JP4546867B2 - 耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体とその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、製鋼工場の転炉における排ガス処理設備や発電所のボイラ設備において、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食および摩耗に対して長期間の耐久性を有する水冷鋼管構造体に関する。
製鋼工場における転炉の排ガス処理設備においては、高温の排ガスの顕熱と排ガスに含まれる熱源としての有用成分を回収するために、図１に示すようにスカート２・下部フード３・上部フード４・集塵ダクト５等の名称の水冷鋼管構造体が構成されている。
これらの水冷鋼管構造体は、使用中にＣｌ等の成分を含有する高温排ガスによる高温腐食と、溶鋼および副原料として投入される各種鉱石などから吹錬中に発生するダストの衝突により著しいエロージョン摩耗が発生する。
これらの水冷鋼管構造体は、使用中にＣｌ等の成分を含有する高温排ガスによる高温腐食と、溶鋼および副原料として投入される各種鉱石などから吹錬中に発生するダストの衝突により著しいエロージョン摩耗が発生する。
また、樹脂類が混在する鉄スクラップや副原料から発生するＣｌやＳなどによる腐食性ガスおよび高温酸化による高温腐食、さらに間欠式操業の繰り返しによる熱疲労も発生する。これらの高温腐食、摩耗や熱疲労により、鋼管構造体が減肉損耗や亀裂により損傷して、管構造体の管内に流れる冷却用の水や水蒸気が漏れ出すと、熱回収が不能となるばかりでなく高温の溶鋼と漏洩水との反応で水蒸気爆発を起こし、重大事故が発生する可能性がある。
上記の状況に鑑み、定期的に設備を停止して水冷鋼管構造体の高温排ガス接触面の補修が行われており、生産性の低下要因になっていた。
上記の状況に鑑み、定期的に設備を停止して水冷鋼管構造体の高温排ガス接触面の補修が行われており、生産性の低下要因になっていた。
これらの問題を解決するために、特許文献１において、水冷鋼管の表面に炭化物サーメットを溶射施工した上に、ＭＣｒＡｌＸ合金を溶射することによって、耐熱性と耐摩耗性に優れた被覆を形成する方法が提案されている。
特許文献２では、冷却管などの基材表面に耐熱金属もしくはその合金あるいは炭化物サーメットの下地溶射皮膜を形成し、必要に応じて多孔状無機質皮膜を塗布した上に、クロム酸とリン酸を主成分とするシール剤を塗布し乾燥後、加熱焼成して、ガラス質酸化クロム皮膜を上層に形成してなる複合溶射部材が提案されている。
特許文献３においては、冷却管の壁面にＮｉ基、Ｃｏ基などの自溶性合金粉末を高圧・高速ガス溶射法にて皮膜を形成し、再溶融させて壁面に溶着させることによる保護皮膜の形成方法が提案されている。
特開平７−１８３２０号公報
特許第３０３９８５０号公報
特開２００５−８９２１号公報
特許文献２では、冷却管などの基材表面に耐熱金属もしくはその合金あるいは炭化物サーメットの下地溶射皮膜を形成し、必要に応じて多孔状無機質皮膜を塗布した上に、クロム酸とリン酸を主成分とするシール剤を塗布し乾燥後、加熱焼成して、ガラス質酸化クロム皮膜を上層に形成してなる複合溶射部材が提案されている。
特許文献３においては、冷却管の壁面にＮｉ基、Ｃｏ基などの自溶性合金粉末を高圧・高速ガス溶射法にて皮膜を形成し、再溶融させて壁面に溶着させることによる保護皮膜の形成方法が提案されている。
しかしながら、上記技術には以下のような課題がある。
特許文献１および特許文献２に記載されている技術においては、溶射皮膜の形成にはガス溶射、高速ガス溶射、プラズマ溶射などの溶射法が用いられるが、いずれの皮膜も基材である水冷鋼管表面と溶射皮膜との密着機構が機械的な投錨効果によるものであり、基材との密着性が不充分で、使用中に短期間で剥離する問題がある。
また、特許文献３に記載されている技術による皮膜は、排ガスによる高温腐食に対して耐久性が不充分である。また高圧・超高速溶射ガンによる溶射と再溶融処理を組み合わせた方法であるため、コストが高いという問題もある。
特許文献１および特許文献２に記載されている技術においては、溶射皮膜の形成にはガス溶射、高速ガス溶射、プラズマ溶射などの溶射法が用いられるが、いずれの皮膜も基材である水冷鋼管表面と溶射皮膜との密着機構が機械的な投錨効果によるものであり、基材との密着性が不充分で、使用中に短期間で剥離する問題がある。
また、特許文献３に記載されている技術による皮膜は、排ガスによる高温腐食に対して耐久性が不充分である。また高圧・超高速溶射ガンによる溶射と再溶融処理を組み合わせた方法であるため、コストが高いという問題もある。
