JP3142260B2 - 耐熱鋳鋼材料からなる超々臨界圧発電所用鋳鋼弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超々臨界圧発電所
に使用される鋳鋼弁に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発電所の蒸気温度及び圧力は、発電所の
熱効率に大きく影響するが、我が国の場合、１９６７年
以降に建設された４５万ＫＷ級以上の発電所では、圧
力：２４６Ｋｇ／ｃｍ2、温度：５３８〜５６６°Ｃの
超臨界圧蒸気条件が採用されてきた。しかし、石油危機
を契機として１９７０年以来、蒸気の圧力温度条件を更
に高めて発電効率を向上させる超々臨界圧発電所の建設
が行なわれるようになった。これが可能となったのは、
９Ｃｒ−２Ｍｏ鋼や改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼のように、
高価なＮｉを含有しないフェライト系耐熱鋼が開発され
たことによる。

【０００３】超々臨界圧発電所の蒸気条件は、第１ステ
ップ：３１６Ｋｇ／ｃｍ2×５６６°Ｃ、第２ステッ
プ：３１６Ｋｇ／ｃｍ2×５９３°Ｃ、第３ステップ：
３５２Ｋｇ／ｃｍ2×６４９°Ｃと漸次、高温高圧化が
計られる計画になっている。しかし、現実的には、第２
ステップから第３ステップに移行する過程で、例えば、
６２１°Ｃレベル等の中間的な温度条件が採用される気
運にある。

【０００４】これらの蒸気条件の高温高圧化に対応し
て、現在では改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼（鍛鋼：米国材料
・試験協会［ＡＳＴＭ］規格：Ｆ９１，鋳鋼規格：Ｃ１
２Ａ）を適用することで第２ステップまでの発電所が建
設されている。

【０００５】改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼は、従来から使用
されていた９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼に、０．２５重量％Ｖ（バ
ナジュウム）、０．０８重量％Ｎｂ（ニオビュウム）、
０．０３〜０．０７重量％Ｎ（窒素）を添加して高温強
度を向上させたものである。この改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ
鋼によりボイラチューブ、パイプあるいは鍛鋼材を開発
し、６００°Ｃレベルの超々臨界圧発電所に使用してき
たが、本発明者は、この鋼に相当する鋳鋼材を独自に開
発して、この温度レベルで使用されるプラント向け弁を
製作してきた。

【０００６】その理由は、ボイラチューブ、パイプある
いは鍛鋼材は、発電所建設用として多量に使用されるた
め、また、技術的には製造プロセスとして先ず材料のイ
ンゴットを造塊し、その後分塊／圧延加工するという工
程を経て、最後に規定の熱処理が適用されて製品化が行
なわれるという複雑な工程を経るため、大企業が製造を
行なう分野であるのに対し、鋳鋼製品は、溶鋼を鋳型に
注入して成型し、その後熱処理を行って加工し製品化さ
れるので、中規模企業でも製鋼技術の高いところでは鋳
造が可能であるためである。このように両者では、製造
技術上、分塊圧延の有無によって製造工程に差異がある
が、この差異が製造する鋼材の化学成分の選定に影響を
及ぼす。

【０００７】鍛鋼に使用する改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の
場合には、ＡＳＴＭ規格においてＮ含有量が０．０３〜
０．０７％と規定されている。しかし、図１に示すＣｒ
含有鋼の窒素溶解度のグラフから分かるように、９Ｃｒ
％鋼（図中の８．６７％Ｃｒ参照）では、Ｎは溶鋼が凝
固した直後、１５００°Ｃ程度で生成するδフェライト
の中に０．０５％までしか固溶せず、それ以上のＮは、
ガスとなり気泡（ブローホール）となってインゴット中
に分布する。しかし、鋼が更に冷却して１３５０°Ｃ以
下になって、δフェライトがオーステナイトであるγ組
織に変態すると、Ｎの固溶量は急速に増加し、０．１％
（１３５０°Ｃ）から０．３％（１０００°Ｃ）まで固
溶する。

【０００８】圧延鋼の場合、仮に、Ｎが気泡としてイン
ゴット中に生成されても、後続の圧延工程でこの気泡は
圧着され、かつ、圧延時点ではＮの固溶量が０．１％以
上となり、気泡中のＮは鋼中に拡散して固溶するため、
Ｎ量の上限を０．０７％まで規定しておいても製造可能
である。これに対して、鋳鋼の場合には圧延工程がない
ため、一度生成した気泡は圧着されることがなく、鋳造
欠陥として残留することになる。従って、改良型９Ｃｒ
−１Ｍｏ鋼に相当する鋳鋼の場合には、Ｎの上限を低く
しなければならず、０．０３〜０．０５％の範囲に選定
して製造している。

