JP4220427B2

JP4220427B2 - 耐塩酸腐食性および耐硫酸腐食性に優れた低合金鋼

Info

Publication number: JP4220427B2
Application number: JP2004107070A
Authority: JP
Inventors: 恭次中村; 敬司村山; 英寿中村; 和良冨田
Original assignee: 中部鋼鈑株式会社
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005290476A

Description

本発明は、重油、石炭、産業廃棄物およびごみ等を燃焼させた排煙が通る部分に使用される耐塩酸腐食性および耐硫酸腐食性に優れた低合金鋼に係り、特に、耐塩酸腐食性に優れた低合金鋼に関するものである。

焼却炉や排煙設備などでは、燃焼物質に含まれる塩素分により排ガス中に多量の塩化水素を含む塩酸物質を発生する場合がある。この排ガス中に含まれる塩化水素は露点付近で液状およびガス状の塩酸となり、煙道や熱交換器などの内面に塩酸を多く含む結露水やガスを凝縮させるため、鋼材を著しく腐食する塩酸腐食を生じさせる。また、燃料に含まれる硫黄分は排ガス中で三酸化硫黄となり、露点温度以下では硫酸腐食を生じることがある。

こうした酸露点腐食に対する材料面からの対策としては、溶射等によって鋼材の表面に耐食性に優れた金属等を被覆する方法、鋼材を改質して鋼材そのものの耐食性を向上させる方法が挙げられる。
前者の方法としては、特許文献１に開示されているように、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｍｏ、Ｃｕを適量含有するＮｉ合金を、プラズマ等の溶射により通常の炭素鋼の表面に被覆するものである。これは、Ｎｉ合金の有する優れた耐食性のため、酸露点腐食に対する耐性はきわめて優れている。しかしながら、溶射に伴う製造コスト、或は被覆材料そのものが高価であるため、大きな面積を有する部分への適用はコスト的に難しい。

後者の方法には、いわゆる低合金鋼を基礎とした材料、およびステンレス鋼等の高合金鋼を基礎とした材料の二通りの考え方がある。しかし、高合金鋼は、Ｎｉを３０質量％程度含有するなど、合金元素の量が極めて多く、コスト的に不利であるので、低合金鋼を基礎とした材料の方が好ましい。
酸露点腐食に対する耐性を向上させた低合金鋼としては、特許文献２〜５に開示されたものがある。特許文献２は、Ｃｒは耐食性を向上させる効果があるが、塩素を含む環境下では局所的な腐食を助長させるため、Ｃｒ含有量を極力減じて塩素を含む燃焼排ガス環境における鋼の耐食性を向上させること、Ｐは耐塩酸性および耐硫酸性を向上させること、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｍｏは鋼材に靱性を与えること等の観点から、質量％で、Ｃ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．０７％以下、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｐ：０．０３〜０．１５％、Ｓ：０．０１０％以下、Ａｌ：０．０１０〜０．１０％、Ｃｒ：０．１０％以下、Ｎｉ：０．４０〜４．０％、Ｃｕ：０．４０％以下、Ｍｏ：０．１０〜１．５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である低合金鋼を開示している。

特許文献３は、Ｃｕ−Ｓｂ−Ｍｇの複合添加が耐食性向上に極めて有効であることから、質量％で、Ｃ：０．００３〜０．１５％、Ｓｉ：０．０５〜１．２％、Ｍｎ：０．１〜２．０％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５０％以下、Ｃｕ：０．０１〜２．０％、Ｓｂ：０．０１〜０．３％、Ａｌ：０．００５〜０．１０％、Ｍｇ：０．０００２〜０．０１５０％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物である低合金鋼を開示している。

特許文献４は、耐塩酸腐食性指数Ａｌ値が正となる範囲内でＭｏを極微量添加することで、Ｓ量を極低量にすることなく耐硫酸露点腐食性を確保しながら耐塩酸露点腐食性を大幅に向上できるという観点から、Ｃ：０．００１〜０．２％、Ｓｉ：０．０１〜２．５％、Ｍｎ：０．１〜２％、Ｃｕ：０．１〜１％、Ｍｏ：０．００１〜１％、Ｓｂ：０．０１〜０．２％、Ｐ：０．０５％以下、Ｓ：０．０５％以下を含有し、更に、Ｎｂ：０．００５〜０．１％、Ｔａ：０．００５〜０．１％、Ｖ：０．００５〜０．１％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｗ：０．０５〜１％のうちの１種又は２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、且つ耐酸腐食性指数が０以上である低合金鋼を開示している。

特許文献５は、加工性と溶接性を改善するために、Ｃ：０．０７％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：０．２〜１．５％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．６％以下、Ｓｂ：０．０１〜０．１５％、Ｎｉ：１.０％以下を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる低合金鋼を開示している。
特開平９−３１５７６号公報特開平１１−１３１１７９号公報特開２０００−１７３８２号公報特開２００３−２１３３６７号公報特開２００１−１６４３３５号公報

