JP2021080523A - Fe-based alloy - Google Patents

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貴代子 竹田
Kiyoko Takeda
貴代子 竹田
正木 康浩
Yasuhiro Masaki
康浩 正木
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Abstract

To provide an Fe-based alloy having excellent corrosion resistance in a high-temperature steam environment containing sulfur oxide.SOLUTION: An Fe-based alloy comprises, in mass%, C: 0.04-0.15%, Si: 2.5-4.5%, Mn: 0.5-1.0%, P: 0.10% or less, S: 0.010% or less, Ni: 30.0-35.0%, Cr: 18.0-23.0%, Ti: 0.05-0.30%, Al: 0.02-0.10%, B: 0.02-0.08%, N: 0.01-0.03%, REM: 0.002-0.01%, Cu: 0-0.5%, Mo: 0-0.35%, Mg: 0-0.005%, Ca: 0-0.003%, with the balance being Fe and impurities, and satisfies [Si/14-(Al/18+TiSO+MnSO)≥0.165].SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、Fe基合金に関する。 The present invention relates to Fe-based alloys.

将来の水素社会の実現に向けて、化石燃料に依存しない、すなわち二酸化炭素の発生を伴わないクリーンなエネルギーを用いて水素を製造するプロセスの開発が必要になっている。エネルギー源には、太陽光もしくは風力等の再生可能エネルギー、原子力エネルギー等が挙げられる。そのなかでも原子力エネルギーはエネルギー量、エネルギー密度、その供給安定性に最も優れると考えられている。軽水炉では、一旦取りだした電気エネルギーを用い、電気分解などの方法で水素製造することになる。また、近年、炉心をヘリウムガスによって冷却し、熱交換して高温の熱を取り出す高温ガス炉が注目されている。 For the realization of a hydrogen society in the future, it is necessary to develop a process for producing hydrogen using clean energy that does not depend on fossil fuels, that is, does not generate carbon dioxide. Examples of the energy source include renewable energy such as solar power or wind power, and nuclear energy. Among them, nuclear energy is considered to have the best energy quantity, energy density, and supply stability. In a light water reactor, hydrogen is produced by a method such as electrolysis using the electric energy once taken out. Further, in recent years, a high-temperature gas reactor in which a core is cooled by helium gas and heat exchange is performed to extract high-temperature heat has attracted attention.

高温ガス炉で発生した高温の熱は発電だけでなく、直接水素製造に用いることができる。水素製造の方法としては、硫酸とヨウ化水素との熱分解を組み込んだISプロセス、高温水電解(水蒸気電解)等が考えられている。ISプロセスは化学的な水素製造ともいわれ、大量の水素製造に適している。原理的には下記のとおりであり、高温の硫酸およびヨウ化水素の分解が含まれ、これらの反応は白金等の触媒により進行する。 The high-temperature heat generated in the high-temperature gas reactor can be used not only for power generation but also for direct hydrogen production. As a method for producing hydrogen, an IS process incorporating thermal decomposition of sulfuric acid and hydrogen iodide, high temperature water electrolysis (steam electrolysis), and the like are considered. The IS process is also called chemical hydrogen production and is suitable for mass production of hydrogen. In principle, it is as follows, and includes decomposition of high-temperature sulfuric acid and hydrogen iodide, and these reactions proceed with a catalyst such as platinum.

SO → SO+HO(硫酸の熱分解:300度以上)
SO → SO+1/2O(SOの分解:≧850℃)
2HI → H+I(ヨウ化水素の分解:400℃)
SO+I+2HO → 2HI+HSO(ブンゼン反応:200℃)
O → H+1/2O(全体反応)
H 2 SO 4 → SO 3 + H 2 O (pyrolysis of sulfuric acid: 300 degrees or more)
SO 3 → SO 2 + 1 / 2O 2 ( decomposition of SO 3 : ≧ 850 ° C)
2HI → H 2 + I 2 (decomposition of hydrogen iodide: 400 ° C)
SO 2 + I 2 + 2H 2 O → 2HI + H 2 SO 4 (Bunsen reaction: 200 ° C)
H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2 (overall reaction)

本プロセスの主たる課題には、装置/プラントに用いる材料の耐食性の向上および触媒の性能向上が挙げられる。反応には高温の強酸を用いるので、装置機器、配管類の腐食または劣化が深刻となる。特に硫酸分解部は極めて強い腐食環境に曝されるので、通常の金属材料では腐食は避けられない。触媒を用いるプロセスについては触媒自身の活性および耐久性が不十分であり、触媒材の開発とともにガス相または液相の接触効率を高める化学工学的な取り組みが進められている。 The main issues of this process are improvement of corrosion resistance of materials used for equipment / plant and improvement of catalyst performance. Since a high-temperature strong acid is used for the reaction, the corrosion or deterioration of equipment and pipes becomes serious. In particular, the sulfate-decomposed part is exposed to an extremely strong corrosive environment, so corrosion is unavoidable with ordinary metal materials. Regarding the process using a catalyst, the activity and durability of the catalyst itself are insufficient, and along with the development of a catalyst material, chemical engineering efforts to improve the contact efficiency of the gas phase or the liquid phase are being promoted.

特許文献1には、表面にCr欠乏層を備え、その外側(表面側)にCr主体の酸化スケール層を設けた、耐コーキング性と耐浸炭性を有するステンレス鋼管が開示されている。 Patent Document 1 discloses a stainless steel pipe having caulking resistance and carburizing resistance, which is provided with a Cr-deficient layer on the surface and an oxide scale layer mainly composed of Cr on the outside (surface side) thereof.

