JP3454216B2 - オ−ステナイト系ステンレス鋼 - 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、ごみ焼却設備で使
用されるエコノマイザや空気加熱器に好適な耐食性に優
れ、有害物質生成触媒となる金属塩化物の生成量が少な
いオ−ステナイト系ステンレス鋼に関する。 【０００２】 【従来の技術】近年のエネルギー需要の増大とエネルギ
ーの有効利用の観点から、熱エネルギーをできるだけ有
効に回収するため、高温排ガスを低温まで熱回収するよ
うになった。ところが、熱交換器からの排ガス温度が低
温化すると機器に露点腐食が発生するという問題が生じ
る。特に空気加熱器やエコノマイザのように低温排ガス
の熱交換をおこなう機器においては、伝熱面が低温にな
るため露点腐食の問題が顕著になる。 【０００３】露点腐食は主に、硫黄分による硫酸露点腐
食と、塩素分による塩酸露点腐食とに分類される。 【０００４】硫酸露点腐食とは、化石燃料中に含まれる
Ｓが燃焼により硫黄酸化物（ＳＯｘ）となり、これが排
ガス温度の低下によりガス中の水分と反応して伝熱面な
どの低温部位に亜硫酸または硫酸として凝結することに
よって生じる腐食である。 【０００５】塩酸露点腐食も硫酸露点腐食と同様に、ガ
ス中の塩酸成分がガス中の水分中に凝縮して塩酸水溶液
を形成することに起因する腐食である。 【０００６】ごみ焼却設備の排ガス中に含まれる硫黄酸
化物は微量であるため、硫酸露点腐食の問題は小さい。
ところが、都市ごみ中等に含まれる塩化ビニルなどが燃
焼して生成する塩化水素は比較的多く、塩酸露点腐食が
問題となる。 【０００７】塩酸を含む水溶液の露点はガス中の塩化水
素ガスおよび水蒸気の濃度から求められることが文献
（「日立造船技報」第37巻第4号p.202、Fig2など）に示
されている。ごみ焼却炉で最も高い塩酸濃度は０．５％
程度であり、そのときの塩素含有ガスの露点は８０℃程
度となる。 【０００８】一方で、ごみ焼却施設からはダイオキシン
類を代表とする有害物質の排出が懸念される。ダイオキ
シン類の生成は焼却処理プロセスの不完全な熱分解や燃
焼過程で生成する場合（１次生成）、熱分解せずに残留
した未燃成分あるいは前駆物質から、温度、雰囲気、触
媒などの条件が適当にそろって生成する場合（２次生
成）などが知られている。 【０００９】このうち２次生成について、ごみ飛灰の関
与する触媒作用についてはモデル化合物を用いた実験が
数多く報告されている。これらのモデル実験中、パラメ
−タの代表的なものの一つとして金属塩化物の成分があ
る。 【００１０】塩酸露点腐食により溶出した金属イオンは
塩素イオンと反応して塩化物を形成することとなるが、
各種の金属塩化物の内、塩化鉄や塩化ニッケル、塩化銅
などはダイオキシン類を生成する触媒となる性質を有し
ている。中でも塩化第二銅は触媒性が特に強く、銅イオ
ンをはじめとする金属イオンの溶出は有害物質生成防止
の点から避けるべきである。 【００１１】ごみ焼却炉設備の排ガス系機器用材料とし
て、Ｗ０９９／０９２３１号PCT 国際公開公報、特開平
６−１２８６９９号公報、特開平７−３１６７４５号公
報などが提案されている材料がある。。 【００１２】Ｗ０９９／０９２３１号PCT国際公開公報
には、質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１．０％
以下、Ｍｎ：２．０％以下、Ｎｉ：１２〜２７％、Ｃ
ｒ：１６〜２６％、Ｃｕ：３．０％を超えて８．０％以
下、Ｍｏ：２．０％を超えて５．０％以下、Ｔｉ：０．
５％以下、Ｎｂ：１．０％以下、Ｚｒ：１．０％以下、
Ｗ：５．０％以下、Ａｌ：０．５％以下、Ｃａ：０．０
１％以下、Ｂ：０．０１％以下、希土類元素：０．０１
％以下、Ｎ：０．０５％未満、Ｐ：０．０４％以下、
Ｓ：０．０１％以下を含み、残部はＦｅおよび不可避不
純物からなる耐硫酸腐食性と加工性に優れたオーステナ
イト系ステンレス鋼が開示されている。 【００１３】特開平６−１２８６９９号公報には質量％
で、Ｃ：０．０１５％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍ
