要であるが、５.０％ を越えるとδフエライトや
ラーベス相を生成しやすくなり、逆に高温強度を低下さ
せる。望ましくは、１.０〜３.０％である。
【００１７】Ｖは、Ｖの炭窒化物を析出して高温強度を
高めるのに有効であり、最低０．０５％を必要とする
が、０.３％を越えると炭素を過度に固定し、Ｍ２３Ｃ
６ 型炭化物の析出量を減じて逆に高温強度を低下させ
るので０.０５〜０.３％に限定する。望ましくは、０.
１０〜０.２５％である。
【００１８】Ｎｂ及びＴａの少なくとも一つは、Ｎｂ
Ｃ，ＴａＣを生成して結晶粒の微細化に役立ち、また一
部は焼入れの際固溶して焼もどし過程でＮｂＣ，ＴａＣ
を析出し、高温強度を高める作用があり、最低０.０１
％ 必要であるが、０.２０％ を越えるとＶと同様炭素
を過度に固定してＭ２３Ｃ６ 型炭化物の析出量を減少
し、高温強度の低下を招くので０.０１〜０.２０％に限
定する。望ましくは、０.０４〜０.１３％である。
【００１９】Ｃｏは本発明を従来の発明から区別して特
徴づける重要な元素である。本発明においてはＣｏの
０.５％ 以上添加により高温強度が著しく改善される。
これは、Ｗとの相互作用によるものと考えられ、Ｗを
０.５％ 以上含む本発明合金において特徴的な現象であ
る。一方Ｃｏを１０％を越える過度添加は延性が低下す
るので、好ましくない。望ましくは、１.０％を越え４.
０％以下である。さらに望ましくは、１.５〜３.５％で
ある。
【００２０】ＮはＶの窒化物を析出したり、また固溶し
た状態でＭｏやＷと共同でＩＳ効果（侵入型固溶元素と
置換型固溶元素の相互作用）により高温強度を高める作
用があり、最低０.０１％は必要であるが、０.１％を越
えると延性を低下させるので、０.０１〜０.１％に限定
する。望ましくは、０.０１〜０.０４％である。
【００２１】Ｓｉはラーベス相の生成を促し、また粒界
偏析等により延性を低下させるので、０.１５％以下に
制限する。望ましくは、０.１０％以下である。しか
し、Ｓｉは脱酸剤として０.０３％以上の極めて微量加
えることによって後述のＡｌ脱酸との関係から良好な高
温特性が得られるものである。
【００２２】Ａｌは本発明では最も重要な元素であり脱
酸剤及び結晶粒微細化剤として０.０００５％ 以上添加
される。
【００２３】しかし、Ａｌは強窒化物形成元素であり、
クリープに有効に働く窒素を固着することにより、特に
０.００６％を越えると６２５℃〜700℃といった高温域
での１０４ ｈ以上の長時間クリープ強度を低下させる
作用を有する。また、ＡｌはＷを主体とする脆弱な金属
間化合物であるラーベス相の析出を促進し、結晶粒界へ
の析出を招き長時間側のクリープ破断強度を低下させ
る。特に。極度の結晶粒微細化では粒界にラーベス相が
連続に析出する。従って、その上限を０.００６％とす
るものである。より好ましくは０.００１〜０.００４％
である。特にＷが１.５〜３.０％と高Ｗ側で効果が大き
い。
【００２４】Ｂは粒界強化作用とＭ２３Ｃ６ 中に固溶
し、Ｍ２３Ｃ６ 型炭化物の凝集粗大化を妨げる作用に
より高温強度を高める効果があり、最低０.００１％ 添
加すると有効であるが、０.０３０％を越えると溶接性
や鍛造性を害するので、０.００１〜０.０３０％ に限
定する。望ましくは、０.００２〜０.０２５％である。
【００２５】次式によって求められるクロム当量は４〜
１０.５が好ましく、特に６.５〜９.５が好ましい。ク
ロム当量＝−４０×Ｃ％−３０×Ｎ％−２×Ｍｎ％−４
×Ｎｉ％＋Ｃｒ％＋６×Ｓｉ％＋４×Ｍｏ％＋１１×Ｖ
％＋５×Ｎｂ％−２×Ｃｏ％
【００２６】本発明のロータシャフトはインゴットを真
空溶解，真空Ｃ脱酸，ＥＳＲ溶解によって鋳造し、鍛造
を行った後、９００〜１１５０℃で加熱し、中心孔で５
０〜６００℃／ｈ冷却による焼入れし、次いで５００〜
６２０℃で一次焼戻し及びそれより高い温度の６００〜
７５０℃での２次焼戻しが施される。
【００２７】
【発明の実施の形態】鋳鋼を電気炉で８０トン溶解し、
カーボン真空脱酸し、金型鋳型に鋳込み、鍛伸して電極
棒を作製し、これを電極としてエレクトロ再溶解し、ロ
ータ形状（直径１０５０mm，長さ３７００mm）に鍛伸し
て成型した。この鍛伸は、鍛造割れを防ぐために、１１
５０℃以下の温度で行った。またこの鍛鋼は焼鈍熱処理
後、１０５０℃に加熱し水噴霧冷却焼入れ処理、５７０
℃及び７００℃で２回焼戻しを行い、最終形状に切削加
工によって得られるものである。本実施例においてはエ
レクトロスラグ鋼塊の上部側を初段翼側にし、下部を最
終段側にするようにした。いずれのロータシャフトも中
心孔を有しており、不純物を低下させることにより中心
孔をなくすことができる。表１（重量％）に本ロータの
成分を示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】表２はロータシャフト材の６００〜７００
℃，１０万時間のクリープ破断強度を示すものである。
表に示すように、０.００６％ を越えるＡｌの含有は本
発明の特定の組成においては特に６５０℃において著し
くクリープ破断強度を低めるので、それ以下にすべきで
