JP4153335B2 - 耐熱性、耐食性および耐摩耗性に優れた高Ｃｒ鋳鉄 - Google Patents
耐熱性、耐食性および耐摩耗性に優れた高Ｃｒ鋳鉄 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性、耐食性および耐摩耗性に優れた高Ｃｒ鋳鉄に関するものであり、特に、焼却炉のような高温かつ腐食性ガスの存在する過酷な環境下で優れた耐熱性と耐食性を発揮し、更には耐摩耗性にも優れた高Ｃｒ鋳鉄に関するものである。
【０００２】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、各種スラリー搬送ポンプのインペラやケーシング類、各種破砕機用ライナー類、各種加熱炉の炉床材や炉壁材等に適用できるが、以下では、大型ごみ焼却炉の主流となりつつあるストーカ炉において、上記過酷な環境下で使用される火格子に適用した場合を例に説明する。
【０００３】
【従来の技術】
近年では、ごみ焼却炉の建設が立地等の制限を受けつつあるため、一つのごみ焼却炉で極力多量のごみを焼却できるよう焼却炉の大型化が求められている。
【０００４】
大型ごみ焼却炉として近年ではストーカ炉が主流となりつつある。該ストーカ炉では、上部のごみホッパから投入されたごみが、レール状に敷かれた火格子上を移動する間に燃焼されるしくみとなっている。火格子は、高温に曝されるので耐熱性が要求される。特に近年では、低温燃焼によるダイオキシンの発生を防止すべく、高温で長時間継続して燃焼させる必要があり、より高い耐熱性（高温での機械的特性）が要求される。
【０００５】
また火格子には、ごみと擦れ合って生じる引っ掻き摩耗や火格子同士の摺動摩擦による摩耗が生じ易い。更に、ごみの燃焼によって、塩化水素ガスやＳＯｘガス等の腐食ガスが生ずるため、火格子には高温下でこれらのガスによる腐食減量が生じ易い。前記摩耗や腐食が著しいと、火格子表面には大きな凹凸が生じて
ごみがスムーズに搬送されないといった支障が生じる他、火格子自体の強度低下も懸念される。
【０００６】
従ってメンテナンスを行う必要があるが、炉部材の度重なる補修・交換のため焼却炉の操業停止および操業開始を繰り返すと、ダイオキシンが生じ易いので望ましくなく、火格子等の焼却炉部材には、頻繁な補修等の必要ない優れた耐摩耗性を有するものが望まれる。
【０００７】
この様に、焼却炉に使用される構造部材（以下、単に「焼却炉部材」ということがある）、特に、ストーカ炉の火格子のような過酷な状況下で使用される焼却炉部材には、高レベルの耐熱性、耐食性および耐摩耗性が要求される。
【０００８】
火格子用鋼材としては、Ｃ量の上限が０．３％でＣｒ：２５％とＮｉ：１２％を含有する耐熱鋳鋼が提案されているが、この鋳鋼は組織の安定性が低くσ脆性が生じ易いので強度に問題がある。そこで、この様な問題点を改善すべくＮｉ含有量の上限を４％に抑えたものや、耐食性の改善を期してＡｌを添加したものが提案されている。また近年では、高温強度を高めるためＣ量を増加させた高Ｃｒ鋳鉄も提案されている。
【０００９】
この種の高Ｃｒ鋳鉄として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４には、Ｃｒ量とＡｌ量を増加させることにより、高温での耐酸化性や耐食性を高めた鋳鋼が開示されている。しかし、これらの鋳鋼はいずれもＣとＣｒの含有量が相対的に少なく、本発明で意図するレベルの耐摩耗性は期待することができない。またＡｌ含有量の増加に伴い耐食性は向上するが、ＣやＣｒの含有量を従来レベルに抑えてＡｌ量のみを増加させると、溶鋼の粘性が増大して鋳造時の湯流れ性が低下し、鋳造欠陥が生じやすくなる。
【００１０】
また特許文献５には、Ｗを含有させてＷＣ（タングステンカーバイド）を形成することにより耐摩耗性を高める技術が提案されている。しかしこの技術は、Ａｌ含有量が少なめに抑えられているため、耐食性に問題が残されている。またこの技術では、炭化物を形成させることによって耐摩耗性の向上を図っているが、前述した様な引っ掻き摩耗の抑制という観点からすると、炭素量から概算される炭化物量が不十分であると考えられる。
【００１１】
また、焼却炉火格子用耐熱鋳鋼として例えば特許文献６や特許文献７には、Ｃｏベースにして耐食性を高めた耐熱鋳鋼が提案されている。しかし、Ｃｏは極めて高価であるため材料費が高騰し、またＣ量が少ないので満足のいく耐摩耗性が望めず、実機に採用することは困難であると思われる。
【００１２】
上述の様に焼却炉の構造部材には、優れた耐熱性と共に、ごみの燃焼によって生ずる塩化水素ガスやＳＯｘガス等の腐食性ガスに対する高度の耐食性、更には耐摩耗性として多種多様なごみとの擦れ合いによる引っ掻き摩耗が生じ難いことが要求されるが、これまでに提案されているものは上記特性の全てを満たしているとは言えない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−４９６０２号公報
【特許文献２】
特開平８−３３７８１２号公報
【特許文献３】
特開平１１−１０６８７０号公報
【特許文献４】
特開２０００−８０４３３号公報
【特許文献５】
特開平１１−１３１１９２号公報
【特許文献６】
特開平８−１３４５７１号公報
【特許文献７】
特開平１０−２５５４８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、焼却炉のような高温かつ腐食性ガス雰囲気といった過酷な環境下でも優れた耐熱性と耐食性を発揮し、更には耐摩耗性にも優れた高Ｃｒ鋳鉄を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高Ｃｒ鋳鉄とは、質量％で（以下同じ）、
Ｃ ：２．０超〜４．０％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
Ｃｒ：３０超〜５０％、
Ａｌ：１〜８％、
を満たすところに特徴を有するものである。