ｎ：１０％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．００３
％以下、Ｏ：０．００３％以下、Ｃｒ：２０〜４５％、
Ｍｏ：２〜１０％、Ｃｕ：１〜４％、Ｎ：０．００３〜
０．４％、Ａｌ；０．５％以下およびＮｉをＣｒ＋Ｍｏ
＋１．５Ｓｉ−０．５×（Ｍｎ＋Ｃｕ）−３０×（Ｃ＋
Ｎ）以上含み、かつＣｒ＋４．１Ｍｏ＋２Ｃｕ＋２４Ｎ
を５０以上およびＳ＋Ｏ：０．００３％以下で残部Ｆｅ
と不可避的不純物からなるごみ焼却炉洗煙設備材料用と
してのオ−ステナイトステンレス鋼が開示されている。 【００１４】これらの公報に開示されているステンレス
鋼は、硫酸および塩酸の露点腐食用材料としては安価で
耐食性に優れるものの耐食性とダイオキシンの生成触媒
となる塩化物を形成する金属イオンの溶出防止に関して
の成分設計がなされていない。 【００１５】特開平７−３１６７４５号公報には重量％
で、Ｃｒ：１２〜１６％、Ｎｉ：２８．０〜３０．０
％、Ｃｕ：１．５％〜３．０％、Ｍｏ：３．０％以下を
含有し、［Ｃｒ］＋０．８×［％Ｎｉ］＋［％Ｍｏ］＋
０．５×［Ｃｕ］≧３９、かつ−［Ｃｒ］＋０．７×
［％Ｎｉ］−０．８×［％Ｍｏ］＋１．８×［Ｃｕ］≧
９を満たすごみの燃焼排ガス環境での硫酸および塩酸の
露点腐食に優れたステンレス鋼が開示されている。この
ステンレス鋼は、硫酸および塩酸の耐露点腐食用材料と
しては耐食性に優れているもののＮｉ含有量が高く、高
価な材料である。 【００１６】 【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、耐食
性が良好でかつダイオキシン類を代表とする有害物質の
生成触媒となる塩化物を生成する金属イオンの溶出量の
少ない、エコノマイザ、空気加熱器用に好適なオーステ
ナイト系ステンレス鋼を提供することにある。 【００１７】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、ごみ焼却
炉の排ガス環境において優れた耐食性を備え、かつダイ
オキシン類の生成触媒として顕著な働きをする金属塩化
物の生成量が少ないオーステナイト系ステンレス鋼を開
発するため、化学組成を種々変化させたオーステナイト
系ステンレス鋼を用い、ごみ焼却炉において発生する塩
酸濃度が最も高い０．５％塩酸水溶液中での耐食性とダ
イオキシン類の生成触媒となる塩化物を形成する金属イ
オンの溶出量を詳細に調査した。その結果、ステンレス
鋼の合金成分の内、塩酸による腐食に効果のある元素は
Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕであり、このうちＮｉやＭｏは
耐食性向上効果が高いこと、Ｃｕは耐食性向上効果がＮ
ｉやＭｏよりも高いが、いったん溶出したＣｕイオンは
塩化物となり、ダイオキシン類生成の触媒能が極めて高
いことから、鋼中のＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ量を適正化
して耐食性を確保するためのパラメータと、Ｃｕ、Ｎｉ
およびＦｅ量を適正化してダイオキシン類生成触媒とな
る塩化物の生成を抑制するパラメ−タとを求めればよい
との知見を得るに至った。 【００１８】本発明は、このような知見に基づいてなさ
れたもので、その要旨は以下の通りである。 【００１９】質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１
％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：１２〜２７％、Ｃｒ：
１５〜２８％、Ｃｕ：０．１〜５％、Ｍｏ：１．０１〜
５％を含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなり、下記
、および式を共に満足していることを特徴とす
る、耐食性に優れ、有害物質生成触媒となる金属塩化物
の生成量が少ないオ−ステナイト系ステンレス鋼。 【００２０】ｆａ／１００ ≦ ６ ・・・・・ １００／ｆｂ ≦ １ ・・・・・ ｆａ／ｆｂ ≦ ４ ・・・・・・ ただし、ｆａ、ｆｂは下記のとおりとし、各式中の元素