【０００９】また、改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼の熱処理
は、１０７０°Ｃ程度の高温（Ａ３変態点以上）に加熱
した状態から室温まで急冷し、先ずマルテンサイト組織
として、これを７６０°Ｃ程度で焼戻してから使用す
る。この場合、本鋼種を急冷によって完全なマルテンサ
イト組織とするためには、先ずＡＣ３変態点以上の高温
状態において、完全なオーステナイト組織になるように
しておく必要がある。しかし、高温状態でδフェライト
が本鋼内に残留した場合には、急冷後及び焼戻し後のマ
ルテンサイト組織の中にδフェライトがそのままの形で
混在し、クリープ強度や衝撃値を低下させ、また、超々
臨界発電所の第２ステップにおける６００°Ｃ程度で機
器が長期間使用されると、衝撃値の低下が一層促進され
て、いわゆる焼戻し脆性を生じる。

【００１０】従って、９〜１２Ｃｒ％鋼を製造する場合
には、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ等のフェライト生成
を促進する元素を制限し、一方、オーステナイトの生成
を促進するＣ、Ｍｎ等の元素を増加させて、δフェライ
トの生成しない化学組成を選定する必要があった。しか
し、改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼に相当する鋳鋼の場合は、
このような成分調整は、圧延鋼に規定されている成分範
囲の中で行なうことができた。

【００１１】また、前述のように、超々臨界圧発電所の
蒸気条件の高温高圧化に対応して、改良型９Ｃｒ−１Ｍ
ｏ鋼を適用することで第２ステップまでの発電所が建設
されているが、この鋼の使用限界温度は、６００°Ｃ程
度である。そのため、超々臨界圧発電所においては、こ
の鋼を６００°Ｃ以下の温度範囲で使用しなければなら
ず、温度レベルが６００°Ｃ以上となった場合には、更
に、高温強度の大きな材料が必要になる。

【００１２】そのため、改良型９Ｃｒ−１Ｍｏ鋼が開発
された後、９重量％Ｃｒを含有する鋼において、更に高
温で使用するのに必要なクリープ強度を向上させる研究
が日本を中心に実施され、その結果、改良型９Ｃｒ−１
Ｍｏ鋼におけるＭｏ鋼のＭｏ量を０．５重量％程度に引
下げて、その代わりにＷを１．８重量％程度添加した鋼
が優れていることが判明した。

【００１３】このフェライト系の９Ｃｒ−２Ｗ鋼は、Ｓ
ＵＳ３１６Ｈ（ＪＩＳ規格）のようなオーステナイト系
鋼と比較しても、６５０°Ｃまでの高温強度が大きく、
しかもＮｉを含有しないため、安価であるという特徴を
有している。本鋼種は、米国機械学会（以下、「ＡＳＭ
Ｅ」と称す）のコードケース２１７９において規格化さ
れており、継目なし（Seamless）９Ｃｒ−２Ｗ鋼の化学
成分が重量％で、Ｃ：０．０７〜０．１３、Ｍｎ：０．
３０〜０．６０、Ｐ≦０、０２０、Ｓ≦０．０１０、Ｓ
ｉ≦０．５０、Ｃｒ：８．５０〜９．５０、Ｍｏ：０．
３０〜０．６０、Ｗ：１．５０〜２．００、Ｎｉ≦０．
４０、Ｖ：０．１５〜０．２５、Ｎｂ：０．０４〜０．
０９、Ｎ：０．０３〜０．０７、Ａｌ≦０．０４０、
Ｂ：０．００１〜０．００６となっている。この鋼種
は、継目なしチューブ及びパイプ材について規定された
もので、化学成分には、Ｎが最大０．０７重量％まで含
有されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】前述したように鋳鋼で
は、気泡のない製品を得るために、Ｎの上限値が０．０
５重量％以下であることが必要であるが、現在、ＡＳＭ
Ｅで規定されている化学成分は、圧延鋼であるチューブ
やパイプ材に関するものであり、鋳鋼を対象として定め
られたものではない。このことは、Ｎ含有量とδフェラ
イトの抑制の点で、圧延鋼で得られた結果をそのまま鋳
鋼の製造に技術移転できないことを示しており、鋳鋼
は、圧延鋼とは異なる独自の技術分野に属するもので、
鋳鋼製品を製造する場合には、ＡＳＭＥに規定する化学
成分をそのまま適用することができないという問題点が
あった（詳細は後述する）。また、これにより６００°
Ｃ以上の蒸気条件で使用される耐熱鋳鋼材料が製造でき
ないため、超々臨界圧発電所のための発電所用鋳鋼弁を
製造できないという問題点もあった。

【００１５】従って、本発明は、上記問題点を解決する
ために、超々臨界発電所のような６００°Ｃ以上の蒸気
条件で使用可能な、９重量％Ｃｒを含有した鋼種の高温
強度を得ることができる化学成分を有する鋳鋼からなる
弁を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の主たる局面によると、超々臨界圧発電所用
鋳鋼弁に適用する鋳鋼材料は、化学成分が重量％で、
Ｃ：０．１０〜０．１５、Ｓｉ：０．２５〜０．５０、
Ｍｎ：０．３０〜０．６０、Ｃｒ：８．０〜９．０、Ｍ
ｏ：０．３０〜０．５０未満、Ｗ：１．５０〜２．０
０、Ｖ：０．１５〜０．２５、Ｎｂ：０．０４〜０．０
９、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｎ：０．０３０〜
０．０５０、Ｎｉ：０．３０〜０．６０、Ａｌ：０．０
４以下で、残部が鉄であることを特徴としている。