本発明は、上記課題に鑑み、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食および摩耗に対して長期間の耐久性を有する皮膜を形成し、製鋼工場の転炉における排ガス処理設備や発電所のボイラー設備において、長期間の稼働を可能とし、メンテナンス費用の低減、稼働率向上を達成する水冷鋼管構造体を提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明者は、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食、および高温域での摩耗に対して耐久性のある被膜について広く研究を行った。これにより、基材との密着性および耐摩耗性の双方が高い材質は自溶性合金であること、また、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食に対して耐食性が高いのは、特定の組成のＮｉ合金であることを見いだし、種々の溶射被膜を試作、評価の結果本発明を完成させるに至った。
本発明は上記の知見を基になされたものであって、その要旨は以下のとおりである。
（１）質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を、質量で１０〜９０％配合した材料を溶射材料とし、この溶射材料を基材に溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（２）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（３）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（１）質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を、質量で１０〜９０％配合した材料を溶射材料とし、この溶射材料を基材に溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（２）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（３）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（４）質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金を基材に下層被膜として溶射し、その被覆の表面に、Ｎｉ基の前記自溶性合金に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金を質量で１０〜９０％配合した材料を上層被膜の溶射材料とし、この溶射材料を１層あるいはそれ以上の層になるように溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（５）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（４）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（６）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（４）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（７）Ｎｉ基の自溶性合金が、質量でさらに、
Ｆｅ＝５％以下、 Ｃｏ＝１％以下、
Ｍｏ＝４％以下、 Ｃｕ＝４％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）または（４）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金を基材に下層被膜として溶射し、その被覆の表面に、Ｎｉ基の前記自溶性合金に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金を質量で１０〜９０％配合した材料を上層被膜の溶射材料とし、この溶射材料を１層あるいはそれ以上の層になるように溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（５）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（４）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（６）自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（４）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（７）Ｎｉ基の自溶性合金が、質量でさらに、