【００１６】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は更に下記成分を含んでいてもよい。
【００１７】
▲１▼Ｍｏおよび／またはＷ：合計で５％以下（０％を含まない）
▲２▼Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上：合計で０．５％以下（０％を含まない）、および／または
Ｎ：０．００２〜０．０３％
▲３▼Ｃｕ：５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）Ｍｎ：５％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００３％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上
▲４▼Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＹよりなる群から選択される１種以上：合計で１％以下（０％を含まない）
更に本発明は、上記高Ｃｒ鋳鉄を構成部材として用いた焼却炉をも包含し、特に、本発明の高Ｃｒ鋳鉄を火格子に使用したストーカ炉は好ましい利用形態である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述した様な状況の下で、耐熱性に優れるとともに、より優れた耐食性と耐摩耗性を発揮する高Ｃｒ鋳鉄を得るべく様々な角度から検討を行った。その結果、上記特性の全てを満足させるには、特に下記（ａ）〜（ｄ）の効果を有効に発揮させるべく成分組成を適切に制御すればよいことを見出し本発明に想到した。即ち、
（ａ）塩化水素ガスやＳＯｘガス等の腐食性ガスに対する耐食性を高めるには、焼却炉の構造部材として、高温酸化性雰囲気となる焼却炉使用時に、化学的に安定なＣｒ酸化物皮膜が炉部材表面に形成されるようＣｒを添加すること、および／または、一層化学的に安定なＡｌ酸化物皮膜も該表面に形成されるようＡｌを積極的に含有させるのが好ましいこと、
（ｂ）火格子上をごみが移動する際に生じる引っ掻き摩耗は、組織内に占める硬質相の体積率を増加させることで低減できる。従って、従来の鋳鉄よりもＣ量およびＣｒ量を更に高めて炭化クロムを多量に析出させることが有効であること、また、この様な多量の炭化クロムは、高温での機械的特性（耐熱性）を高めるのに有効であること、更に上記の如く、従来に比してＣ量やＣｒ量を高めることは、Ａｌを原因とする鋳造時の湯流れ性悪化を抑制し、鋳造欠陥の発生をも抑制すること、
（ｃ）引っ掻き摩耗とともに、例えば焼却炉の火格子上にごみを落下させた場合に生じる押し込み摩耗を抑制するには、Ｃｒ炭化物を増加させるとともに、母相をマルテンサイト組織等の高硬度組織とすることが有効であり、そのためには、Ａｌ量を本発明で規定する範囲内で比較的少なめとし、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＭｎおよびＢよりなる群から選択される１種以上を含有させるのがよいこと、
（ｄ）高い機械的特性を確保するには、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上を含有させて鋳造組織の微細化を図ること、および／または、適量のＮを含有させて窒化物を形成させ、鋳造組織の微細化を図るのが有効であること
を見出した。
【００１９】
以下、本発明で上述の通り成分組成を規定した理由について詳述する。
【００２０】
Ｃ：２．０超〜４．０％
Ｃは、強度および耐摩耗性の向上に必須の元素である。優れた耐摩耗性を発揮させるため十分量の炭化物を生成させるには、Ｃ量を２．０％超とするのがよく、好ましくは２．２％以上である。一方、Ｃ量が過剰になると延性が低下し、例えば、構造部材を製造する場合に良好に加工できない等の不具合が生じるので好ましくない。従ってＣ量は４．０％以下、好ましくは３．８％以下に抑える。
【００２１】
Ｓｉ：０．５〜４％
Ｓｉは、耐食性向上に有効であり、また鋳造時の湯流れ性を向上させる元素でもある。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｓｉ量を０．５％以上とする必要がある。好ましくは１．０％以上である。一方、過剰に含有させると延性の低下を招くので、Ｓｉ量は４％以下、好ましくは３．５％以下に抑える。
【００２２】
Ｃｒ：３０超〜５０％
Ｃｒは、上述の通りＣｒ炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また上述の通り、高温酸化性雰囲気である焼却炉使用時に、Ｃｒ酸化物を炉部材表面に保護皮膜として形成し、耐食性を向上させる上でも必須の元素である。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｃｒを３０％超含有させる必要がある。好ましくは３２％以上である。一方、Ｃｒ含有量が過剰になると延性が低下するので５０％以下、好ましくは４５％以下に抑える。
【００２３】
Ａｌ：１〜８％
Ａｌは、高温酸化性雰囲気でＣｒ酸化物よりも一層化学的に安定なＡｌ酸化物を炉部材表面に保護皮膜として形成し、耐食性を向上させる。この様な効果を有効に発揮させるには１％以上含有させる必要があり、好ましくは２％以上である。しかしＡｌ含有量が過剰になると、上述した通り湯流れ性が低下して鋳造欠陥を生じ易くなるので８％以下に抑える。より好ましくはＡｌ量を７％以下に抑える。
【００２４】
Ｍｏおよび／またはＷ：合計で５％以下（０％を含まない）
ＭｏやＷは、Ｍｏ2ＣやＷＣ等の炭化物を形成して耐摩耗性や耐熱性を向上させるのに有効な元素である。またこれらの元素は、上述した様な腐食性ガス雰囲気下においても優れた耐食性向上効果を発揮すると考えられるので、必要に応じて含有してもよい。こうした効果を発揮させるには、Ｍｏおよび／またはＷを合計で０．１％以上含有させるのが好ましいが、過剰に含有させると延性の低下を招くので、合計で５％以下とするのが好ましい。