医療廃棄物のような多量のプラスチック廃材を含む産業廃棄物や、プラスチック製品が多く混じるごみ等を焼却設備で焼却すると、特に塩素ガスが多量に発生するため、より高い耐塩酸腐食性を有する鋼材が要求されるが、上記特許文献２〜５に開示された低合金鋼では、未だ耐塩酸腐食性の点で十分ではなかった。
そこで、本発明の目的は、耐酸腐食性に優れ、特により高い耐塩酸腐食性を有する低合金鋼を提供することにある。

本発明者は、低合金鋼の成分組成についての耐硫酸腐食性および耐塩酸腐食性に関し、鋭意実験を重ねた結果、ＳｎとＴｉとを添加すると、塩酸および硫酸に対して腐食性が向上することを見出した。また、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量に一定の関係をもたせると、特に、耐塩酸ガス腐食性に効果があることを見出した。
即ち、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉは、耐酸腐食性を向上させる元素であり、耐酸腐食性に優れた低合金鋼を得る場合に複合添加される元素である。これら元素は、各々最少添加量および最多添加量が定められるが、各々について適当量添加すれば、最も良好な耐酸腐食性が得られてしかるべきである。しかしながら、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは高価であるから、できれば、添加量を少なくしたい。この場合、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの添加量を、他の比較的安価な元素であるＣｕ、Ｓｎの添加量との関係で、一定の関係をもつように定めることにより、優れた耐酸腐食性、特に耐塩酸ガス腐食性が得られることを見出した。

以上のことから、本発明は、質量％で、Ｃ：０．２％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．６％以下、Ｐ：０．０３〜０．０５％、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．２〜０．６％、Ｎｉ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．３〜０．６％、Ｍｏ：０．１５〜０．４５％、Ｓｎ：０．００５〜０．０４％、Ｔｉ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、且つＣｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量が、Ｃｕ＋１０Ｓｎ＋Ｎｉ／２＋２Ｃｒ＋３Ｍｏ≧１．５％の関係を満たすことを特徴とする耐塩酸性および耐硫酸性に優れた低合金鋼にある。

本発明によれば、ごみ焼却設備、産業廃棄物焼却設備や重油燃焼設備等の煙道、煙突、熱交換器等で、塩酸や硫酸を含む腐食環境下において、高い耐食性を有する低合金鋼を提供することができる。

次に、上記の元素を含有させる限定理由について説明する。
Ｃ：Ｃは鋼の強度を確保する。０．２％を超えると、溶接性および靱性を低下させ、また、耐硫酸性および耐塩酸性が低下するので、上限を０．２％とする。
Ｓｉ：Ｓｉは製鋼段階での脱酸剤および強度向上元素として含有させる。過剰に含有すると靱性が著しく低下するので、上限を０．５％とした。

Ｍｎ：Ｍｎは鋼の強度を確保するために添加する。過剰に含有すると、鋼の靱性が低下するので、上限を１．６％とした。
Ｐ：Ｐは鋼の強度を向上させると共に、耐食性を向上させる効果がある。しかし、０．０３未満では耐食性の向上効果が小さく、０．０５％を超えると、かえって耐食性を低下させると共に、鋼の靱性を低下させるので、その範囲を０．０３〜０．０５％とした。

Ｓ：Ｓは不可避的不純物元素であり、耐塩酸腐食性に悪影響を及ぼす。加えて、製鋼工程での脱Ｓのためのコストを考慮すると、その上限を０．０３％とすることが好ましい。
Ｃｕ：Ｃｕは耐食性を向上させるので、必要量含有させる。０．２％未満ではその効果が低く、また、過度に含むと熱間加工性に有害になるので、上限を０．６％とした。
Ｎｉ：Ｎｉは鋼の耐食性および靱性を向上させる。０．０５％未満ではその効果がなく、また、多く含むとコストが上昇するので、上限を０．３％とした。

Ｃｒ：Ｃｒは耐食性、耐高温酸化性などを向上させるため、０．３％以上添加する。しかし、多く含有すると、かえって耐食性を低下させるため、その上限を０．６％とした。
Ｍｏ：Ｍｏは耐食性を向上させる。０．１５％未満ではその効果がない。しかし、０．４５％を超えると、機械的性質、特に靱性を害するので、その範囲を０．１５〜０．４５％とした。

Ｓｎ：Ｓｎは耐食性向上を目的として必要量添加するが、０．００５％未満ではその効果がない。しかし、０．０４％を超えると靱性を低下させるので、その範囲を０．００５〜０．０４％とした。
Ｔｉ：Ｔｉは耐食性向上を目的として添加する。０．０１％以上含有しないと耐塩酸腐食性に効果がなく、０．０３％を超えると耐硫酸腐食性に効果がなくなるので、その範囲を０．０１〜０．０３％とした。

Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量：Ｃｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏは共存して優れた耐酸腐食性を発揮する。これらの元素の含有量が、Ｃｕ＋１０Ｓｎ＋Ｎｉ／２＋２Ｃｒ＋３Ｍｏ≧１．５％を満たすとき、特に耐塩酸ガス腐食性に優れた効果を発揮する。