Ｆｅ＝５％以下、 Ｃｏ＝１％以下、
Ｍｏ＝４％以下、 Ｃｕ＝４％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（１）または（４）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。
（８）質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金中に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を質量で１０〜９０％が分散して含まれる被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（９）自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（８）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１０）自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（８）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金中に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を質量で１０〜９０％が分散して含まれる被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（９）自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（８）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１０）自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（８）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１１）質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金の下層被膜と、前記自溶性合金中に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を質量で１０〜９０％が分散して含まれる上層被膜と、を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１２）上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１３）上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１４）Ｎｉ基の自溶性合金が、質量％でさらに、
Ｆｅ＝５％以下、 Ｃｏ＝１％以下、
Ｍｏ＝４％以下、 Ｃｕ＝４％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（８）または（１１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金の下層被膜と、前記自溶性合金中に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を質量で１０〜９０％が分散して含まれる上層被膜と、を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１２）上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１３）上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする前記（１１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
（１４）Ｎｉ基の自溶性合金が、質量％でさらに、
Ｆｅ＝５％以下、 Ｃｏ＝１％以下、
Ｍｏ＝４％以下、 Ｃｕ＝４％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする前記（８）または（１１）に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
本発明によれば、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食および摩耗に対して長期間の耐久性を有する被膜を形成し、製鋼工場の転炉における排ガス処理設備や発電所のボイラー設備において、長期間の稼働を可能とし、メンテナンス費用の低減、稼働率向上を達成することができ、産業上の貢献が顕著である。
本発明者は、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食、および高温域での摩耗に対して耐久性のある皮膜を提供する目的で、種々の材料を試作評価し、基材との密着性および耐摩耗性の双方が高く、かつ塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食に対して耐食性が高いのは、Ｎｉ基の自溶性合金に、特定の組成のＮｉ合金を質量で１０〜９０％配合した材料を溶射し再溶融処理して形成した被膜であることを見いだした。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、Ｎｉ基の自溶性合金に、Ｎｉ基の特定の組成の合金を質量で１０〜９０％配合した材料を溶射した後、再溶融処理して形成した被膜を有する水冷鋼管構造体である。 上記特性の組成のＮｉ基合金とは、下記の３種類である。
なお、以下の記述でＮｉ基合金とは、下記の２種類の組成の合金を示すものとする。
（１）質量で、Ｃｒ＝２０〜２３％、Ｍｏ＝８〜１０％、Ｆｅ＝２〜７％、（Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、残部Ｎｉの合金。
（２）質量で、Ｃｒ＝２０〜２３％、Ｍｏ＝８〜１０％、Ｆｅ＝２〜７％、残部Ｎｉの合金。
上記合金の具体的な好ましい組成例は、
インコネル（登録商標）６２５：Bal Ni-9Mo-21.5Cr-2.5Fe-3.7Nb （単位は質量％）
である。
（３）質量で、Ｃｒ＝１４〜１７％、Ｍｏ＝１５〜１７％、Ｗ＝３〜５％、Ｆｅ＝４〜７％、残部Ｎｉの合金。
上記合金の具体的な好ましい組成例は、
ハステロイ（登録商標）Ｃ２７６：Bal Ni-16Mo-16Cr-4W-5Fe-0.005C-0.05Si （単位は質量％）
である。
上記Ｎｉ基合金は、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食に対して極めて耐食性に優れる。しかし、硬度はＨＶ２００程度であり、飛散ダストの衝突によるエロージョン摩耗に対しては十分な耐摩耗性を有していない。
なお、以下の記述でＮｉ基合金とは、下記の２種類の組成の合金を示すものとする。
（１）質量で、Ｃｒ＝２０〜２３％、Ｍｏ＝８〜１０％、Ｆｅ＝２〜７％、（Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、残部Ｎｉの合金。
（２）質量で、Ｃｒ＝２０〜２３％、Ｍｏ＝８〜１０％、Ｆｅ＝２〜７％、残部Ｎｉの合金。
上記合金の具体的な好ましい組成例は、
インコネル（登録商標）６２５：Bal Ni-9Mo-21.5Cr-2.5Fe-3.7Nb （単位は質量％）
である。
（３）質量で、Ｃｒ＝１４〜１７％、Ｍｏ＝１５〜１７％、Ｗ＝３〜５％、Ｆｅ＝４〜７％、残部Ｎｉの合金。
上記合金の具体的な好ましい組成例は、
ハステロイ（登録商標）Ｃ２７６：Bal Ni-16Mo-16Cr-4W-5Fe-0.005C-0.05Si （単位は質量％）
である。
上記Ｎｉ基合金は、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食に対して極めて耐食性に優れる。しかし、硬度はＨＶ２００程度であり、飛散ダストの衝突によるエロージョン摩耗に対しては十分な耐摩耗性を有していない。
Ｎｉ基自溶性合金は、ＮｉとＣｒの共晶組成を基に、Ｂ、Ｓｉ等を添加した合金であり、溶射後、９４０〜１１００℃程度で加熱して再溶融処理を行い、基材と被膜との密着面を冶金的結合状態とし密着力を向上させることができる溶射材である。ＪＩＳ Ｈ８３０３規格において、再溶融後の被膜の硬度に応じて、規格記号ＳＦＮｉ１〜ＳＦＮｉ５の５種類の組成が定められている。
Ｎｉ基自溶性合金の組成は、
質量で、Ｃｒ＝１０〜２０％、Ｂ＝２〜４．５％、Ｓｉ＝２〜５％、Ｃ＝０．４〜１．１％、Ｆｅ＝５％以下（０％を含む）、Ｃｏ＝１％以下（０％を含む）、Ｍｏ＝４％以下（０％を含む）、Ｃｕ＝４％以下（０％を含む）、残部Ｎｉの合金である。
Ｎｉ基自溶性合金の組成は、