【００２５】
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上：合計で０．５％以下（０％を含まない）、および／またはＮ：０．００２〜０．０３％
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａは、鋳造組織を微細化させて強度と延性をともに向上させるのに有効な元素であり、また耐熱性の向上にも寄与する。
【００２６】
上記効果を発揮させるには、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上を合計で０．０１％以上含有させるのがよい。しかし、上記元素が過剰に存在すると却って延性が劣化するので、合計で０．５％以下に抑えるのがよい。
【００２７】
本発明で意図する前掲の作用効果は、上記各元素を含有させることで有効に発揮されるが、更に適量のＮを含有させると、それらの効果を一段と高めることができる。また上記元素（Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ）に代えてＮを適量含有させた場合にも耐熱性の向上を図ることができる。
【００２８】
この様なＮの効果を発揮させるには、Ｎを０．００２％以上含有させることが好ましい。しかしＮの場合も上記元素（Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ）と同様に、過剰な含有は延性の劣化を招くのでＮ量は０．０３％以下に抑える。
【００２９】
Ｃｕ：５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）、 Ｍｎ：５％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００３％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｂは焼入性向上元素であり、硬いマルテンサイトを形成するのに有効な元素である。従って炭化物の析出とともに母相の硬質化も図って耐摩耗性を更に向上させるには、Ｃｕ：１％以上、Ｎｉ：１％以上、Ｍｎ：１％以上、Ｂ：０．０００２％以上よりなる群から選択される１種以上を含有させることが好ましい。
【００３０】
しかしＣｕ，Ｎｉ，Ｍｎを過剰に含有させると、残留オーステナイトが形成されて母相の硬質化を図れなくなる。従って上記効果を発揮させるには、Ｃｕ：５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：５％以下（０％を含まない）の範囲内で含有させるのがよい。また、Ｂを過剰に添加すると延性が低下するので、Ｂは０．００３％以下（０％を含まない）に抑えるのがよい。
【００３１】
Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＹよりなる群から選択される１種以上：合計で１％以下（０％を含まない）
Ｃｅ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｙは、上記Ｃｒ酸化物皮膜やＡｌ酸化物皮膜と母材との密着性を高めて、耐食性の更なる向上に寄与する元素である。特に、温度変化が著しいときにも、熱膨張率の異なる上記酸化物皮膜と母材の優れた密着性を維持できるので有効である。この様な効果を発揮させるには、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＹよりなる群から選択される１種以上を０．１％以上含有させるのがよい。
【００３２】
しかし上記元素を過剰に含有させると、硫化物や酸化物といった介在物が増大して、延性が低下がするので合計で１％以下を推奨する。
【００３３】
本発明の好ましい含有元素は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、本発明の鋳鉄中に、微量の不可避不純物の含有が許容されるのは勿論のこと、前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で更に他の元素を積極的に含有させることも可能である。
【００３４】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、この様に成分組成を規定したところに特徴を有するもので、その製造方法については特に限定されない。即ち、具体的な鋳鉄製品を製造するにあたり、本発明で規定の化学成分組成となるよう調整した後は、例えば鋳造、圧延等の一般的な製造工程を採用することができる。尚、母相をマルテンサイト組織等の硬質組織にして耐摩耗性や耐熱性を一段と高めるには、オーステナイト組織とした上で冷却したのち低温で焼き戻す熱処理等を施すことが有効である。
【００３５】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、上述の通り焼却炉、各種加熱炉、各種破砕機用ライナー類等に適用できるが、中でもストーカ炉、流動床炉、ガス化溶融炉等の焼却炉の構造部材に用いることによってその特長を十分に発揮する。その中でもストーカ炉の構造部材として火格子に使用すれば、その効果が存分に発揮されるので最適である。
【００３６】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄を例えば火格子に適用する場合には、鋳造まま或いは鋳造後に焼入れ焼戻しを行って該火格子を得ることができる。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３８】
表１および２に示す化学成分組成の鋼を真空溶解法で溶製した後、表３に示す鋳造ままの鋼材と、更に熱処理として、鋼材の母相全体または一部をオーステナイト組織にしてから空冷し、２５０℃以下で焼き戻しを行った鋼材を用意した。そして、該鋼材から試験片を採取し、耐食性、耐摩耗性および耐熱性（高温での機械的特性）を調べた。
【００３９】