特開2005−48284号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-48284

クロムを中心とする酸化皮膜を設けた合金材料は皮膜のバリア性に基づく耐食性が期待されるが、ISプロセスの様な高温の硫酸環境では母材自身の耐食性が十分でない。 An alloy material provided with an oxide film centered on chromium is expected to have corrosion resistance based on the barrier property of the film, but the corrosion resistance of the base material itself is not sufficient in a high-temperature sulfuric acid environment such as the IS process.

本発明は、SO、硫酸をはじめとする硫黄酸化物を含む高温蒸気環境での耐食性に優れたFe基合金を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an Fe-based alloy having excellent corrosion resistance in a high-temperature steam environment containing sulfur oxides such as SO 3 and sulfuric acid.

本発明者らは、上記の目的を達成するべく、種々のFe基合金を、SO、硫酸をはじめとする硫黄酸化物を含む高温蒸気環境に曝す実験を行い、耐食性を評価した。Fe基合金の主要成分であるFe、CrおよびNiのなかではCrが最も酸化されやすく、Cr酸化皮膜は耐食皮膜として知られている。しかし、上記の高温蒸気環境においては、Cr酸化皮膜よりも腐食速度の小さい酸化皮膜があった。それは、Siを主体とする腐食生成皮膜(以下、単に「Si酸化皮膜」ともいう。)である。本発明者らは、Si酸化皮膜を安定的に形成する条件について検討をし、下記の知見を得た。 In order to achieve the above object, the present inventors conducted an experiment in which various Fe-based alloys were exposed to a high-temperature steam environment containing sulfur oxides such as SO 3 and sulfuric acid, and evaluated the corrosion resistance. Of the main components of Fe-based alloys, Fe, Cr and Ni, Cr is most easily oxidized, and the Cr oxide film is known as a corrosion resistant film. However, in the above-mentioned high-temperature steam environment, there was an oxide film having a lower corrosion rate than the Cr oxide film. It is a corrosion-forming film mainly composed of Si (hereinafter, also simply referred to as "Si oxide film"). The present inventors investigated the conditions for stably forming a Si oxide film, and obtained the following findings.

(A)上記の高温蒸気環境においては、まず、母材に含まれる元素のうち酸素との親和力の高い元素(以下、「元素A」という。)が選択的に酸化される。腐食の初期段階においては、母材の表面に元素Aの酸化物が島状に生成する。その後、母材の元素Aの含有量が十分に高い場合には点在した島状のA酸化物が徐々に拡大していき、母材の全面を覆う酸化皮膜に成長していく。しかし、元素Aの含有量が十分に高くない場合には、元素Aの次に酸化されやすい元素(以下、「元素B」という。)の酸化物が、元素Aの酸化物で覆われていない母材表面に島状に生成し、成長していく。そして、元素Bの酸化物の生成が終わると、次に酸化されやすい元素が島状に生成し、成長していく、という反応が順次進んでいく。但し、母材が曝される高温蒸気環境が元素Aおよび元素Bの双方が酸化される酸化ポテンシャルの場合、元素Aの酸化が先行するが、元素Aだけでなく、元素Bの酸化も同時に進む。 (A) In the above-mentioned high-temperature steam environment, first, among the elements contained in the base material, an element having a high affinity for oxygen (hereinafter, referred to as "element A") is selectively oxidized. In the initial stage of corrosion, an oxide of element A is formed on the surface of the base metal in an island shape. After that, when the content of the element A of the base material is sufficiently high, the scattered island-shaped A oxides gradually expand and grow into an oxide film covering the entire surface of the base material. However, when the content of the element A is not sufficiently high, the oxide of the element that is easily oxidized next to the element A (hereinafter referred to as "element B") is not covered with the oxide of the element A. It forms an island on the surface of the base metal and grows. Then, when the formation of the oxide of the element B is completed, the next easily oxidized element is formed in an island shape and grows, and the reaction proceeds in sequence. However, when the high-temperature steam environment to which the base material is exposed has an oxidation potential in which both element A and element B are oxidized, the oxidation of element A precedes, but the oxidation of not only element A but also element B proceeds at the same time. ..

(B)Si酸化皮膜を安定的に形成するためには、Siよりも酸化されやすい元素であるAlおよびTiと、Siの次に酸化されやすいMnを低減する必要がある。しかし、Al、TiおよびMnは、製鋼時の脱酸剤としての役割があり、これらの元素量の低減には限界がある。 (B) In order to stably form a Si oxide film, it is necessary to reduce Al and Ti, which are elements that are more easily oxidized than Si, and Mn, which is easily oxidized next to Si. However, Al, Ti and Mn have a role as deoxidizers during steelmaking, and there is a limit to the reduction of the amount of these elements.

(C)そこで、ある程度の量のAl、TiおよびMnが含まれる場合であっても、Si酸化皮膜を安定的に形成するための条件について更に検討した。上記の高温蒸気環境において形成される各元素の酸化物は、それぞれSiO、Al、TiOおよびMnOであり、Si原子1個の酸化に対し酸素原子は2個、Al原子1個の酸化に対し酸素原子は1.5個、Ti原子1個の酸化に対し酸素原子2個、Mn原子1個の酸化に対し酸素原子は2個が必要である。すなわち、下記(a)式の計算値を十分に大きくする必要がある。理論的にはこの計算値を0以上にすればSi酸化皮膜が形成されることになる。実際には各元素の拡散速度の影響などを受ける。
Si/14−(Al/18+Ti/24+Mn/55)・・・(a)
(C) Therefore, the conditions for stably forming the Si oxide film even when a certain amount of Al, Ti and Mn are contained are further investigated. Oxides of each element formed in the above high-temperature steam environment are respectively SiO 2, Al 2 O 3, TiO 2 and MnO 2, 2 oxygen atoms whereas Si atom one oxide, Al atom 1 For each oxidation, 1.5 oxygen atoms are required, for the oxidation of one Ti atom, two oxygen atoms are required, and for the oxidation of one Mn atom, two oxygen atoms are required. That is, it is necessary to sufficiently increase the calculated value of the following equation (a). Theoretically, if this calculated value is set to 0 or more, a Si oxide film will be formed. Actually, it is affected by the diffusion rate of each element.
Si / 14- (Al / 18 + Ti / 24 + Mn / 55) ... (a)