【００１７】また、本発明の別の局面によると、超々臨
界圧発電所用鋳鋼弁に適用する鋳鋼材料は、化学成分が
重量％で、Ｃ：０．０６〜０．１５、Ｓｉ：０．２５〜
０．５０、Ｍｎ：０．３０〜０．６０、Ｃｒ：８．０〜
９．５、Ｍｏ：０．３０〜０．５０未満、Ｗ：１．５０
〜２．００、Ｖ：０．１５〜０．２５、Ｎｂ：０．０４
〜０．０９、Ｂ：０．００１〜０．００６、Ｎ：０．０
３０〜０．０５０、Ｎｉ：０．３０〜０．６０、Ｃｏ：
０．２５〜１．５０、Ａｌ：０．０４以下で、残部が鉄
であり、前記Ｃｒ、Ｃ及びＣｏ以外の前記化学成分が前
記各範囲内の平均値となった場合に、該Ｃｒ、Ｃ及びＣ
ｏが、１４Ｃｒ−２２０Ｃ−７Ｃｏ≦１００の関係式を
満足することを特徴としている。

【００１８】前記各耐熱鋳鋼材料は、さらに、重量％
で、化学成分Ｃｅ：０．０２〜０．１０を含有するのが
好ましい。

【００１９】

【作用】耐熱鋳鋼材料を上記のような化学成分にする
と、材料生成過程においてδフェライトが抑制され、ク
リープ強度等が低下しなくなり、高温強度を維持しなが
ら耐圧性に優れた健全な９重量％Ｃｒを含有した鋳鋼材
料が得られる。

【００２０】また、上記各耐熱鋳鋼材料にＣｅを添加す
ることにより、製品表面に生じる酸化物を固定して、剥
離しずらくすることができる。従って、剥離して形成さ
れる薄片による機器の侵食の促進も防止することができ
る。

【００２１】さらに、このような耐熱鋳鋼材料を超々臨
界圧発電所のような高温高圧にさらされる弁に使用する
と、高温強度に優れているため、信頼性の高い装置が得
られる。

【００２２】

【発明の実施の形態】まず最初に、本発明に従う弁用鋳
鋼材料の各化学成分の割合の選択の根拠について述べ
る。

【００２３】本発明者は、容量１トンの高周波電気溶解
炉によって、Ｎを０．０５％以下に維持しながら種々の
化学成分の鋳鋼を溶解して、４０×１５０×２００ｍｍ
の板状およびΦ３５０×１２０ｍｍの円板状試験体を鋳
造し、化学成分とδフェライト量との関係について検討
した。δフェライトが抑制できれば、クリープ強度等が
低下しなくなり、高温強度に優れた鋳鋼材料が得られる
からである。

【００２４】次に、この結果を基にして、δフェライト
が極めて少ない単量５００Ｋｇの弁箱を溶解鋳造する確
性試験、並びに鋼材の高温強度を決定する基礎となるク
リープ試験を既知の方法で行なって、本発明による９Ｃ
ｒ−２Ｗ鋳鋼、９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼、及び各鋳鋼に
Ｃｅを添加した鋳鋼の４種類の耐圧部用鋳鋼材料を得
た。

【００２５】最初にδフェライトの抑制について説明す
る。９Ｃｒ系鋼のδフェライト量は、一般に、Ｃｒ当量
（Ｃｒｅｑ）で表されるが、Ｃｒ当量は、鋼の化学成分
をフェライト生成元素とオーステナイト生成元素とに分
類し、これらの元素のフェライト及びオーステナイト生
成能力を、一定の比率で表して合計したもので、種々の
実験式が提案されているが、本試験では、Ｃｒ当量とし
て以下の式（１）を適用した。 Ｃｒｅｑ％＝（14Ｃｒ＋６Ｓｉ＋５Ｍｏ十８Ｗ＋18Ｖ＋90Ｎｂ＋54Ａｌ） −220（Ｃ＋Ｎ）−20Ｎｉ−６Ｍｎ−７Ｃｏ−１４６・・・（１） この式（１）で、前のカッコ内の元素がフェライト生成
元素であり、後のマイナス記号（−記号）の元素がオー
ステナイト生成元素である。

【００２６】次に、δフェライトと化学成分組成のＣｒ
当量％との関係を、本発明による９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼及び
９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼について求めたが、その試験結
果を図２に示す。この図に示すように、Ｃｒ当量とδフ
ェライトとの関係は、式（２）で良く表される。 δ％＝１７０ｅｘｐ０．１０７Ｃｒｅｑ ・・・・（２） 図２に示すように、これらの鋳鋼のδフェライトが実際
的に機械的性質を劣化させないＣｒ当量（δフェライ
ト：３％以下とする）は、式（２）を用いて計算する
と、−３７．７％以下であることがわかる。しかし、前
述のように大型厚肉の鋳鋼製品まで考慮すると、Ｃｒ当
量は、少なくとも−４０．０％以下とする必要がある。