耐食性は次の様な灰埋没試験によって評価した。即ち、上記供試鋼材からサイズが幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚さ３．５ｍｍの試験片１を採取し、図１に示すようにアルミナ製るつぼ３に実炉から採取したごみ焼却灰２を入れ、該焼却灰２内に試験片１を埋没させて、埋め込み深さが３ｍｍとなるようにした後、圧力４×１０5Ｐａを加えて充填した。
【００４０】
この様にして試験片入りるつぼ４を準備した後、図２に示す灰埋没試験用装置を用いて、各試験片の耐食性評価試験を行った。尚、図２の装置では、実機での雰囲気を再現すべく、試験片入りるつぼ４を横型管状炉５の石英管６内に設置した耐熱ボード７上に配置した。また、混合用ガス１０として水素：２vol％、酸素：５vol％、塩化水素：８００（vol）ppm、二酸化硫黄：６００（vol）ppm、二酸化窒素：６００（vol）ppmで残部が窒素となるよう、マスフローコントローラー１１で組成を調整した混合ガスを石英管６内へ供給した。また、窒素ガスを水蒸気発生器１２に流入させて、水分含量を１２％とした後、リボンヒーター１３で結露しないよう加熱して石英管６に供給した。横型管状炉５内の温度は６５０℃で一定となるよう制御装置８および熱電対９で調節した。
【００４１】
この様に、混合ガスを石英管６に流入し且つ該石英管６内を高温にした状態で１００時間保持した後、るつぼを冷却してから取り出し、該るつぼ内の試験片の質量を測定した。そして、試験片の試験前の質量から該質量を差し引いて、腐食による試験片の減量分を求め、単位面積あたりの減量分を導出した。該単位面積あたりの減量分が１．００×１０3ｇ／ｍ2以下の場合を耐食性に優れると評価した。
【００４２】
耐摩耗性試験は、ＡＳＴＭ Ｇ６５−９４に準拠して行った。該摩耗試験では、サイズが厚さ１２．７ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ７６ｍｍの試験片を用いて、試験温度：室温、摩耗距離：５ｋｍの条件で行い、試験後の試験片の質量を測定した。そして、試験片の試験前の質量から該質量を差し引いて、摩耗による試験片の減量分を求め、該減量分が０．３０ｇ以下の場合を耐摩耗性に優れると評価した。
【００４３】
高温引張試験は、ＪＩＳ Ｇ ０５６７に準拠して行った。該試験では、平行部の直径が６ｍｍで標点距離３０ｍｍの試験片を用いて、５００℃で引張試験を行い引張強度と絞りを測定した。そして引張強度が５００ＭＰａ以上であり、かつ絞りが５．０％以上の場合を機械的特性に優れると評価した。これらの測定結果を表３に併記する。
【００４４】
【表１】
【００４５】
【表２】
【００４６】
【表３】
【００４７】
表１〜３から次のように考察することができる。尚、以下のＮｏ．は表１〜３における鋼種Ｎｏ．を示す。
【００４８】
Ｎｏ．１〜２２は、本発明で規定する化学成分組成を満足するものであり、いずれも耐食性、耐摩耗性および機械的特性に優れていることがわかる。これに対し、Ｎｏ．２３〜３５は、本発明で規定する化学成分組成を満たすものでなく、耐食性、耐摩耗性または機械的特性に劣る結果となった。
【００４９】
Ｎｏ．２３は、Ｃ量が少ないため耐摩耗性を確保できず、強度も不足している。Ｎｏ．２４は、Ｃ量が過剰であるため絞りが小さくなる結果となった。Ｎｏ．２５は、Ｃｒ量が少ないため耐食性および耐摩耗性に劣る結果となった。またＮｏ．２６は、Ｃｒ量が過剰であるため絞りが小さいものとなった。
【００５０】
Ｎｏ．２７は、Ａｌ量が少ないため十分な耐食性を確保することができなかった。Ｎｏ．２８は、Ａｌ量が過剰であるため絞りが小さくなる結果となった。
【００５１】
Ｎｏ．２９は、Ｓｉ量が少ないため耐食性に優れず、また所望の機械的特性も得られなかった。またＮｏ．３０は、Ｓｉ量が過剰であるため絞りが小さくなった。
【００５２】
Ｎｏ．３１は、過剰にＭｏおよびＷを含んでいるため、Ｎｏ．３２は、ＮｂおよびＴｉを過剰に含んでいるため、Ｎｏ．３３ではＮ量が過剰であるため、またＮｏ．３５は、Ｃｅ、Ｌａ、ＰｒおよびＮｄの合計量が１％を超えているため、いずれも絞りが小さくなった。またＮｏ．３４から、本発明で好ましいとする規定範囲内でＮｉ等の元素を含有すれば、優れた耐摩耗性を確保できることがわかる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、焼却炉のような高温かつ腐食性ガス雰囲気といった過酷な状況においても優れた耐熱性と耐食性を発揮し、また耐摩耗性にも優れているので、高温で連続操業される焼却炉で、火格子等の構造部材として使用すればその効果が存分に発揮される。この様に本発明の高Ｃｒ鋳鉄を焼却炉の構造部材に使用すれば、腐食や摩耗等による補修・取替えを度々行う必要がなく、結果として該補修等のための焼却炉の操業停止・開始を頻繁に繰り返さずに済むので、ダイオキシンの発生も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における灰埋没試験法に供する試料片のセット方法を示した概略断面図である。
【図２】実施例における灰埋没試験法に用いた装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１ 試験片
２ ごみ焼却灰
３ るつぼ
４ 試験片入りるつぼ
５ 横型管状炉
６ 石英管
７ 耐熱ボード
８ 管状炉制御装置
９ 熱電対
１０ 混合用ガス
１１ マスフローコントローラー
１２ 水蒸気発生器
１３ リボンヒーター
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐熱性、耐食性および耐摩耗性に優れた高Ｃｒ鋳鉄に関するものであり、特に、焼却炉のような高温かつ腐食性ガスの存在する過酷な環境下で優れた耐熱性と耐食性を発揮し、更には耐摩耗性にも優れた高Ｃｒ鋳鉄に関するものである。