次の表１に示す組成の実施例品１，２および比較例品１〜５を、精錬製鋼し、スラブとした後、このスラブを熱間にて圧延し、厚さ２５ｍｍの鋼板とした。圧延終了後は室温まで空冷した。

実施例品１，２および比較例品１〜５について、塩酸腐食試験、塩酸ガス腐食試験、硫酸腐食試験、排ガス雰囲気中での高温腐食試験、大気雰囲気中での高温腐食試験を行った。これら各試験の条件は次の通りである。

（１）塩酸腐食試験（耐塩酸腐食性試験）
この試験は濃度２０％、温度８０℃の塩酸液に供試鋼板を浸して腐食速度を測定することにより実施した。
（２）塩酸ガス腐食試験（耐塩酸ガス腐食性試験）
この試験は濃度３０％、温度２００℃の塩酸ガス中に供試鋼板を５０時間晒して腐食質量を測定することにより実施した。

（３）硫酸腐食試験（耐硫酸腐食性試験）
この試験は濃度８０％、温度１４０℃の硫酸液に供試鋼板を浸して腐食速度を測定することにより実施した。
上記の塩酸腐食試験の結果を、Ｃｕ含有量との関連で図１に示し、Ｔｉ含有量との関連で図２に示した。塩酸ガス腐食試験の結果については、Ｃｒ含有量との関連で図３に示し、Ｔｉ含有量との関連で図４に示し、（Ｃｕ＋１０Ｓｎ＋Ｎｉ／２＋２Ｃｒ＋３Ｍｏ）との関連で図５に示した。また、硫酸腐食試験の結果については、Ｍｏ含有量との関連で図６に示し、Ｐ含有量との関連で図７に示し、Ｔｉ含有量との関連で図８に示した。なお、上記（Ｃｕ＋１０Ｓｎ＋Ｎｉ／２＋２Ｃｒ＋３Ｍｏ）の式を以下では効果元素添加量関連式ということとする。

図１〜図８から明らかなように、実施例品１，２は比較例品１〜５に比べ、耐塩酸腐食性、耐塩酸ガス腐食性、耐硫酸腐食性において優れており、本願発明が耐酸性に優れていることが理解される。
図１に示されているように、Ｃｕは耐塩酸腐食性を向上させる。図３に示されているように、Ｃｒは耐塩酸ガス腐食性を向上させる。また、ＭｏおよびＰは図６および図７に示されているように耐硫酸腐食性を向上させる。

一方、Ｔｉは図２および図４から明らかなように、耐塩酸腐食性および耐塩酸ガス腐食性を向上させる。また、Ｔｉは図８に示されているように、耐硫酸腐食性を向上させるが、その含有量が多すぎると、かえって耐硫酸腐食性を阻害する。このため、本願発明では、Ｔｉの含有量は質量％で０．０１〜０．０３％として、その上限を０．０３質量％と制限することにより、耐酸性の低下を防いでいる。

以上のようにＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐ、Ｔｉは鋼の耐酸腐食性を向上させる。そして、これらのＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｐ、Ｔｉの元素の他にＳｎも鋼の耐酸腐食性を向上させる。効果元素添加量関連式にＣｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓｎの添加量（質量％）を当てはめて計算した値（効果元素添加量関連式の値）と耐塩素ガス耐食性との関係を示す図５によれば、効果元素添加量関連式の値が１．５％を超える実施例品１，２、比較例品２，５は、耐塩酸ガス腐食性において比較例品１，３，４に比べて高くなっており、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｓｎの添加量を、Ｃｕ＋１０Ｓｎ＋Ｎｉ／２＋２Ｃｒ＋３Ｍｏ≧１．５となるように定めることにより、耐塩素ガス腐食性を向上させ得ることが理解される。

塩酸腐食試験の結果をＣｕ含有量との関連で示す図塩酸腐食試験の結果をＴｉ含有量との関連で示す図塩酸ガス腐食試験の結果をＣｒ含有量との関連で示す図塩酸ガス腐食試験の結果をＴｉ含有量との関連で示す図塩酸ガス腐食試験の結果を（Ｃｕ＋１０Ｓｎ＋Ｎｉ／２＋２Ｃｒ＋３Ｍｏ）との関連で示す図硫酸腐食試験の結果をＭｏ含有量との関連で示す図硫酸腐食試験の結果をＰ含有量との関連で示す図硫酸腐食試験の結果をＴｉ含有量との関連で示す図

Claims

質量％で、Ｃ：０．２％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：１．６％以下、Ｐ：０．０３〜０．０５％、Ｓ：０．０３％以下、Ｃｕ：０．２〜０．６％、Ｎｉ：０．０５〜０．３％、Ｃｒ：０．３〜０．６％、Ｍｏ：０．１５〜０．４５％、Ｓｎ：０．００５〜０．０４％、Ｔｉ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物であり、且つＣｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏの含有量が、Ｃｕ＋１０Ｓｎ＋Ｎｉ／２＋２Ｃｒ＋３Ｍｏ≧１．５％の関係を満たすことを特徴とする耐塩酸腐食性および耐硫酸腐食性に優れた低合金鋼。