【００２７】一方、鋳鋼中のδフェライト量は、溶鋼を
鋳造した後の凝固速度によっても影響され、凝固速度が
遅い場合は、速い場合に比して同一Ｃｒ当量％でも生成
されるδフェライトは増加する。従って、大型厚肉鋳鋼
を製造する場合には、凝固が遅れてδフェライトが増え
るため、この遅れ分を考慮してＣｒ当量％が小さくなる
ように化学成分を調整する必要がある。

【００２８】ここで、ＡＳＭＥコードケース２１７９の
化学成分の範囲で鋳鋼を製造しようとすると、このＡＳ
ＭＥ規格では、Ｎは０．０３〜０．０７％となってい
る。図１を参照すると、鋳鋼では、Ｎが０．０５〜０．
０７％の範囲においてブローホールが発生するため、こ
の化学成分の範囲では、鋳鋼を製造することはできな
い。

【００２９】また、各規格では、一般に規定成分中の平
均値を目標成分として製造されるが、このＡＳＭＥコー
ドケース２１７９の規格値の平均値を基にしてＣｒ当量
％を計算すると、Ｃｒ当量％＝−３１．１％となる。こ
のＣｒ当量％を基にして、図２からδフェライトを求め
ると、δフェライトは７％となってしまう。その結果、
良好な機械的性質はえられない。

【００３０】そこで、ＡＳＭＥ規格の範囲内で鋳鋼を製
造しようとすると、各規格値の上下限を選択して、次に
示すような非常に狭い範囲の化学組成を採用する必要が
ある。その化学成分は、重量％で、Ｃ：０．１２、Ｓ
ｉ：０．４、Ｍｎ：０．５、Ｃｒ：８．７、Ｍｏ：０．
４、Ｗ：１．７５、Ｎｉ：０．３、Ｖ：０．２、Ｎｂ：
０．０６、Ｎ：０．０４、Ａｌ：０．０３と選定され
る。しかし、上記の化学成分では、Ｃｒ当量％が−３
９．４％となり、大型鋳鋼の製造に対しては、Ｃｒ当量
％を−４０％以下にする必要があるので、δフェライト
抑制の観点から問題があるといえる。

【００３１】また、上記のように化学成分を選定した場
合には、製造のバラツキによって、Ｃ、Ｍｎ、Ｃｒ等の
化学成分が規格の範囲値から、例えば、ＣやＭｎがその
上限値から、Ｃｒがその下限値から外れる可能性があっ
た。従って、以上のような観点からＡＳＭＥコードケー
ス２１７９の規格値を基にして、鋳鋼を製造すること
は、困難であった。

【００３２】従って、上記のＡＳＭＥ規格の９Ｃｒ−２
Ｗ鋼を鋳鋼に適用するために、化学成分の割合を以下の
ように選定した。

【００３３】Ｎ（窒素）は、主としてＶと結合してＶＮ
（窒化バナジュウム）及びＮｂＮ（窒化ニオブ）とな
り、６００〜６５０°Ｃのクリープ強度を引上げる元素
である。Ｎが０．０１％の場合には、ＶＮが十分生成さ
れないため、クリープ強度は向上しない。しかし、Ｎが
０．０２％の場合でも、Ｖが０．１５〜０．２５％であ
れば、クリープ強度は向上する。一方、前述のように、
気泡の発生を防止するという観点から、鋳鋼におけるＮ
の最大含有量は、０．０５％とする必要がある。このた
めＮの含有量の範囲は、０．０３〜０．０５％とする。

【００３４】Ｃｒ（クロム）は、本鋼の耐酸化性を高め
て６００°Ｃ以上での使用を可能にすると共に、マトリ
ックス（以下、「基地」と称す）をマルテンサイト化す
ることにより、Ｃと結合して強固な炭化物を生成し、高
温強度を高める上から重要な元素である。一方、鋳鋼で
は気泡の発生を防止するために、Ｓｉを０．２５％以上
添加する。このＳｉは、Ｃｒと同様に耐酸化作用がある
ため、Ｓｉ量に相当するだけＣｒを低減しても耐酸化性
は維持できる。例えば、Ｓｉ：０．１％、Ｃｒ：９％の
鋼の耐酸化性は、Ｓｉ：０．３％、Ｃｒ：８．０％の鋼
と同様である。従って、Ｃｒの下限値を８．０％とし
た。また、上限値は、式（１）で、Ｃｒ以外の各元素が
平均値となった場合に、Ｃｒ当量が、−３９％以下とな
るように９．０％とする。従って、Ｃｒの成分範囲は、
８．０〜９．０％とする。なお、弁は、ボイラチューブ
のように、火炎に直接さらされることもないので、この
点からもボイラチューブより耐酸化性を維持するＣｒを
低減することができる。