(D)Tiについては、酸素より窒素との親和力が高い。このため、上記(a)式中のTiの項については、TiNが形成後に残った固溶Ti量(TiSO=[Ti]/48−[N]/14)に基づいて補正する必要がある。ただし、計算上、[Ti]/48−[N]/14の値が負の値となる場合があるが、その場合には固溶Tiが存在しないことを意味するため、上記(a)式中のTiの項には0を代入する。 (D) Ti has a higher affinity for nitrogen than oxygen. Therefore, it is necessary to correct the Ti term in the above equation (a) based on the amount of solid-dissolved Ti remaining after the formation of TiN (Ti SO = [Ti] / 48- [N] / 14). .. However, in calculation, the value of [Ti] / 48- [N] / 14 may be a negative value, but in that case, it means that there is no solid solution Ti, so the above formula (a) Substitute 0 for the Ti term inside.

(E)Mnについては、Sとの親和性が高いため、上記(a)式中のMnの項については、MnSを形成せずに残った固溶Mn量(MnSO)に基づいて補正する必要がある。ここで、Sは、Mnだけでなく、CaおよびMgとも硫化物を形成しやすい元素であるため、MnS形成に寄与するSの計算においては、CaSおよびMgSを考慮する必要がある。このため、上記の固溶Mnの量MnSOは、[Mn]/55−([S]/32−[Ca]/40−[Mg]/24)により求められる値とする。ただし、計算上、[Mn]/55−([S]/32−[Ca]/40−[Mg]/24)の値が負の値となる場合があるが、その場合には固溶Mnが存在しないことを意味するため、上記(a)式中のMnの項には0を代入する。 Since (E) Mn has a high affinity with S, the Mn term in the above formula (a) is corrected based on the amount of solid solution Mn remaining without forming MnS (Mn SO). There is a need. Here, since S is an element that easily forms sulfide not only with Mn but also with Ca and Mg, it is necessary to consider CaS and MgS in the calculation of S that contributes to the formation of MnS. Therefore, the amount Mn SO of the solid solution Mn is set to a value obtained by [Mn] / 55-([S] / 32- [Ca] / 40- [Mg] / 24). However, in calculation, the value of [Mn] / 55- ([S] / 32- [Ca] / 40- [Mg] / 24) may be a negative value, but in that case, the solid solution Mn Since it means that does not exist, 0 is substituted for the Mn term in the above equation (a).

(F)以上により、硫黄酸化物を含む高温蒸気環境において均一なSi酸化皮膜を形成するためには、下記(1)〜(3)式を満たす化学組成に調整することが重要である。
Si/14−(Al/18+TiSO+MnSO)≧0.165・・・(1)
TiSO=[Ti]/48−[N]/14・・・(2)
MnSO=[Mn]/55−([S]/32−[Ca]/40−[Mg]/24)・・・(3)
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味し、上記(2)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のTiSOの項には0を代入し、上記(3)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のMnSOの項には0を代入する。
(F) From the above, in order to form a uniform Si oxide film in a high-temperature vapor environment containing sulfur oxides, it is important to adjust the chemical composition to satisfy the following formulas (1) to (3).
Si / 14- (Al / 18 + Ti SO + Mn SO ) ≧ 0.165 ... (1)
Ti SO = [Ti] / 48- [N] / 14 ... (2)
Mn SO = [Mn] / 55- ([S] / 32- [Ca] / 40- [Mg] / 24) ... (3)
However, each element symbol in the above formula means the content (mass%) of each element, and when the calculated value on the right side of the above formula (2) is a negative value, the Ti SO in the above formula (1) Substitute 0 for the term, and if the calculated value on the right side of the above equation (3) is a negative value, substitute 0 for the Mn SO term of the above equation (1).

本発明は、上記の知見に基づくものであり、下記のFe基合金を要旨とする。
質量%で、
C:0.04〜0.15%、
Si:2.5〜4.5%、
Mn:0.50〜1.00%、
P:0.10%以下、
S:0.010%以下、
Ni:30.0〜35.0%、
Cr:18.0〜23.0%、
Ti:0.05〜0.30%、
Al:0.02〜0.10%、
B:0.02〜0.08%、
N:0.01〜0.03%、
REM:0.002〜0.01%、
Cu:0〜0.5%、
Mo:0〜0.35%、
Mg:0〜0.005%、
Ca:0〜0.003%を含有し、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(1)〜(3)式を満足する、Fe基合金。
Si/14−(Al/18+TiSO+MnSO)≧0.165・・・(1)
TiSO=[Ti]/48−[N]/14・・・(2)
MnSO=[Mn]/55−([S]/32−[Ca]/40−[Mg]/24)・・・(3)
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味し、上記(2)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のTiSOの項には0を代入し、上記(3)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のMnSOの項には0を代入する。
The present invention is based on the above findings, and the following Fe-based alloys are the gist of the present invention.
By mass%
C: 0.04 to 0.15%,
Si: 2.5-4.5%,
Mn: 0.50 to 1.00%,
P: 0.10% or less,
S: 0.010% or less,
Ni: 30.0 to 35.0%,
Cr: 18.0 to 23.0%,
Ti: 0.05 to 0.30%,
Al: 0.02 to 0.10%,
B: 0.02 to 0.08%,
N: 0.01-0.03%,
REM: 0.002-0.01%,
Cu: 0-0.5%,
Mo: 0-0.35%,
Mg: 0-0.005%,
Ca: contains 0 to 0.003%,
Remaining: Fe and impurities,
An Fe-based alloy that satisfies the following equations (1) to (3).
Si / 14- (Al / 18 + Ti SO + Mn SO ) ≧ 0.165 ... (1)
Ti SO = [Ti] / 48- [N] / 14 ... (2)
Mn SO = [Mn] / 55- ([S] / 32- [Ca] / 40- [Mg] / 24) ... (3)
However, each element symbol in the above formula means the content (mass%) of each element, and when the calculated value on the right side of the above formula (2) is a negative value, the Ti SO in the above formula (1) Substitute 0 for the term, and if the calculated value on the right side of the above equation (3) is a negative value, substitute 0 for the Mn SO term of the above equation (1).