【０００２】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、各種スラリー搬送ポンプのインペラやケーシング類、各種破砕機用ライナー類、各種加熱炉の炉床材や炉壁材等に適用できるが、以下では、大型ごみ焼却炉の主流となりつつあるストーカ炉において、上記過酷な環境下で使用される火格子に適用した場合を例に説明する。
【０００３】
【従来の技術】
近年では、ごみ焼却炉の建設が立地等の制限を受けつつあるため、一つのごみ焼却炉で極力多量のごみを焼却できるよう焼却炉の大型化が求められている。
【０００４】
大型ごみ焼却炉として近年ではストーカ炉が主流となりつつある。該ストーカ炉では、上部のごみホッパから投入されたごみが、レール状に敷かれた火格子上を移動する間に燃焼されるしくみとなっている。火格子は、高温に曝されるので耐熱性が要求される。特に近年では、低温燃焼によるダイオキシンの発生を防止すべく、高温で長時間継続して燃焼させる必要があり、より高い耐熱性（高温での機械的特性）が要求される。
【０００５】
また火格子には、ごみと擦れ合って生じる引っ掻き摩耗や火格子同士の摺動摩擦による摩耗が生じ易い。更に、ごみの燃焼によって、塩化水素ガスやＳＯｘガス等の腐食ガスが生ずるため、火格子には高温下でこれらのガスによる腐食減量が生じ易い。前記摩耗や腐食が著しいと、火格子表面には大きな凹凸が生じて
ごみがスムーズに搬送されないといった支障が生じる他、火格子自体の強度低下も懸念される。
【０００６】
従ってメンテナンスを行う必要があるが、炉部材の度重なる補修・交換のため焼却炉の操業停止および操業開始を繰り返すと、ダイオキシンが生じ易いので望ましくなく、火格子等の焼却炉部材には、頻繁な補修等の必要ない優れた耐摩耗性を有するものが望まれる。
【０００７】
この様に、焼却炉に使用される構造部材（以下、単に「焼却炉部材」ということがある）、特に、ストーカ炉の火格子のような過酷な状況下で使用される焼却炉部材には、高レベルの耐熱性、耐食性および耐摩耗性が要求される。
【０００８】
火格子用鋼材としては、Ｃ量の上限が０．３％でＣｒ：２５％とＮｉ：１２％を含有する耐熱鋳鋼が提案されているが、この鋳鋼は組織の安定性が低くσ脆性が生じ易いので強度に問題がある。そこで、この様な問題点を改善すべくＮｉ含有量の上限を４％に抑えたものや、耐食性の改善を期してＡｌを添加したものが提案されている。また近年では、高温強度を高めるためＣ量を増加させた高Ｃｒ鋳鉄も提案されている。
【０００９】
この種の高Ｃｒ鋳鉄として、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４には、Ｃｒ量とＡｌ量を増加させることにより、高温での耐酸化性や耐食性を高めた鋳鋼が開示されている。しかし、これらの鋳鋼はいずれもＣとＣｒの含有量が相対的に少なく、本発明で意図するレベルの耐摩耗性は期待することができない。またＡｌ含有量の増加に伴い耐食性は向上するが、ＣやＣｒの含有量を従来レベルに抑えてＡｌ量のみを増加させると、溶鋼の粘性が増大して鋳造時の湯流れ性が低下し、鋳造欠陥が生じやすくなる。
【００１０】
また特許文献５には、Ｗを含有させてＷＣ（タングステンカーバイド）を形成することにより耐摩耗性を高める技術が提案されている。しかしこの技術は、Ａｌ含有量が少なめに抑えられているため、耐食性に問題が残されている。またこの技術では、炭化物を形成させることによって耐摩耗性の向上を図っているが、前述した様な引っ掻き摩耗の抑制という観点からすると、炭素量から概算される炭化物量が不十分であると考えられる。
【００１１】
また、焼却炉火格子用耐熱鋳鋼として例えば特許文献６や特許文献７には、Ｃｏベースにして耐食性を高めた耐熱鋳鋼が提案されている。しかし、Ｃｏは極めて高価であるため材料費が高騰し、またＣ量が少ないので満足のいく耐摩耗性が望めず、実機に採用することは困難であると思われる。
【００１２】
上述の様に焼却炉の構造部材には、優れた耐熱性と共に、ごみの燃焼によって生ずる塩化水素ガスやＳＯｘガス等の腐食性ガスに対する高度の耐食性、更には耐摩耗性として多種多様なごみとの擦れ合いによる引っ掻き摩耗が生じ難いことが要求されるが、これまでに提案されているものは上記特性の全てを満たしているとは言えない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平６−４９６０２号公報
【特許文献２】
特開平８−３３７８１２号公報
【特許文献３】
特開平１１−１０６８７０号公報
【特許文献４】
特開２０００−８０４３３号公報
【特許文献５】
特開平１１−１３１１９２号公報
【特許文献６】
特開平８−１３４５７１号公報
【特許文献７】
特開平１０−２５５４８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、この様な事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、焼却炉のような高温かつ腐食性ガス雰囲気といった過酷な環境下でも優れた耐熱性と耐食性を発揮し、更には耐摩耗性にも優れた高Ｃｒ鋳鉄を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る高Ｃｒ鋳鉄とは、質量％で（以下同じ）、
Ｃ ：２．０超〜４．０％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
Ｃｒ：３０超〜５０％、
Ａｌ：１〜８％、
を満たすところに特徴を有するものである。
【００１６】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は更に下記成分を含んでいてもよい。
【００１７】
▲１▼Ｍｏおよび／またはＷ：合計で５％以下（０％を含まない）
▲２▼Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上：合計で０．５％以下（０％を含まない）、および／または
Ｎ：０．００２〜０．０３％