【００３５】Ｍｏ（モリブデン）及びＷ（タングステ
ン）は、本鋼中に固溶してクリープ強度を向上させるの
に有効であるが、その効果は、Ｍｏ当量＝Ｍｏ＋１／２
Ｗにおいて、Ｍｏ当量が１．５％の時に最も良好とな
る。しかし、Ｗを２％以上添加しても、それ以上クリー
プ強度は増加しないので、Ｍｏ：０．３０〜０．５０％
未満、Ｗ：１．５〜２．０％とする。

【００３６】Ｖ（バナジュウム）は、Ｎと結合してＶＮ
（窒化バナジュウム）を生成し、クリープ強度を著しく
向上させる。しかし、Ｖ量が０．１５％以下の場合では
ＶＮの析出は少なく、Ｃｒ2Ｎが析出してクリープ強度
が向上しない。一方、Ｖ量が０．２５％の場合には、Ｎ
量が０．０６％まではＶＮとして結合するためクリープ
強度は向上するが、それ以上添加しても強度は増加しな
い。このためＶの添加量は、０．１５〜０．２５％とす
る。

【００３７】Ｎｂは、本鋼中に微量に含まれる場合に
は、微細なＮｂ（Ｃ，Ｎ）（ニオブの炭窒化物）を生成
し、ＶＮとの相乗効果によってクリープ強度を向上させ
るが、多量に含まれる場合には、本鋼中に固溶しないＮ
ｂ（Ｃ，Ｎ）を生成してＶＮの析出量を低下させたり、
Ｎｂ（Ｎ，Ｃ）が凝集粗大化したりしてクリープ強度を
低下させる。そのため、Ｎｂ含有量は、０．０４〜０．
０９％として、Ｖ及びＮｂ共にＡＳＭＥの規格通りとす
る。

【００３８】Ｃ（炭素）は、Ｃｒと結合してマルテンサ
イト組織を形成し、また、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ及びＮｂ
と結合して炭化物を生成して、本鋼の高温強度を高める
上から重要であるが、多量に含まれると延靭性が低下す
ると共に、溶接性も低下する。しかし、式（１）に示す
ように、ＣはＡＣ3変態点以上の高温でオーステナイト
を生成する能力が最も大きい元素であるので、上限値を
０．１５％とし下限値を０．１％まで引き上げた。本発
明による弁では、溶接箇所が弁出入口と配管との溶接の
みであり、チューブやパイプに比して溶接施工が容易な
位置であるため、ＡＳＭＥ規格で規定している上限値
０．１３％を多少上回っても溶接上の問題は生じない。
また、本鋼と類似な組成の大型タービンケーシング用鋳
鋼のＣ値が０．１５％に定められている例がある。

【００３９】Ｓｉ（シリコン）は、製鋼時における溶鋼
の脱酸材として用いられ、気泡の発生を防止するのに必
須の元素であり、また、製品使用時は製品の高温酸化を
防止する。ここで、鋳鋼では気泡の発生を防止するため
に、Ｓｉ量の下限値を０．２５％とする。一方、Ｓｉ
は、鋳鋼の基地の硬度を高めるため、多量にＳｉを添加
すると溶接性を低下させる。また、Ｓｉは、製品使用時
における炭化物の分解凝集を促進してクリープ強度を低
下させるので、上限値はＡＳＭＥ規格と同様とする。従
って、Ｓｉ量は、０．２５〜０．５０％とする。

【００４０】Ｍｎ（マンガン）は、製鋼の過程で酸素を
除去する効果があり、また、Ｓ（サルファ）と結合して
ＭｎＳという化合物を生成し、Ｓが鋼の強度に及ぼす悪
影響を防止する効果があるが、Ｍｎはオーステナイト生
成元素でもあり、δフェライトの生成を抑制する。しか
し、Ｍｎは、１％当たりＡC1変態点を２５°Ｃ引下げ
る。またＭｎを多量に含む場合には、炭化物の分解凝集
を促進しクリープ強度を低下させる。このため、Ｍｎ
は、ＡＳＭＥ規格値と同様に、０．３０〜０．６０％と
する。

【００４１】Ｎｉ（ニッケル）は、オーステナイト生成
能の大きな元素であるため、δフェライトの生成を抑制
するが、この元素を添加するとオーステナイト化が始ま
る温度であるＡ_C1変態点がＮｉ量１％当たり３０°Ｃ低
下する。Ｃ量０．１％程度を含有する９Ｃｒ鋼のＡ_C1変
態点は、８２０〜８４０°Ｃであり、焼戻温度はＡ_C1変
態点以下に設定されるので、あまり多量にＮｉを添加す
ると、焼戻温度が低くなり過ぎる。また、Ｎｉ量を１％
以上添加すると炭化物の分解凝集を促進してクリープ強
度を低下させる。なお、溶接性については、Ｎｉ量が
０．６％以上含有されると、溶接時のワレを促進する。
このため、Ｎｉの成分範囲を、０．３０〜０．６０％と
する。