本発明によれば、SO、硫酸をはじめとする硫黄酸化物を含む高温蒸気環境での耐食性に優れたFe基合金を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an Fe-based alloy having excellent corrosion resistance in a high-temperature steam environment containing sulfur oxides such as SO 3 and sulfuric acid.

以下に本発明鋼の化学組成を規定した理由を述べる。なお、各成分の含有量に関する「%」は「質量%」を意味する。 The reasons for defining the chemical composition of the steel of the present invention will be described below. In addition, "%" regarding the content of each component means "mass%".

C:0.04〜0.15%
Cは、オーステナイト組織を安定にし、また、鋼の強度を向上させる。このため、その含有量は0.04%以上とする。しかし、過剰に含有させると高温での使用中に炭化物が析出して脆化するので、0.15%を上限とする。好ましい下限は、0.06%であり、好ましい上限は、0.12%である。
C: 0.04 to 0.15%
C stabilizes the austenite structure and improves the strength of the steel. Therefore, the content is set to 0.04% or more. However, if it is contained in an excessive amount, carbides are precipitated and embrittled during use at a high temperature, so the upper limit is 0.15%. The preferred lower limit is 0.06% and the preferred upper limit is 0.12%.

Si:2.5〜4.5%
Siは、硫黄酸化物を含む高温蒸気中でSi酸化皮膜を形成し腐食を抑制する。このため、その含有量は2.5%以上とする。一方、Siを過剰に含有させると、加工性が低下するため、4.5%以下とする。好ましい下限は2.8%である。好ましい上限は4.0%であり、より好ましい上限は3.5%である。
Si: 2.5-4.5%
Si forms a Si oxide film in high-temperature steam containing sulfur oxides and suppresses corrosion. Therefore, the content is set to 2.5% or more. On the other hand, if Si is excessively contained, the workability is lowered, so the content is 4.5% or less. The preferred lower limit is 2.8%. The preferred upper limit is 4.0% and the more preferred upper limit is 3.5%.

Mn:0.50〜1.00%
Mnは、鋼の脱酸に有効な元素であり、また、MnSとしてSを固定して熱感加工性を改善する。このため、その含有量は0.50%以上とする。しかし、Mn酸化物は、硫黄酸化物を含む高温蒸気中の耐食性が優れず、また、Si酸化被膜中に取り込まれ、Si酸化物の形成を阻害し、耐食性を劣化させるので、上限は1.00%とする。好ましくは0.80%以下であり、より好ましくは0.70%以下である。
Mn: 0.50 to 1.00%
Mn is an element effective for deoxidizing steel, and S is fixed as MnS to improve heat-sensitive workability. Therefore, the content is set to 0.50% or more. However, Mn oxide does not have excellent corrosion resistance in high-temperature steam containing sulfur oxides, and is incorporated into the Si oxide film to inhibit the formation of Si oxide and deteriorate the corrosion resistance. Therefore, the upper limit is 1. It is set to 00%. It is preferably 0.80% or less, and more preferably 0.70% or less.

P:0.10%以下
Pは、不純物として鋼中に含まれる元素である。Pは、鋼材の溶接性を悪くするので、含有量は少ない方がよい。特に、P含有量が0.10%を超えると、溶接性が著しく低下するので、上限は0.10%とする。より好ましくは0.05%以下である。P含有量は少ない方がよいので、特に下限は定めないが、製造コストの観点から、0.010%が実用上の下限である。
P: 0.10% or less P is an element contained in steel as an impurity. Since P deteriorates the weldability of the steel material, the content should be small. In particular, if the P content exceeds 0.10%, the weldability is significantly reduced, so the upper limit is set to 0.10%. More preferably, it is 0.05% or less. Since it is better that the P content is small, a lower limit is not set in particular, but from the viewpoint of manufacturing cost, 0.010% is a practical lower limit.

S:0.010%以下
Sは、不純物として鋼中に含まれる元素である。Sは、鋼材の熱間加工性を悪くするので、含有量は少ない方がよい。S含有量は0.010%以下とする。Sの上限は0.0005%とするのがより好ましい。S含有量は少ない方がよいので、特に下限は定めないが、製造コストの観点から、0.0001%が実用上の下限である。
S: 0.010% or less S is an element contained in steel as an impurity. Since S deteriorates the hot workability of the steel material, it is preferable that the content is small. The S content shall be 0.010% or less. The upper limit of S is more preferably 0.0005%. Since it is better that the S content is small, a lower limit is not particularly set, but from the viewpoint of manufacturing cost, 0.0001% is a practical lower limit.