記号は、各元素の含有量（質量％）とする fa=100×[Cu]+1.6×[Fe]+0.75×[Ni] fb=[Cr]+3.6×[Ni]+4.7×[Mo]+11.5×[Cu] 【００２１】 【発明の実施の形態】以下、本発明について詳しく説明
する。なお、化学組成の「％」は、全て「質量％」とす
る。 【００２２】（１）化学組成 Ｃ：０．０５％以下 Ｃは、強度を高める作用を有するが、Ｃｒと結合して粒
界にＣｒ炭化物を形成し、耐粒界腐食性を低下させる。
特に０．０５％以上で前記耐食性の低下が著しくなるの
でＣ含有量は０．０５％未満とした。強度を高める必要
がある場合には０．０３％を超えて０．０５％までを含
有させてもよいが、耐食性の確保が優先される場合に
は、Ｃの含有量は０．０３％以下とすることが望まし
い。 【００２３】Ｓｉ：１％以下 Ｓｉは、脱酸作用を有する。一方、１％を超えると熱間
加工性の低下を助長し、Ｃｕ添加量の増加と相俟って工
業的規模での所望製品への加工が極めて難しくなる。下
限は限定するものではないが、 ０．０５％未満では添
加効果に乏しいため、０．０５％以上とするのが好まし
い。 【００２４】Ｍｎ：２％以下 Ｍｎは、Ｓを固定して熱間加工性を向上させるととも
に、オーステナイトを安定化させる作用がある。２％を
超えて含有させてもその効果は飽和し、コストが嵩むば
かりである。下限は限定するものではないが、０．１％
未満では添加効果が乏しい。したがって、０．１％以上
とするのが好ましい。 【００２５】Ｎｉ：１２〜２７％ Ｎｉは、オーステナイトを安定化させる作用を有する。
しかし、その含有量が１２％未満では充分な効果が得ら
れない。Ｎｉには塩酸環境中での耐食性を高める作用が
ある。しかし、Ｎｉは高価な元素であるため、その含有
量が２７％を超えるとコストが極めて高くなって経済性
に欠ける。したがって、Ｎｉの含有量を１２〜２７％と
した。 【００２６】Ｃｒ：１６〜２８％ Ｃｒは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保
するのに有効な元素である。しかし、その含有量が１６
％未満では充分な効果が得られない。一方、２８％を超
えると熱間加工せいが低下する。したがって、Ｃｒの含
有量を１６〜２８％とした。好ましくは１６〜２６％で
ある。 【００２７】Ｃｕ：０．１〜５％ Ｃｕは、塩酸環境中での耐食性を確保するのに有効な元
素である。しかし、５％を超えると、腐食により生成さ
れる塩化物がダイオキシンの生成触媒となるために上限
を５％をした。 【００２８】Ｍｏ：１〜５％ Ｍｏは、オーステナイト系ステンレス鋼の耐食性を確保
するのに有効な元素である。特に、１％を超える量のＭ
ｏを含有させると、既に述べた「塩酸水溶液環境」にお
いて、オーステナイト系ステンレス鋼に良好な耐食性を
付与することができる。しかし、Ｍｏを多量に含有させ
ると熱間加工性が低下し、特に、Ｍｏの含有量が５％を
超えると、熱間加工性の著しい劣化が生ずる。したがっ
て、Ｍｏの含有量を１〜５％とした。 【００２９】以下に説明する式は、種々の実験により求
めた式である。 【００３０】ｆａ／１００ ≦ ６： ｆａ＝１００×［Ｃｕ］＋１．６×［Ｆｅ］＋０．７５
×［Ｎｉ］ この式は、ダイオキシン類生成触媒となる塩化物の生成
を抑制するためのパラメ−タである。 【００３１】式中の係数は、腐食生成物として形成され
た金属塩化物ののうちで、存在するとダイオキシンの生
成触媒となり得るものとして、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉの
塩化物があり、それらの形成能の高さに応じたものとな
っている。ｆａ／１００ が６を超えるとダイオキシン
などの有害物質の発生率が高くなる。 【００３２】１００／ｆｂ ≦ １： ｆｂ＝［Ｃｒ］＋３．６×［Ｎｉ］＋４．７×［Ｍｏ］
＋１１．５×［Ｃｕ］ この式は、ごみ焼却炉環境における耐食性を確保するた
めのパラメータである。ごみ焼却炉環境で問題となる塩
酸による腐食に対する耐食性を示す式で、係数は、式中
の合金元素の効果の大きさに応じたものとなっている。
１００／ｆｂが１を超えると、ごみ焼却炉環境における
耐食性を確保することができなくなる。 【００３３】ｆａ／ｆｂ ≦ ４： 上記の二つの式を満足するのみでは耐食性に優れ、かつ