【００４２】Ｂ（ボロン）は、鋼材の焼入性を高める元
素であり、特に製品が大型厚肉になった場合に、製品の
中心部まで焼入れを行うのに適した元素である。しか
し、この元素を多量に含ませると本鋼の溶接性が低下す
るので、ＡＳＭＥ規格と同様にＢ量を０．００１〜０．
００６％とする。

【００４３】Ａｌ（アルミ）は、製鋼時の脱酸材として
最も優れた元素であるが、多量に含ませると炭化物の分
解凝集を促進してクリープ強度を低下させるので、ＡＳ
ＭＥ規格値と同様に上限値を０．０４％とする。

【００４４】Ｃｅ（セリュウム）は、希土類金属の一種
であるが、Ａｌと同様に酸化され易い金属であり、脱酸
材としても作用する。しかし、このＣｅの酸化物は、主
として結晶粒界に介在し、製品の表面に生じる酸化物、
主としてＣｒを主体とする酸化物を固定し剥離しずらく
する効果がある。このため、製品表面の酸化物がプラン
トの起動停止によって剥離しずらくなり、剥離して形成
される薄片による機器の侵食の促進も防止することがで
きる。また、Ｃｒ酸化物を固定することにより、Ｃｒの
耐酸化効果を高める。このようなＣｅによる効果は、重
量％で０．０２％から現れるが、材料内部に多量に含有
されると、Ｃｅ自体が酸化を促進するところから、その
上限値を０．１０％とする。その結果、Ｃｅの成分範囲
を、０．０２〜０．１０％とする。

【００４５】以上の検討によって、ＡＳＭＥ規格の９Ｃ
ｒ−２Ｗ鋼に相当する本発明による超々臨界圧発電所用
鋳鋼弁に適用する鋳鋼材料としての９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼の
化学成分組成を、重量％で、Ｃ：０．１０〜０．１５、
Ｓｉ：０．２５〜０．５０、Ｍｎ：０．３０〜０．６
０、Ｃｒ：８．０〜９．０、Ｍｏ：０．３０〜０．５０
未満、Ｗ：１．５０〜２．００、Ｖ：０．１５〜０．２
５、Ｎｂ：０．０４〜０．０９、Ｂ：０．００１〜０．
００６、Ｎ：０．０３０〜０．０５０、Ｎｉ：０．３０
〜０．６０、Ａｌ：０．０４以下で、残部を鉄と選定し
た。

【００４６】上記のような化学組成において各元素が平
均値となった場合、Ｃｒ当量が−４６．０％となり、弁
が大型厚肉となった場合でもδフェライトの生成を抑制
できる。なお、上記の化学成分組成に、Ｃｅを重量％で
０．０２〜０．１０％添加した超々臨界圧発電所用鋳鋼
弁に適用する鋳鋼材料も選定した。

【００４７】次に、９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼にオーステナイト
生成元素であるＣｏを添加した９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼
における化学組成の割合を選定する。

【００４８】Ｃｏ（コバルト）は、式（１）において、
オーステナイト生成元素である。従って、Ｃｏを添加す
ると、式（１）に従ってδフェライトが減少するため、
Ｃｒの許容量を増加させることができる。ＣｏのＡC1変
態点への影響は、Ｃｏ量１％についてＡC1変態点が５°
Ｃ低下する程度であり、ＮｉやＭｎに比してはるかに小
さい。また、Ｃｏは、炭素と結合して炭化物を生成する
ために、鋳鋼のクリープ強度を向上させる。しかし、Ｃ
ｏを多量に添加すると、逆に炭化物の分解凝集を促進し
てクリープ強度を低下させるようになる。このためＣｏ
の成分範囲は、０．２５〜１．５０％とする。

【００４９】Ｃｏを１．５０％添加すると、Ｃｒ当量％
は１０．５％低下するので、Ｃｒの上限値を引き上げる
ことができる。従って、Ｃｒの成分範囲を８．０〜９．
５％とする。

【００５０】Ｃ（炭素）については、Ｃｏの添加によっ
てＣｒ当量％が低下するため、下限値を引き下げること
がきる。すなわち、式（１）において、Ｃｒ、Ｃ及びＣ
ｏ以外の化学成分が平均値を取った場合に、δフェライ
トが３％以下となる条件式は、式（３）のようになる。 １４Ｃｒ−２２０Ｃ−７Ｃｏ≦１００ ・・・・（３） 式（３）において、Ｃｒ：８．７５％（平均値）、Ｃ
ｏ：１．５０％（最大値）となった場合に、Ｃ≧０．０
５５％となる。従って、Ｃの成分範囲を０．０６〜０．
１５％とする。

【００５１】なお、その他の化学組成、即ち、Ｓｉ、Ｍ
ｎ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｎｂ、Ｂ、Ｎ、Ｎｉ、Ａｌの割合
は、９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼の場合と同様に選定する。