Ni:30.0〜35.0%
Niは、鋼自体の耐食性を保ち、高温強度を確保するために不可欠な元素である。このため、Niは30.0%以上含有させる。好ましい下限は30.5%であり、より好ましい下限は31.0%である。一方、過剰に含有させると、Siの拡散が抑制され、良好なSi耐食皮膜が形成しにくくなり、結果として、耐食性が低下するので、上限は35.0%とする。好ましくは34.0%以下、より好ましくは33.0%以下である。
Ni: 30.0 to 35.0%
Ni is an indispensable element for maintaining the corrosion resistance of the steel itself and ensuring the high temperature strength. Therefore, Ni is contained in an amount of 30.0% or more. The preferred lower limit is 30.5% and the more preferred lower limit is 31.0%. On the other hand, if it is excessively contained, the diffusion of Si is suppressed, it becomes difficult to form a good Si corrosion resistant film, and as a result, the corrosion resistance is lowered, so the upper limit is set to 35.0%. It is preferably 34.0% or less, more preferably 33.0% or less.

Cr:18.0〜23.0%
Crは、鋼自体の耐食性を保つために不可欠な元素である。特に、熱交換など高温の酸化環境で耐酸化性を維持するためには、その含有量を18.0%以上にする必要がある。好ましい下限は19.0%であり、より好ましい下限は20.0%以上である。しかし、過剰な含有は、熱間加工性を低下させるため、上限は23.0%とする。好ましい上限は22.5%であり、より好ましい上限は22.0%である。
Cr: 18.0 to 23.0%
Cr is an essential element for maintaining the corrosion resistance of the steel itself. In particular, in order to maintain oxidation resistance in a high-temperature oxidation environment such as heat exchange, the content must be 18.0% or more. The preferred lower limit is 19.0%, and the more preferable lower limit is 20.0% or more. However, since excessive content reduces hot workability, the upper limit is set to 23.0%. The preferred upper limit is 22.5% and the more preferred upper limit is 22.0%.

Ti:0.05〜0.30%
Tiは、鋼中に固溶して鋼の強度を向上させるので、0.05%以上含有させる。しかし、Tiは、酸化しやすく、Si酸化皮膜の生成を妨げるため、上限を0.30%とする。望ましくは0.20%以下、より望ましくは0.15%以下である。
Ti: 0.05 to 0.30%
Ti is contained in 0.05% or more because it dissolves in the steel to improve the strength of the steel. However, Ti is easily oxidized and hinders the formation of a Si oxide film, so the upper limit is set to 0.30%. It is preferably 0.20% or less, and more preferably 0.15% or less.

Al:0.02〜0.10%
Alは、酸素との親和力が強く、鋼の脱酸に有効な元素であるので、0.02%以上含有させる。しかし、Al含有量が多くなると、Si酸化皮膜の生成を妨げるため、上限を0.10%とする。望ましくは0.08%以下、より望ましくは0.05%以下である。好ましい下限は0.03%である。
Al: 0.02 to 0.10%
Al has a strong affinity for oxygen and is an element effective for deoxidizing steel, so it is contained in an amount of 0.02% or more. However, if the Al content is high, the formation of a Si oxide film is hindered, so the upper limit is set to 0.10%. It is preferably 0.08% or less, and more preferably 0.05% or less. The preferred lower limit is 0.03%.

B:0.02〜0.08%
Bは、高温で金属組織の安定を維持するのに有効な元素であり、0.02%以上含有させる。過剰に含有させると、高温での使用中にクロム硼化物が析出し脆化を促すため、上限は0.08%とする。好ましい下限は0.03%である。
B: 0.02 to 0.08%
B is an element effective for maintaining the stability of the metal structure at a high temperature, and contains 0.02% or more. If it is contained in an excessive amount, chromium boride precipitates during use at a high temperature and promotes embrittlement, so the upper limit is 0.08%. The preferred lower limit is 0.03%.

N:0.01〜0.03%
Nは、固溶強化により、鋼の強度を確保するのに有効な元素であり、0.01%以上含有させる。ただし、Nは、鋼中のTiと結合して窒化物を生成して、Si酸化皮膜を安定的に形成する。一方、窒化物の生成は熱間加工性を低下させるため、N含有量の上限は0.03%とする。好ましい下限は0.015%であり、好ましい上限は0.025%である。
N: 0.01-0.03%
N is an element effective for ensuring the strength of steel by solid solution strengthening, and is contained in an amount of 0.01% or more. However, N combines with Ti in the steel to form a nitride to stably form a Si oxide film. On the other hand, since the formation of nitrides lowers the hot workability, the upper limit of the N content is set to 0.03%. The preferred lower limit is 0.015% and the preferred upper limit is 0.025%.

REM:0.002〜0.01%
REMは、Pによる熱間加工性を改善するのに有効な元素であり、0.002%以上含有させる。しかし、過剰に含有させると、非金属介在物として合金の清浄度が低下し、欠陥の原因となる。さらに過剰なREMの含有は、Si酸化皮膜の生成を阻害するため、上限を0.01%とする。好ましい下限は0.003%であり、より好ましい下限は0.005%である。好ましい上限は0.008%であり、より好ましい上限は0.007%である。なお、REMは、Sc、Yおよびランタノイドの合計17元素の総称であり、REMの含有量は上記元素の合計量を意味する。
REM: 0.002-0.01%
REM is an element effective for improving the hot workability of P, and contains 0.002% or more. However, if it is contained in an excessive amount, the cleanliness of the alloy is lowered as a non-metal inclusion, which causes defects. Further, the content of excess REM inhibits the formation of the Si oxide film, so the upper limit is set to 0.01%. The preferred lower limit is 0.003% and the more preferred lower limit is 0.005%. The preferred upper limit is 0.008% and the more preferred upper limit is 0.007%. REM is a general term for a total of 17 elements of Sc, Y and lanthanoid, and the content of REM means the total amount of the above elements.