▲３▼Ｃｕ：５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）Ｍｎ：５％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００３％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上
▲４▼Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＹよりなる群から選択される１種以上：合計で１％以下（０％を含まない）
更に本発明は、上記高Ｃｒ鋳鉄を構成部材として用いた焼却炉をも包含し、特に、本発明の高Ｃｒ鋳鉄を火格子に使用したストーカ炉は好ましい利用形態である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、前述した様な状況の下で、耐熱性に優れるとともに、より優れた耐食性と耐摩耗性を発揮する高Ｃｒ鋳鉄を得るべく様々な角度から検討を行った。その結果、上記特性の全てを満足させるには、特に下記（ａ）〜（ｄ）の効果を有効に発揮させるべく成分組成を適切に制御すればよいことを見出し本発明に想到した。即ち、
（ａ）塩化水素ガスやＳＯｘガス等の腐食性ガスに対する耐食性を高めるには、焼却炉の構造部材として、高温酸化性雰囲気となる焼却炉使用時に、化学的に安定なＣｒ酸化物皮膜が炉部材表面に形成されるようＣｒを添加すること、および／または、一層化学的に安定なＡｌ酸化物皮膜も該表面に形成されるようＡｌを積極的に含有させるのが好ましいこと、
（ｂ）火格子上をごみが移動する際に生じる引っ掻き摩耗は、組織内に占める硬質相の体積率を増加させることで低減できる。従って、従来の鋳鉄よりもＣ量およびＣｒ量を更に高めて炭化クロムを多量に析出させることが有効であること、また、この様な多量の炭化クロムは、高温での機械的特性（耐熱性）を高めるのに有効であること、更に上記の如く、従来に比してＣ量やＣｒ量を高めることは、Ａｌを原因とする鋳造時の湯流れ性悪化を抑制し、鋳造欠陥の発生をも抑制すること、
（ｃ）引っ掻き摩耗とともに、例えば焼却炉の火格子上にごみを落下させた場合に生じる押し込み摩耗を抑制するには、Ｃｒ炭化物を増加させるとともに、母相をマルテンサイト組織等の高硬度組織とすることが有効であり、そのためには、Ａｌ量を本発明で規定する範囲内で比較的少なめとし、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＭｎおよびＢよりなる群から選択される１種以上を含有させるのがよいこと、
（ｄ）高い機械的特性を確保するには、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上を含有させて鋳造組織の微細化を図ること、および／または、適量のＮを含有させて窒化物を形成させ、鋳造組織の微細化を図るのが有効であること
を見出した。
【００１９】
以下、本発明で上述の通り成分組成を規定した理由について詳述する。
【００２０】
Ｃ：２．０超〜４．０％
Ｃは、強度および耐摩耗性の向上に必須の元素である。優れた耐摩耗性を発揮させるため十分量の炭化物を生成させるには、Ｃ量を２．０％超とするのがよく、好ましくは２．２％以上である。一方、Ｃ量が過剰になると延性が低下し、例えば、構造部材を製造する場合に良好に加工できない等の不具合が生じるので好ましくない。従ってＣ量は４．０％以下、好ましくは３．８％以下に抑える。
【００２１】
Ｓｉ：０．５〜４％
Ｓｉは、耐食性向上に有効であり、また鋳造時の湯流れ性を向上させる元素でもある。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｓｉ量を０．５％以上とする必要がある。好ましくは１．０％以上である。一方、過剰に含有させると延性の低下を招くので、Ｓｉ量は４％以下、好ましくは３．５％以下に抑える。
【００２２】
Ｃｒ：３０超〜５０％
Ｃｒは、上述の通りＣｒ炭化物を形成して耐摩耗性の向上に寄与する。また上述の通り、高温酸化性雰囲気である焼却炉使用時に、Ｃｒ酸化物を炉部材表面に保護皮膜として形成し、耐食性を向上させる上でも必須の元素である。この様な効果を十分に発揮させるには、Ｃｒを３０％超含有させる必要がある。好ましくは３２％以上である。一方、Ｃｒ含有量が過剰になると延性が低下するので５０％以下、好ましくは４５％以下に抑える。
【００２３】
Ａｌ：１〜８％
Ａｌは、高温酸化性雰囲気でＣｒ酸化物よりも一層化学的に安定なＡｌ酸化物を炉部材表面に保護皮膜として形成し、耐食性を向上させる。この様な効果を有効に発揮させるには１％以上含有させる必要があり、好ましくは２％以上である。しかしＡｌ含有量が過剰になると、上述した通り湯流れ性が低下して鋳造欠陥を生じ易くなるので８％以下に抑える。より好ましくはＡｌ量を７％以下に抑える。
【００２４】
Ｍｏおよび／またはＷ：合計で５％以下（０％を含まない）
ＭｏやＷは、Ｍｏ2ＣやＷＣ等の炭化物を形成して耐摩耗性や耐熱性を向上させるのに有効な元素である。またこれらの元素は、上述した様な腐食性ガス雰囲気下においても優れた耐食性向上効果を発揮すると考えられるので、必要に応じて含有してもよい。こうした効果を発揮させるには、Ｍｏおよび／またはＷを合計で０．１％以上含有させるのが好ましいが、過剰に含有させると延性の低下を招くので、合計で５％以下とするのが好ましい。
【００２５】
Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上：合計で０．５％以下（０％を含まない）、および／またはＮ：０．００２〜０．０３％
Ｎｂ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｔａは、鋳造組織を微細化させて強度と延性をともに向上させるのに有効な元素であり、また耐熱性の向上にも寄与する。
【００２６】
上記効果を発揮させるには、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上を合計で０．０１％以上含有させるのがよい。しかし、上記元素が過剰に存在すると却って延性が劣化するので、合計で０．５％以下に抑えるのがよい。