【００５２】以上の検討によって、本発明による超々臨
界圧発電所用鋳鋼弁に適用する鋳鋼材料としての９Ｃｒ
−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼の化学成分を、重量％で、Ｃ：０．０
６〜０．１５、Ｓｉ：０．２５〜０．５０、Ｍｎ：０．
３０〜０．６０、Ｃｒ：８．０〜９．５、Ｍｏ：０．３
０〜０．５０未満、Ｗ：１．５０〜２．００、Ｖ：０．
１５〜０．２５、Ｎｂ：０．０４〜０．０９、Ｂ：０．
００１〜０．００６、Ｎ：０．０３０〜０．０５０、Ｎ
ｉ：０．３０〜０．６０、Ｃｏ：０．２５〜１．５０、
Ａｌ：０．０４以下で、残部を鉄と選定した。この化学
組成において各元素が平均値となった場合、Ｃｒ当量が
−４４．２％となり、弁が大型厚肉となった場合でもδ
フェライトの生成を抑制できる。なお、上記の化学成分
組成に、Ｃｅを重量％で０．０２〜０．１０％添加した
超々臨界圧発電所用鋳鋼弁に適用する鋳鋼材料も選定し
た。

【００５３】本発明者は、超々臨界圧発電所用鋳鋼弁に
適用する鋳鋼材料として、上記の説明から明らかにされ
た化学成分を有する９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼、９Ｃｒ−２Ｗ−
Ｃｏ鋳鋼、及び各鋳鋼にＣｅを添加した鋳鋼の４種類に
ついて、容量１トンの高周波電気炉によって、Φ３５０
ｍｍ×１２０ｍｍの単量１００Ｋｇの試験体を種々製作
し、この試験体の中央部から室温／高温引張試験片、衝
撃試験片及びクリープ試験片を加工して供試した。ま
た、９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼については、口径Φ１５０ｍｍの
弁箱を鋳造して、その断面から試験片を加工して上述し
た試験に供試した。

【００５４】この明細書の発明の詳細な説明の最後に添
付した表１及び表２に、鋳造した９Ｃｒ−２Ｗ及び９Ｃ
ｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼の各ヒートの化学成分を示す。これ
らの表には、該化学成分から式（１）を用いて算出され
たＣｒ当量％と顕微鏡観察で求めたδフェライトの面積
率％も示す。また、表１及び表２のＣｒ当量とδフェラ
イト量との関係を図２に示す。この図に示すように、δ
フェライトの生成を完全に抑制するのには、Ｃｒ当量を
−５０％程度まで低減する必要があるが、実際的には、
δフェライトが３％以下になると、強度や延靭性に関係
しなくなる。従って、Ｃｒ当量としては、−４０．０％
以下に管理しておけば十分であることが分かる。この点
は、δフェライトの抑制に関し、既に述べたところであ
る。

【００５５】次に、本鋳鋼の機械的性質について検討す
る。表３及び表４（発明の詳細な説明の最後に添付）
に、表１及び表２で求めたδフェライトが３．４％以下
の各ヒートについて、室温における機械的性質に関し周
知の方法で試験して、ＡＳＭＥコードケース２１７９に
規定されている規格値と比較したものを示す。表３及び
表４に示すように、各ヒートにおける各項目ともＡＳＭ
Ｅの規格値を満足し、本発明による各鋳鋼の有効性が実
証された。なお、衝撃値についてはヨーロッパの規格に
規定されているが、この規格値も満足した。

【００５６】また、本鋳鋼の機械的性質を鍛鋼の機械的
性質と比較する。図３及び図４に、９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼に
ついては、Ｂ１、Ｂ２及びＤ２（１５０Ａ仕切弁）の各
ヒートから加工した試験片、また９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳
鋼については、Ｅ１及びＥ２の各ヒートから加工した試
験片に関する室温及び高温における引張試験を行った結
果と、鍛造鋼から加工した試験片に関する室温及び高温
における引張試験を行った結果とを比較して各々示す。
図３及び図４に示すように、本鋳鋼が使用される６００
〜６５０°Ｃの高温における各強度は、鍛鋼と差異のな
い値を示し、また、伸び及び絞りについても鍛鋼と差異
のない値を示しており、本発明の機械的性質が良好であ
ることが実証された。

【００５７】次に、本鋳鋼を実際に使用する場合の許容
応力について検討する。図５及び図６に、９Ｃｒ−２Ｗ
鋳鋼については、Ｂ１、Ｂ２及びＤ２の各ヒートから加
工した試験片、また９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼について
は、Ｅ１、Ｅ２、Ｆ１、Ｆ２及びＦ３の各ヒートから加
工した試験片に関するクリープ・ラプチャー試験の結果
と、圧延鋼における同様の試験結果とを各々示す。試験
結果は、ラーソン・ミラー（Larson-Miller）パラメー
タＰ：Ｔ（４０＋ｌｏｇｔ）×１０^-3と試験応力との関
係であるマスター・ラプチャー曲線に整理して示す。な
お、ラーソン・ミラーパラメータＰにおいて、Ｔは試験
温度の絶対温度であり、ｔは破断時間である。これらの
図５及び図６に示すように、鋳鋼のクリープ・ラプチャ
ー値は、圧延鋼の値と同等の値を示した。