Cu:0〜0.5%
Cuは、硫黄酸化物を含む高温蒸気中での耐食性を向上させるので、含有させてもよい。過剰な含有は、熱間加工性が低下するため、上限は、0.5%とする。上記の効果を得るためには、0.08%以上含有させるのがよい。
Cu: 0-0.5%
Cu may be contained because it improves corrosion resistance in high-temperature steam containing sulfur oxides. Since excessive content reduces hot workability, the upper limit is 0.5%. In order to obtain the above effect, it is preferable to contain 0.08% or more.

Mo:0〜0.35%
Moは、鋼の保管時など常温での耐食性を向上させるので、含有させてもよい。過剰な含有は、熱間加工性が低下するため、上限は、0.35%とする。上記の効果を得るためには、0.04%以上含有させるのがよい。
Mo: 0 to 0.35%
Mo may be contained because it improves corrosion resistance at room temperature such as during storage of steel. Since excessive content reduces hot workability, the upper limit is set to 0.35%. In order to obtain the above effect, it is preferable to contain 0.04% or more.

Mg:0〜0.005%
Mgは、Sを固定して熱間加工や溶接性を改善するのに有効な元素であるので、0.005%以下の範囲で含有させてもよい。上記の効果を得るためには、0.0003%以上含有させるのがよい。
Mg: 0 to 0.005%
Since Mg is an element effective for fixing S and improving hot workability and weldability, it may be contained in the range of 0.005% or less. In order to obtain the above effect, it is preferable to contain 0.0003% or more.

Ca:0〜0.003%
Caは、Sを固定して熱間加工や溶接性を改善するのに有効な元素であるので、0.003%以下の範囲で含有させてもよい。上記の効果を得るためには、0.0015%以上含有させるのがよい。
Ca: 0 to 0.003%
Since Ca is an element effective for fixing S and improving hot working and weldability, it may be contained in the range of 0.003% or less. In order to obtain the above effect, it is preferable to contain 0.0015% or more.

本発明に係るFe基合金の化学組成における残部は、Feおよび不純物である。不純物とは、鋼材を工業的に製造する際に、鉱石、スクラップ等の原料その他の要因により混入し、本発明による作用効果を阻害しない範囲で許容される成分を意味する。 The balance in the chemical composition of the Fe-based alloy according to the present invention is Fe and impurities. Impurities mean components that are allowed in the industrial production of steel materials as long as they are mixed by raw materials such as ores and scraps and other factors and do not impair the effects of the present invention.

本発明に係るFe基合金は、硫黄酸化物を含む高温蒸気環境においてSi酸化皮膜が安定的に形成させて耐食性を向上させるものである。このためには、上述のように、Siよりも酸化されやすいAlおよびTiの含有量を低減しているが、これらの元素の含有量を低減するだけでは所望の耐食性能が得られない。そして、Si酸化皮膜を安定的に形成するためには、下記(1)〜(3)式を満たす化学組成に調整することが重要である。
Si/14−(Al/18+TiSO+MnSO)≧0.165・・・(1)
TiSO=[Ti]/48−[N]/14・・・(2)
MnSO=[Mn]/55−([S]/32−[Ca]/40−[Mg]/24)・・・(3)
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味し、上記(2)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のTiSOの項には0を代入し、上記(3)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のMnSOの項には0を代入する。
(1)式右辺値は、0.180であることが好ましく、0.225であることがより好ましい。
The Fe-based alloy according to the present invention stably forms a Si oxide film in a high-temperature vapor environment containing sulfur oxides to improve corrosion resistance. For this purpose, as described above, the contents of Al and Ti, which are more easily oxidized than Si, are reduced, but the desired corrosion resistance cannot be obtained only by reducing the contents of these elements. Then, in order to stably form the Si oxide film, it is important to adjust the chemical composition to satisfy the following formulas (1) to (3).
Si / 14- (Al / 18 + Ti SO + Mn SO ) ≧ 0.165 ... (1)
Ti SO = [Ti] / 48- [N] / 14 ... (2)
Mn SO = [Mn] / 55- ([S] / 32- [Ca] / 40- [Mg] / 24) ... (3)
However, each element symbol in the above formula means the content (mass%) of each element, and when the calculated value on the right side of the above formula (2) is a negative value, the Ti SO in the above formula (1) 0 is substituted for the term, and when the calculated value on the right side of the above equation (3) is a negative value, 0 is substituted for the Mn SO term of the above equation (1).
The rvalue in the equation (1) is preferably 0.180, more preferably 0.225.