【００２７】
本発明で意図する前掲の作用効果は、上記各元素を含有させることで有効に発揮されるが、更に適量のＮを含有させると、それらの効果を一段と高めることができる。また上記元素（Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ）に代えてＮを適量含有させた場合にも耐熱性の向上を図ることができる。
【００２８】
この様なＮの効果を発揮させるには、Ｎを０．００２％以上含有させることが好ましい。しかしＮの場合も上記元素（Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔａ）と同様に、過剰な含有は延性の劣化を招くのでＮ量は０．０３％以下に抑える。
【００２９】
Ｃｕ：５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）、 Ｍｎ：５％以下（０％を含まない）、およびＢ：０．００３％以下（０％を含まない）よりなる群から選択される１種以上
Ｃｕ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｂは焼入性向上元素であり、硬いマルテンサイトを形成するのに有効な元素である。従って炭化物の析出とともに母相の硬質化も図って耐摩耗性を更に向上させるには、Ｃｕ：１％以上、Ｎｉ：１％以上、Ｍｎ：１％以上、Ｂ：０．０００２％以上よりなる群から選択される１種以上を含有させることが好ましい。
【００３０】
しかしＣｕ，Ｎｉ，Ｍｎを過剰に含有させると、残留オーステナイトが形成されて母相の硬質化を図れなくなる。従って上記効果を発揮させるには、Ｃｕ：５％以下（０％を含まない）、Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）、Ｍｎ：５％以下（０％を含まない）の範囲内で含有させるのがよい。また、Ｂを過剰に添加すると延性が低下するので、Ｂは０．００３％以下（０％を含まない）に抑えるのがよい。
【００３１】
Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＹよりなる群から選択される１種以上：合計で１％以下（０％を含まない）
Ｃｅ，Ｌａ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｙは、上記Ｃｒ酸化物皮膜やＡｌ酸化物皮膜と母材との密着性を高めて、耐食性の更なる向上に寄与する元素である。特に、温度変化が著しいときにも、熱膨張率の異なる上記酸化物皮膜と母材の優れた密着性を維持できるので有効である。この様な効果を発揮させるには、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＹよりなる群から選択される１種以上を０．１％以上含有させるのがよい。
【００３２】
しかし上記元素を過剰に含有させると、硫化物や酸化物といった介在物が増大して、延性が低下がするので合計で１％以下を推奨する。
【００３３】
本発明の好ましい含有元素は上記の通りであり、残部成分は実質的にＦｅであるが、本発明の鋳鉄中に、微量の不可避不純物の含有が許容されるのは勿論のこと、前記本発明の作用に悪影響を与えない範囲で更に他の元素を積極的に含有させることも可能である。
【００３４】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、この様に成分組成を規定したところに特徴を有するもので、その製造方法については特に限定されない。即ち、具体的な鋳鉄製品を製造するにあたり、本発明で規定の化学成分組成となるよう調整した後は、例えば鋳造、圧延等の一般的な製造工程を採用することができる。尚、母相をマルテンサイト組織等の硬質組織にして耐摩耗性や耐熱性を一段と高めるには、オーステナイト組織とした上で冷却したのち低温で焼き戻す熱処理等を施すことが有効である。
【００３５】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、上述の通り焼却炉、各種加熱炉、各種破砕機用ライナー類等に適用できるが、中でもストーカ炉、流動床炉、ガス化溶融炉等の焼却炉の構造部材に用いることによってその特長を十分に発揮する。その中でもストーカ炉の構造部材として火格子に使用すれば、その効果が存分に発揮されるので最適である。
【００３６】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄を例えば火格子に適用する場合には、鋳造まま或いは鋳造後に焼入れ焼戻しを行って該火格子を得ることができる。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３８】
表１および２に示す化学成分組成の鋼を真空溶解法で溶製した後、表３に示す鋳造ままの鋼材と、更に熱処理として、鋼材の母相全体または一部をオーステナイト組織にしてから空冷し、２５０℃以下で焼き戻しを行った鋼材を用意した。そして、該鋼材から試験片を採取し、耐食性、耐摩耗性および耐熱性（高温での機械的特性）を調べた。
【００３９】
耐食性は次の様な灰埋没試験によって評価した。即ち、上記供試鋼材からサイズが幅１０ｍｍ×長さ１０ｍｍ×厚さ３．５ｍｍの試験片１を採取し、図１に示すようにアルミナ製るつぼ３に実炉から採取したごみ焼却灰２を入れ、該焼却灰２内に試験片１を埋没させて、埋め込み深さが３ｍｍとなるようにした後、圧力４×１０5Ｐａを加えて充填した。
【００４０】