質量で、Ｃｒ＝１０〜２０％、Ｂ＝２〜４．５％、Ｓｉ＝２〜５％、Ｃ＝０．４〜１．１％、Ｆｅ＝５％以下（０％を含む）、Ｃｏ＝１％以下（０％を含む）、Ｍｏ＝４％以下（０％を含む）、Ｃｕ＝４％以下（０％を含む）、残部Ｎｉの合金である。
本発明の水冷鋼管構造体の被膜においては、上記Ｎｉ基自溶性合金のうち、被膜の硬度が高く再溶融処理も容易なＳＦＮｉ４が好ましい組成である。
ＳＦＮｉ４の具体的な組成は、
Ｃｒ＝１２〜１７％、Ｂ＝２．５〜４．０％、Ｓｉ＝３．５〜５．０％、Ｃ＝０．４〜０．９％、Ｆｅ＝５％以下（０％を含む）、Ｃｏ＝１％以下（０％を含む）、Ｍｏ＝４％以下（０％を含む）、Ｃｕ＝４％以下（０％を含む）、残部Ｎｉである。
しかしながら、本発明に用いるＮｉ基自溶性合金の組成は、上記ＳＦＮｉ４に限定されるものではない。
なお、上記Ｎｉ基自溶性合金の組成において、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ及びＣｕは任意添加元素であり、それぞれに「０を含む」と表現した。
ＳＦＮｉ４の具体的な組成は、
Ｃｒ＝１２〜１７％、Ｂ＝２．５〜４．０％、Ｓｉ＝３．５〜５．０％、Ｃ＝０．４〜０．９％、Ｆｅ＝５％以下（０％を含む）、Ｃｏ＝１％以下（０％を含む）、Ｍｏ＝４％以下（０％を含む）、Ｃｕ＝４％以下（０％を含む）、残部Ｎｉである。
しかしながら、本発明に用いるＮｉ基自溶性合金の組成は、上記ＳＦＮｉ４に限定されるものではない。
なお、上記Ｎｉ基自溶性合金の組成において、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｍｏ及びＣｕは任意添加元素であり、それぞれに「０を含む」と表現した。
Ｎｉ基合金の被膜を基材に形成するための溶射法としては、ガス溶射法、アーク溶射法、プラズマ溶射法等が用いられるが、本発明の被膜においては、安価で作業が容易な粉末ガス溶射法で十分に目的を達成することができる。
ガス溶射では一般に被膜に気孔が多く見られ、溶射ままでは緻密な被膜が得られ難いが、本発明におけるＮｉ基自溶性合金を含有する溶射被膜では、溶射の後に再溶融処理を行うため、被膜内の気孔が消滅し、同時に基材との間に冶金的結合が生じるため、緻密であり基材との密着性の極めて高く高硬度の被膜の形成が可能である。
ガス溶射では一般に被膜に気孔が多く見られ、溶射ままでは緻密な被膜が得られ難いが、本発明におけるＮｉ基自溶性合金を含有する溶射被膜では、溶射の後に再溶融処理を行うため、被膜内の気孔が消滅し、同時に基材との間に冶金的結合が生じるため、緻密であり基材との密着性の極めて高く高硬度の被膜の形成が可能である。
本発明においては、Ｎｉ基自溶性合金に、上記の３種類のうちいずれかのＮｉ基合金を質量で１０〜９０％配合して溶射材料とし、この溶射材料を基材に溶射し、再溶融処理を施すことにより、塩素等を含有する高温の排ガスやダストによる高温腐食に対する耐食性および飛散ダストの衝突によるエロージョンに対する耐摩耗性を兼ね備えた被膜を形成することが可能である。
次に、本発明の被膜の形態を、図２を参照して説明する。
図２（ａ）は、本発明により形成された水冷鋼管構造体の被膜の１形態を示す断面図である。基材６の表面に密着したＮｉ基自溶性合金７中にＮｉ基合金８の粒子が分散した構造となっている。
このＮｉ基合金８の粒子は微細であるほど被膜材の均質性が高く、好ましいが、１mm以下であれば充分な性能を発揮することを確認している。通常、上記粒子径は溶射粉末の粒径で決まる。溶射のために好適な粒子径は１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲であるが、多くは１０μｍ以上５０μｍ以下の粒径範囲の溶射粉末が使用される。これにより本発明の方法で形成された被膜中のＮｉ基合金８の粒子径は１０μｍ以上１ｍｍ未満の範囲となる。
図２（ａ）は、本発明により形成された水冷鋼管構造体の被膜の１形態を示す断面図である。基材６の表面に密着したＮｉ基自溶性合金７中にＮｉ基合金８の粒子が分散した構造となっている。
このＮｉ基合金８の粒子は微細であるほど被膜材の均質性が高く、好ましいが、１mm以下であれば充分な性能を発揮することを確認している。通常、上記粒子径は溶射粉末の粒径で決まる。溶射のために好適な粒子径は１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲であるが、多くは１０μｍ以上５０μｍ以下の粒径範囲の溶射粉末が使用される。これにより本発明の方法で形成された被膜中のＮｉ基合金８の粒子径は１０μｍ以上１ｍｍ未満の範囲となる。