【００５８】なお、Ｃｅの効果は、６５０°Ｃの酸化試
験において、Ｃｅを０．０４％添加した場合の酸化物の
剥離は、Ｃｅを含まない場合に比べて顕著に減少した。

【００５９】

【発明の効果】９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼及び９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃ
ｏ鋳鋼のような化学組成を有する本発明による超々臨界
圧発電所用鋳鋼弁に適用する鋳鋼材料により、材料生成
過程においてδフェライトが抑制され、クリーブ強度等
が低下しなくなり、高温強度を維持しながら耐圧性に優
れた健全な９重量％Ｃｒを含有した鋳鋼材料が得られ
る。

【００６０】また、上記各超々臨界圧発電所用鋳鋼弁に
適用する鋳鋼材料にＣｅを添加することにより、製品表
面に生じる酸化物を固定して、剥離しずらくすることが
できる。従って、剥離して形成される薄片による機器の
侵食の促進も防止することができる。

【００６１】さらに、これらのような弁用鋳鋼材料を超
々臨界圧発電所のような高温高圧にさらされる弁に使用
すると、高温強度に優れているため、信頼性の高い装置
が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 Ｃｒ含有鋼に関するＮの溶解度を示す図であ
る。

【図２】 試験結果から求めたＣｒ当量（Ｃｒｅｑ％）
とδフェライトとの関係を示す図である。

【図３】 ９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼における室温〜７００°Ｃ
の引張試験結果を９Ｃｒ−２Ｗ鍛鋼と比較した図であ
る。

【図４】 ９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼における室温〜７０
０°Ｃの引張試験結果を９Ｃｒ−２Ｗ鍛鋼と比較した図
である。

【図５】 ９Ｃｒ−２Ｗ鋳鋼のクリープ・ラプチャー強
度を圧延鋼のデータと比較した図である。

【図６】 ９Ｃｒ−２Ｗ−Ｃｏ鋳鋼のクリープ・ラプチ
ャー強度を圧延鋼のデータと比較した図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平野 克己 福岡県北九州市門司区中町１番14号 岡 野バルブ製造株式会社内 (72)発明者 竹本 和弘 福岡県北九州市門司区中町１番14号 岡 野バルブ製造株式会社内 (72)発明者 長田 知則 福岡県北九州市門司区中町１番14号 岡 野バルブ製造株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−118812（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−215648（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−179406（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−120909（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−197208（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 38/00 - 38/60 F16K 1/32 F16L 49/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学成分が重量％で、Ｃ：０．１０〜
   ０．１５、Ｓｉ：０．２５〜０．５０、Ｍｎ：０．３０
   〜０．６０、Ｃｒ：８．０〜９．０、Ｍｏ：０．３０〜
   ０．５０未満、Ｗ：１．５０〜２．００、Ｖ：０．１５
   〜０．２５、Ｎｂ：０．０４〜０．０９、Ｂ：０．００
   １〜０．００６、Ｎ：０．０３０〜０．０５０、Ｎｉ：
   ０．３０〜０．６０、Ａｌ：０．０４以下で、残部が鉄
   である耐熱鋳鋼材料からなる超々臨界圧発電所用鋳鋼
   弁。
2. 【請求項２】さらに、重量％で、化学成分Ｃｅ：０．０
   ２〜０．１０を含有する請求項１に記載の耐熱鋳鋼材料
   からなる超々臨界圧発電所用鋳鋼弁。
3. 【請求項３】 化学成分が重量％で、Ｃ：０．０６〜
   ０．１５、Ｓｉ：０．２５〜０．５０、Ｍｎ：０．３０
   〜０．６０、Ｃｒ：８．０〜９．５、Ｍｏ：０．３０〜
   ０．５０未満、Ｗ：１．５０〜２．００、Ｖ：０．１５
   〜０．２５、Ｎｂ：０．０４〜０．０９、Ｂ：０．００
   １〜０．００６、Ｎ：０．０３０〜０．０５０、Ｎｉ：
   ０．３０〜０．６０、Ｃｏ：０．２５〜１．５０、Ａ
   ｌ：０．０４以下で、残部が鉄であり、前記Ｃｒ、Ｃ及
   びＣｏ以外の前記化学成分が前記各範囲内の平均値とな
   った場合に、該Ｃｒ、Ｃ及びＣｏが １４Ｃｒ−２２０Ｃ−７Ｃｏ≦１００ の関係式を満足する耐熱鋳鋼材料からなる超々臨界圧発
   電所用鋳鋼弁。
4. 【請求項４】さらに、重量％で、化学成分Ｃｅ：０．０
   ２〜０．１０を含有する請求項３に記載の耐熱鋳鋼材料
   からなる超々臨界圧発電所用鋳鋼弁。