本発明に係るFe基合金の製造方法については特に制約がなく、使用目的に応じて種々の製造方法を採用することができる。製造方法の一例として、Fe基合金管の製造方法について説明する。
初めに、電気炉、AOD(Argon Oxygen Decarburization)炉、VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)炉及びVIM(Vacuum Induction Melting)炉等により上記化学組成を有する溶鋼を準備する。溶鋼から熱間加工と熱処理工程を経て素材を得る。素材(インゴットまた鋳片)からたとえば、機械加工又は竪型穿孔により中空ビレットを製造する。
中空ビレットに対して熱間押出加工を実施する。熱間押出加工はたとえば、ユジーン・セジュルネ法である。以上の工程により、Fe基合金管が製造される。熱間押出加工以外の他の熱間加工により、鋼管を製造してもよい。熱間加工後の鋼管に対してさらに、冷間圧延及び/又は冷間抽伸といった冷間加工を実施してもよい。所望の機械的性質を得るために固溶化処理等の最終熱処理を実施してもよい。上述の製造方法の一例では、Fe基合金管の製造方法について説明した。しかしながら、Fe基合金は、板材であってもよいし、溶接管、又は、棒材等であってもよい。要するに、Fe基合金の製品形状は特に限定されない。
There are no particular restrictions on the method for producing the Fe-based alloy according to the present invention, and various production methods can be adopted depending on the purpose of use. As an example of the manufacturing method, a manufacturing method of the Fe-based alloy tube will be described.
First, a molten steel having the above chemical composition is prepared by an electric furnace, an AOD (Argon Oxygen Decarburization) furnace, a VOD (Vacum Oxygen Decarburization) furnace, a VIM (Vacum Induction Melting) furnace, or the like. A material is obtained from molten steel through hot working and heat treatment processes. Hollow billets are produced from materials (ingots or slabs), for example, by machining or vertical drilling.
Hot extrusion is performed on the hollow billet. Hot extrusion is, for example, the Eugene-Sejurne method. The Fe-based alloy tube is manufactured by the above steps. Steel pipes may be manufactured by hot working other than hot extrusion. Cold working such as cold rolling and / or cold drawing may be further carried out on the hot-worked steel pipe. A final heat treatment, such as a solution treatment, may be performed to obtain the desired mechanical properties. In the above-mentioned example of the manufacturing method, the manufacturing method of the Fe-based alloy tube has been described. However, the Fe-based alloy may be a plate material, a welded pipe, a bar material, or the like. In short, the product shape of the Fe-based alloy is not particularly limited.

表1に示す化学組成を有するインゴット50kgを真空溶解で作製した。得られたインゴット(外径250mm)を1200℃加熱後、熱間鍛造により厚さ40mm×幅100mm×長さ150mmの熱間鍛造材を得て、その熱間鍛造材に熱間圧延および冷間圧延を施して、厚さ5mm×幅100mm×長さ1000mmの冷延鋼板を得た。得られた冷延鋼板を1100℃で熱処理した後、水焼入れを実施して試験用鋼板を作製した。 50 kg of ingots having the chemical compositions shown in Table 1 were prepared by vacuum melting. The obtained ingot (outer diameter 250 mm) is heated at 1200 ° C., and then hot forged to obtain a hot forged material having a thickness of 40 mm, a width of 100 mm, and a length of 150 mm. Rolling was performed to obtain a cold-rolled steel sheet having a thickness of 5 mm, a width of 100 mm, and a length of 1000 mm. The obtained cold-rolled steel sheet was heat-treated at 1100 ° C. and then water-quenched to prepare a test steel sheet.

(耐食性評価)
試験用鋼板の肉厚中央部から厚さ1mm×幅10mm×長さ55mmの腐食試験用の試験片を機械加工で作製した。試験片の全面を湿式エメリー研磨紙の600番仕上げとし、アセトンで洗浄・脱脂し、その後、試験片の試験前質量を測定した。腐食試験用の石英管中に治具にセットした試験片を置き、アルゴンガスを流しながら850℃に加熱した。次いで、マイクロポンプを用いて98%硫酸を上流側から供給し、気化・分解させたSOガスを発生させ、純アルゴンガスまたはSOを含有したアルゴンガスを流しながら20%SOガスとして通気させ、50時間の試験を実施した。試験後、過マンガン酸カリウム溶液およびクエン酸二アンモニウム溶液で試験片の金属光沢が出るまで脱スケールした後、試験後質量を測定した。試験片の試験片前後の質量差を試験時間で除して腐食速度(g/m)を測定した。比較材No.9(ALLOY800Hに準じた鋼)の腐食速度を1としたときの腐食速度が、0.7以下のものを「◎」(優)とし、0.7超0.8未満のものを「〇」(良)、0.8超のものを「×」(不良)として、表1に記載した。
(Evaluation of corrosion resistance)
A test piece for a corrosion test having a thickness of 1 mm, a width of 10 mm, and a length of 55 mm was produced by machining from the central portion of the wall thickness of the test steel plate. The entire surface of the test piece was finished with wet emery abrasive paper No. 600, washed and degreased with acetone, and then the mass of the test piece before the test was measured. A test piece set on a jig was placed in a quartz tube for a corrosion test, and heated to 850 ° C. while flowing argon gas. Then, supplying a 98% sulfuric acid by using a micro-pump from the upstream side, to generate SO 3 gas vaporized and decomposed, ventilation as 20% SO 3 gas while flowing argon gas containing pure argon gas or SO 2 The test was carried out for 50 hours. After the test, the test piece was descaled with a potassium permanganate solution and a diammonium citrate solution until the test piece had a metallic luster, and then the mass was measured after the test. The corrosion rate (g / m 2 ) was measured by dividing the mass difference between the test piece before and after the test piece by the test time. Comparative material No. When the corrosion rate of 9 (steel conforming to ALLOY 800H) is 1, the corrosion rate of 0.7 or less is evaluated as "◎" (excellent), and the corrosion rate of more than 0.7 and less than 0.8 is "○". (Good) and those over 0.8 are listed in Table 1 as "x" (defective).

(加工性評価)
上記の熱間鍛造材に熱間圧延および冷間圧延を実施する過程において割れなどの不具合が発生し、均質な冷延鋼板が得られなかった場合、加工性を「×」(不良)とした。
(Evaluation of workability)
When a defect such as cracking occurred in the process of performing hot rolling and cold rolling on the above hot forged material and a homogeneous cold-rolled steel sheet could not be obtained, the workability was set to "x" (defective). ..