ある。
【００３０】
【表２】
【００３１】本実施例におけるロータシャフトは初段動
翼への蒸気温度入口温度が６００℃以上の高圧タービ
ン，中圧タービン又は高圧部と中圧部を一体にした高中
圧一体型蒸気タービンに用いることができる。これらの
蒸気タービンは互いに反対向きの外側に向かって流れる
複流構造のブレード植込み構造を有するロータシャフト
となる。更に、いずれのロータシャフトのジャーナル部
にもベーナイト組織を有するＣｒ−Ｍｏ低合金鋼の肉盛
又はそのスリーブが設けられる。特に、本実施例におい
ては、高圧タービン６００℃，中圧タービン６２０℃、
又は高圧タービン及び中圧タービン６２０℃の蒸気温度
を用いる単機出力で１０００ＭＷ以上の超々臨界圧発電
プラントに好適である。更に、これらの蒸気温度として
６３０〜６５０℃への適用が可能である。
【００３２】
【発明の効果】本発明によるロータシャフトを超々臨界
圧蒸気タービンに適用すれば、蒸気タービンの蒸気温度
を６５０℃以上に高めることが可能になり、火力発電の
熱効率の向上に顕著な効果がある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 土井 裕之 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 新井 将彦 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 平賀 良 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 (72)発明者 野村 健一郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 (72)発明者 藤田 利夫 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所火力・水力事業部内 (72)発明者 田中 泰彦 北海道室蘭市茶津町４番地 株式会社日本 製鋼所室蘭研究所内 Ｆターム(参考） 3G002 AA07 AA11 AB00 EA06

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】重量％で、Ｃ０.０５〜０.２０％，Ｓｉ
    ０.２％以下，Ｍｎ０.０５〜１.５％，Ｎｉ０.０１〜
    １.０％，Ｃｒ９.０〜１３.０％，Ｍｏ０.０５〜０.５
    ％，Ｗ０.５〜５.０％，Ｖ０.０５〜０.３０％，Ｎｂ
    ０.０１〜０.２０％，Ｃｏ０.５〜１０.０％，Ｎ０.０
    １〜０.１％,Ｂ０.００１〜０.０３０％及びＡｌ０．０
    ００５〜０.００６ ％を含むマルテンサイト鋼よりなる
    ことを特徴とする蒸気タービン用ロータシャフト。
  2. 【請求項２】重量％で、Ｃ０.０９〜０.１５％，Ｓｉ
    ０.１５％以下 ，Ｍｎ０.３〜０.７％，Ｎｉ０.０２〜
    ０.５％，Ｃｒ９.０〜１３.０％，Ｍｏ０.０５〜０.５
    ％，Ｗ１.０〜３.０％，Ｖ０.１５〜０.３０％，Ｎｂ
    ０.０４〜０.１３％，Ｃｏ１.０％を越え４.０％以下，
    Ｎ０.０１〜０.０４％，Ｂ０.００１〜０.０３０％及び
    Ａｌ０.０００５〜０.００６％を含むマルテンサイト鋼
    よりなることを特徴とする蒸気タービン用ロータシャフ
    ト。
  3. 【請求項３】重量％で、Ｃ０.０９〜０.１５％，Ｓｉ
    ０.０３〜０.１５％，Ｍｎ０.３５〜０.６５％，Ｎｉ
    ０.０２〜０.５％，Ｃｒ９.５〜１１.５％，Ｍｏ０.０
    ５〜0.4％，Ｗ１.０〜３.０％，Ｖ０.１５〜０.３０
    ％，Ｎｂ０.０４〜０.１３％，Ｃｏ１.５〜３.５％，Ｎ
    ０.０１〜０.０４％，Ｂ０.００５〜０.０２５％及びＡ
    ｌ０.０００５〜０.００５％を含むマルテンサイト鋼よ
    りなることを特徴とする蒸気タービン用ロータシャフ
    ト。
  4. 【請求項４】重量で、Ｃｒ９.０〜１３.０％，Ｗ０.５
    〜５.０％，Ｖ０.０５〜０.３０％，Ｎｂ０.０１〜０.
    ２０％，Ｃｏ０.５〜１０.０％及びＢ０.００１〜０.０
    ３０％を含むマルテンサイト鋼よりなり、６５０℃，１
    ０5 時間クリープ破断強度が９kg／mm２以上であること
    を特徴とする蒸気タービン用ロータシャフト。
  5. 【請求項５】重量％で、Ｃ０.０５〜０.２０％，Ｓｉ
    ０.２％以下，Ｍｎ０.０５〜１.５％，Ｎｉ０.０１〜
    １.０％，Ｃｒ９.０〜１３.０％，Ｍｏ０.０５〜２.０
    ％，Ｗ０.５〜５.０％，Ｖ０.０５〜０.３０％，Ｎｂ
    ０.０１〜０.２０ ％，Ｃｏ１.０％を越え１０.０％以
    下，Ｎ０.０１〜０.１％,Ｂ０.００１〜０.０３０％及
    びＡｌ０.０００５〜０.００６％を含むマルテンサイト
    鋼よりなることを特徴とする蒸気タービン用ロータシャ
    フト。
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