有害物質発生を抑制することができない。すなわち、こ
れら二つの特性を両立させるためにはｆａ／ｆｂ ≦ ４
を満足させる必要がある。ｆａ／ｆｂ が ４を超えると
上記二つの特性を確保することができなくなる。 【００３４】 【実施例】表１に示す化学組成のオ−ステナイト系ステ
ンレス鋼を、真空誘導加熱溶解炉で溶製し、１７ｋｇの
インゴットとた。次いで、熱間鍛造および熱間圧延して
厚さ６ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ７００ｍｍの鋼板を製
造し、各鋼板に固溶化熱処理を施した。この鋼板から機
械加工によって厚さ３ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ４０ｍｍ
の腐食試験片を作製した。 【００３５】 【表１】 【００３６】塩酸露点腐食環境の試験として、上記試験
片を塩酸水溶液に浸漬する試験をおこなった。試験片は
＃６００まで湿式研磨した後、アセトンで脱脂した。こ
の試験片を、４０℃の０．５％塩酸水溶液中に５時間浸
漬し、その重量変化から腐食速度を求めた。 【００３７】また、試験溶液および腐食生成物をすべて
採取し、ＩＣＰ発光分光分析により溶出した金属イオン
の分析をおこなった。さらに、この各金属イオンの濃度
から、１００×［％Ｃｕ²⁺］＋１．６×［％Ｆｅ²⁺］＋
０．７５×［％Ｎｉ²⁺］により算出した値を、有害物質
発生触媒能に換算した。試験結果を表１に示す。 【００３８】表１の腐食速度は、上記の５時間の腐食試
験結果を年の腐食速度に換算したものである。 【００３９】本発明で規定する範囲内の量のＣｒ、Ｎ
ｉ、Ｍｏ、Ｃｕを含有するNo.１〜８は０．３ｍｍ／ｙ
未満の良好な耐食性を示し、かつダイオキシン生成の触
媒となる塩化物を形成する金属イオンの溶出換算値も
０．１％以下であった。 【００４０】Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ量が本発明で規定する量
よりも少ない比較例の記号Ａ、Ｂは腐食速度１ｍｍ／ｙ
以上と耐食性が劣っていた。 【００４１】Ｃｕ含有量の多い比較例の記号Ｃは、金属
溶出換算値が０．９１％とダイオキシン触媒能の高い塩
化物を生成する金属イオンの溶出が多かった。Ｃｒ、Ｎ
ｉ、Ｃｕ含有量の少ない比較例の記号Ｄ、Ｅは腐食速度
２．１ｍｍ／ｙ以上、金属溶出量換算値が０．１％以上
で、耐食性やダイオキシン触媒能の高い塩化物を生成す
る金属イオンの溶出が多かった。 【００４２】Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｆｅ量の関係式
を満たさない比較例の記号Ｇ、ＨおよびＩは腐食速度
０．５３ｍｍ／ｙ以上、金属溶出換算値が０．１％以上
で、耐食性やダイオキシン触媒能の高い塩化物を形成す
る金属イオンの溶出が多かった。 【００４３】 【発明の効果】本発明によれば、ごみ焼却炉排ガス環境
での耐食性が良好で、かつダイオキシン類を代表とする
有害物質の生成触媒となる塩化物を生成する金属イオン
の溶出が少ないオーステナイト系ステンレス鋼が得ら
れ、エコノマイザ、空気加熱器用として好適であり、公
害防止に優れた効果を発揮する。

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】質量％で、Ｃ：０．０５％以下、Ｓｉ：１
   ％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：１２〜２７％、Ｃｒ：
   １６〜２８％、Ｃｕ：０．１〜５％、Ｍｏ：１〜５％を
   含有し、残部Ｆｅおよび不純物からなり、下記、お
   よび式を共に満足していることを特徴とする、耐食性
   に優れ、有害物質生成触媒となる金属塩化物の生成量が
   少ないオ−ステナイト系ステンレス鋼。 ｆａ／１００ ≦ ６ ・・・・・ １００／ｆｂ ≦ １ ・・・・・ ｆａ／ｆｂ ≦ ４ ・・・・・・ ただし、ｆａ、ｆｂは下記のとおりとし、各式中の元素
   記号は、各元素の含有量（質量％）とする fa=100×[Cu]+1.6×[Fe]+0.75×[Ni] fb=[Cr]+3.6×[Ni]+4.7×[Mo]+11.5×[Cu]