この様にして試験片入りるつぼ４を準備した後、図２に示す灰埋没試験用装置を用いて、各試験片の耐食性評価試験を行った。尚、図２の装置では、実機での雰囲気を再現すべく、試験片入りるつぼ４を横型管状炉５の石英管６内に設置した耐熱ボード７上に配置した。また、混合用ガス１０として水素：２vol％、酸素：５vol％、塩化水素：８００（vol）ppm、二酸化硫黄：６００（vol）ppm、二酸化窒素：６００（vol）ppmで残部が窒素となるよう、マスフローコントローラー１１で組成を調整した混合ガスを石英管６内へ供給した。また、窒素ガスを水蒸気発生器１２に流入させて、水分含量を１２％とした後、リボンヒーター１３で結露しないよう加熱して石英管６に供給した。横型管状炉５内の温度は６５０℃で一定となるよう制御装置８および熱電対９で調節した。
【００４１】
この様に、混合ガスを石英管６に流入し且つ該石英管６内を高温にした状態で１００時間保持した後、るつぼを冷却してから取り出し、該るつぼ内の試験片の質量を測定した。そして、試験片の試験前の質量から該質量を差し引いて、腐食による試験片の減量分を求め、単位面積あたりの減量分を導出した。該単位面積あたりの減量分が１．００×１０3ｇ／ｍ2以下の場合を耐食性に優れると評価した。
【００４２】
耐摩耗性試験は、ＡＳＴＭ Ｇ６５−９４に準拠して行った。該摩耗試験では、サイズが厚さ１２．７ｍｍ×幅２５ｍｍ×長さ７６ｍｍの試験片を用いて、試験温度：室温、摩耗距離：５ｋｍの条件で行い、試験後の試験片の質量を測定した。そして、試験片の試験前の質量から該質量を差し引いて、摩耗による試験片の減量分を求め、該減量分が０．３０ｇ以下の場合を耐摩耗性に優れると評価した。
【００４３】
高温引張試験は、ＪＩＳ Ｇ ０５６７に準拠して行った。該試験では、平行部の直径が６ｍｍで標点距離３０ｍｍの試験片を用いて、５００℃で引張試験を行い引張強度と絞りを測定した。そして引張強度が５００ＭＰａ以上であり、かつ絞りが５．０％以上の場合を機械的特性に優れると評価した。これらの測定結果を表３に併記する。
【００４４】
【表１】
【表２】
【表３】
表１〜３から次のように考察することができる。尚、以下のＮｏ．は表１〜３における鋼種Ｎｏ．を示す。
【００４８】
Ｎｏ．１〜２２は、本発明で規定する化学成分組成を満足するものであり、いずれも耐食性、耐摩耗性および機械的特性に優れていることがわかる。これに対し、Ｎｏ．２３〜３５は、本発明で規定する化学成分組成を満たすものでなく、耐食性、耐摩耗性または機械的特性に劣る結果となった。
【００４９】
Ｎｏ．２３は、Ｃ量が少ないため耐摩耗性を確保できず、強度も不足している。Ｎｏ．２４は、Ｃ量が過剰であるため絞りが小さくなる結果となった。Ｎｏ．２５は、Ｃｒ量が少ないため耐食性および耐摩耗性に劣る結果となった。またＮｏ．２６は、Ｃｒ量が過剰であるため絞りが小さいものとなった。
【００５０】
Ｎｏ．２７は、Ａｌ量が少ないため十分な耐食性を確保することができなかった。Ｎｏ．２８は、Ａｌ量が過剰であるため絞りが小さくなる結果となった。
【００５１】
Ｎｏ．２９は、Ｓｉ量が少ないため耐食性に優れず、また所望の機械的特性も得られなかった。またＮｏ．３０は、Ｓｉ量が過剰であるため絞りが小さくなった。
【００５２】
Ｎｏ．３１は、過剰にＭｏおよびＷを含んでいるため、Ｎｏ．３２は、ＮｂおよびＴｉを過剰に含んでいるため、Ｎｏ．３３ではＮ量が過剰であるため、またＮｏ．３５は、Ｃｅ、Ｌａ、ＰｒおよびＮｄの合計量が１％を超えているため、いずれも絞りが小さくなった。またＮｏ．３４から、本発明で好ましいとする規定範囲内でＮｉ等の元素を含有すれば、優れた耐摩耗性を確保できることがわかる。
【００５３】
【発明の効果】
本発明の高Ｃｒ鋳鉄は、焼却炉のような高温かつ腐食性ガス雰囲気といった過酷な状況においても優れた耐熱性と耐食性を発揮し、また耐摩耗性にも優れているので、高温で連続操業される焼却炉で、火格子等の構造部材として使用すればその効果が存分に発揮される。この様に本発明の高Ｃｒ鋳鉄を焼却炉の構造部材に使用すれば、腐食や摩耗等による補修・取替えを度々行う必要がなく、結果として該補修等のための焼却炉の操業停止・開始を頻繁に繰り返さずに済むので、ダイオキシンの発生も抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例における灰埋没試験法に供する試料片のセット方法を示した概略断面図である。
【図２】実施例における灰埋没試験法に用いた装置の概略断面図である。
【符号の説明】
１ 試験片
２ ごみ焼却灰
３ るつぼ
４ 試験片入りるつぼ
５ 横型管状炉
６ 石英管
７ 耐熱ボード
８ 管状炉制御装置
９ 熱電対
１０ 混合用ガス
１１ マスフローコントローラー
１２ 水蒸気発生器
１３ リボンヒーター
Claims (7)
- 質量％で（以下同じ）、
Ｃ ：２．０超〜４．０％、
Ｓｉ：０．５〜４％、
Ｃｒ：３０超〜５０％、
Ａｌ：１〜８％
を満たし、残部がＦｅおよび不可避不純物であることを特徴とする耐熱性、耐食性および耐摩耗性に優れた高Ｃｒ鋳鉄。 - Ｍｏおよび／またはＷを合計で５％以下（０％を含まない）含む請求項１に記載の高Ｃｒ鋳鉄。
- Ｎｂ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴａよりなる群から選択される１種以上：合計で０．５％以下（０％を含まない）、および／または
Ｎ：０．００２〜０．０３％を含む請求項１または２に記載の高Ｃｒ鋳鉄。 - Ｃｕ：５％以下（０％を含まない）、
Ｎｉ：１０％以下（０％を含まない）、
Ｍｎ：５％以下（０％を含まない）、および
Ｂ ：０．００３％以下（０％を含まない）
よりなる群から選択される１種以上を含む請求項１〜３のいずれかに記載の高Ｃｒ鋳鉄。 - Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄおよびＹよりなる群から選択される１種以上を合計で１％以下（０％を含まない）含む請求項１〜４のいずれかに記載の高Ｃｒ鋳鉄。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の高Ｃｒ鋳鉄を構成部材に使用した焼却炉。
- 請求項１〜５のいずれかに記載の高Ｃｒ鋳鉄を火格子に使用したストーカ炉。
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