Figure 2021080523
Figure 2021080523

表1に示すように、No.9は、Si含有量が低すぎ、また(1)式を満足しなかったため、鋼材表面に十分なSi酸化皮膜が形成されず、耐食性が劣化した。
No.10は、Mn量が多すぎた結果、Si酸化皮膜に過剰なMn酸化物が取り込まれ不均一なSi皮膜となり、また、Mn酸化物が腐食されることにより、耐食性が劣化した。
No.11は、Al量が多すぎ、また(1)式を満足しなかったため、鋼材表面に十分なSi酸化皮膜が形成されず、耐食性が劣化した。
No.12は、Ti量が多すぎ、また(1)式を満足しなかったため、鋼材表面に十分なSi酸化皮膜が形成されず、耐食性が劣化した。
No.13は、過剰なREMが均一なSi酸化皮膜の生成を阻害したため、耐食性が劣化した。
No.14は、各元素の含有量は本発明で規定される範囲内であったが、(1)式を満足しなかったため、鋼材表面に十分なSi酸化皮膜が形成されず、耐食性が劣化した。
No.15は、Si量が少なすぎ、また(1)式を満足しなかったため、鋼材表面に十分なSi酸化皮膜が形成されず、耐食性が劣化した。
No.16は、Si量が多すぎたため、加工性が劣化した。
これに対して、No.1〜8は、本発明の構成を全て満足していたため、耐食性および加工性に優れていた。
As shown in Table 1, No. In No. 9, the Si content was too low and the equation (1) was not satisfied. Therefore, a sufficient Si oxide film was not formed on the surface of the steel material, and the corrosion resistance was deteriorated.
No. In No. 10, as a result of an excessive amount of Mn, excess Mn oxide was incorporated into the Si oxide film to form a non-uniform Si film, and the Mn oxide was corroded, resulting in deterioration of corrosion resistance.
No. In No. 11, since the amount of Al was too large and the equation (1) was not satisfied, a sufficient Si oxide film was not formed on the surface of the steel material, and the corrosion resistance was deteriorated.
No. In No. 12, the amount of Ti was too large and the equation (1) was not satisfied. Therefore, a sufficient Si oxide film was not formed on the surface of the steel material, and the corrosion resistance was deteriorated.
No. In No. 13, the corrosion resistance deteriorated because the excess REM inhibited the formation of a uniform Si oxide film.
No. In No. 14, the content of each element was within the range specified in the present invention, but since the equation (1) was not satisfied, a sufficient Si oxide film was not formed on the surface of the steel material, and the corrosion resistance was deteriorated.
No. In No. 15, the amount of Si was too small and the equation (1) was not satisfied. Therefore, a sufficient Si oxide film was not formed on the surface of the steel material, and the corrosion resistance was deteriorated.
No. In No. 16, the amount of Si was too large, so that the workability was deteriorated.
On the other hand, No. Since 1 to 8 satisfied all the configurations of the present invention, they were excellent in corrosion resistance and processability.

本発明によれば、SO、硫酸をはじめとする硫黄酸化物を含む高温蒸気環境での耐食性に優れたFe基合金を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an Fe-based alloy having excellent corrosion resistance in a high-temperature steam environment containing sulfur oxides such as SO 3 and sulfuric acid.

Claims (1)

質量%で、
C:0.04〜0.15%、
Si:2.5〜4.5%、
Mn:0.50〜1.00%、
P:0.10%以下、
S:0.010%以下、
Ni:30.0〜35.0%、
Cr:18.0〜23.0%、
Ti:0.05〜0.30%、
Al:0.02〜0.10%、
B:0.02〜0.08%、
N:0.01〜0.03%、
REM:0.002〜0.01%、
Cu:0〜0.5%、
Mo:0〜0.35%、
Mg:0〜0.005%、
Ca:0〜0.003%を含有し、
残部:Feおよび不純物であり、
下記(1)〜(3)式を満足する、Fe基合金。
Si/14−(Al/18+TiSO+MnSO)≧0.165・・・(1)
TiSO=[Ti]/48−[N]/14・・・(2)
MnSO=[Mn]/55−([S]/32−[Ca]/40−[Mg]/24)・・・(3)
ただし、上記式中の各元素記号は、各元素の含有量(質量%)を意味し、上記(2)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のTiSOの項には0を代入し、上記(3)式右辺の計算値が負の値の場合には上記(1)式のMnSOの項には0を代入する。

By mass%
C: 0.04 to 0.15%,
Si: 2.5-4.5%,
Mn: 0.50 to 1.00%,
P: 0.10% or less,
S: 0.010% or less,
Ni: 30.0 to 35.0%,
Cr: 18.0 to 23.0%,
Ti: 0.05 to 0.30%,
Al: 0.02 to 0.10%,
B: 0.02 to 0.08%,
N: 0.01-0.03%,
REM: 0.002-0.01%,
Cu: 0-0.5%,
Mo: 0-0.35%,
Mg: 0-0.005%,
Ca: contains 0 to 0.003%,
Remaining: Fe and impurities,
An Fe-based alloy that satisfies the following equations (1) to (3).
Si / 14- (Al / 18 + Ti SO + Mn SO ) ≧ 0.165 ... (1)
Ti SO = [Ti] / 48- [N] / 14 ... (2)
Mn SO = [Mn] / 55- ([S] / 32- [Ca] / 40- [Mg] / 24) ... (3)
However, each element symbol in the above formula means the content (mass%) of each element, and when the calculated value on the right side of the above formula (2) is a negative value, the Ti SO in the above formula (1) 0 is substituted for the term, and when the calculated value on the right side of the above equation (3) is a negative value, 0 is substituted for the Mn SO term of the above equation (1).

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