この被膜は、Ｎｉ基自溶性合金７に対するＮｉ基合金８の配合率を変化させることにより、耐食性および耐摩耗性を制御することが容易である。耐摩耗性を重視した特性の被膜を得るためには、Ｎｉ基合金８の配合率を質量で１０〜５０％とすることが望ましい。また耐食性を重視した特性の被膜を得るためには、同配合率を質量で３０〜９０％とすることが望ましい。
被膜の膜厚は、腐食しろ、および摩耗しろの点では、厚いほど有利であるが、過度に厚い場合には、基材の変形の影響や熱衝撃、内外表面の温度差によって被膜の割れや剥離が発生しやすくなる。以上の理由で膜厚は再溶融後の状態で１００μｍ〜３ｍｍとすることが望ましい。
被膜の膜厚は、腐食しろ、および摩耗しろの点では、厚いほど有利であるが、過度に厚い場合には、基材の変形の影響や熱衝撃、内外表面の温度差によって被膜の割れや剥離が発生しやすくなる。以上の理由で膜厚は再溶融後の状態で１００μｍ〜３ｍｍとすることが望ましい。
図２（ｂ）は、本発明により形成された水冷鋼管構造体の被膜の他の１形態を示す断面図である。基材６の表層にまずＮｉ基自溶性合金のみの下層被膜９を形成し、表面に（ａ）に示す被膜と同じ形態の被膜を被覆した構造となっている。
下層被膜は基材と本発明の被膜との密着性をより向上させる役割を有する。下層被膜は表面に、耐食性を重視した特性の被膜、すなわちＮｉ基自溶性合金にＮｉ基合金を質量で３０〜９０％配合した成分の被膜を形成する際に、より好ましい。
下層被膜の厚みは薄くて良く、１０μｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。また表面の被膜の厚みは、下層被膜とあわせて（ａ）の場合と同様に再溶融後の状態で１００μｍ〜３ｍｍとすることが望ましい。
下層被膜は基材と本発明の被膜との密着性をより向上させる役割を有する。下層被膜は表面に、耐食性を重視した特性の被膜、すなわちＮｉ基自溶性合金にＮｉ基合金を質量で３０〜９０％配合した成分の被膜を形成する際に、より好ましい。
下層被膜の厚みは薄くて良く、１０μｍ〜１ｍｍ程度が好ましい。また表面の被膜の厚みは、下層被膜とあわせて（ａ）の場合と同様に再溶融後の状態で１００μｍ〜３ｍｍとすることが望ましい。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
本発明の被膜の特性を他の被膜と比較して評価した結果を表１、表２を参照して説明する。
本発明の被膜材としては、Ｎｉ基自溶性合金ＳＦＮｉ４にＮｉ基合金インコネル（登録商標）６２５を質量４０％配合したものを普通鋼の基材に粉末ガス溶射にて溶射し、再溶融処理を施したものを用いた。比較材としては、Ｎｉ自溶性合金はＳＦＮｉ４の単体をガス溶射し再溶融処理を施したもの、Ｎｉ−Ｃｒ（５０％／５０％）のプラズマ溶射品、ＣｒＣ／ＮｉＣｒの高速ガス溶射品およびインコネル（登録商標）６２５の溶接肉盛品を用いた。
本発明の被膜の特性を他の被膜と比較して評価した結果を表１、表２を参照して説明する。
本発明の被膜材としては、Ｎｉ基自溶性合金ＳＦＮｉ４にＮｉ基合金インコネル（登録商標）６２５を質量４０％配合したものを普通鋼の基材に粉末ガス溶射にて溶射し、再溶融処理を施したものを用いた。比較材としては、Ｎｉ自溶性合金はＳＦＮｉ４の単体をガス溶射し再溶融処理を施したもの、Ｎｉ−Ｃｒ（５０％／５０％）のプラズマ溶射品、ＣｒＣ／ＮｉＣｒの高速ガス溶射品およびインコネル（登録商標）６２５の溶接肉盛品を用いた。
表１は腐食灰浸漬試験法により、耐高温腐食性を比較評価した結果を示す。腐食灰浸漬試験は、Ｃｌを１％含有する集塵ダスト中に試験片を埋没させ、密閉後４００℃の温度に加熱し、４ＭＰａの圧縮力を与えて３００時間保持し、試験後の試験片溶損量を測定した。
溶損比率とは、ボイラー溶鋼管ＳＢ４１０の溶損量を１００％とした比率を表す。
試験の結果、本発明の被膜およびインコネル（登録商標）６２５はボイラー用鋼管単体の１／２５〜１／１００の良好な耐食性を示した。
溶損比率とは、ボイラー溶鋼管ＳＢ４１０の溶損量を１００％とした比率を表す。
試験の結果、本発明の被膜およびインコネル（登録商標）６２５はボイラー用鋼管単体の１／２５〜１／１００の良好な耐食性を示した。
表２はエロージョン摩耗試験により、耐摩耗性を比較評価した結果を示す。エロージョン摩耗試験は、ＨＶ４７０のスチールグリッドを９０ｍ／秒の速度の圧縮空気ノズルから試験片の表面に投射した。ノズルと試験片表面中心点との距離は３０ｍｍで、投射角度は４５度である。
摩耗率は、一定時間投射後の試験片の被膜重量減で摩耗重量を求め、試験時間内に投射したスチールグリッドの重量で除して求めた。
試験の結果、本発明の被膜および自溶性合金単体被膜はボイラー用鋼管の摩耗量の１／４０〜１／１００の良好な耐摩耗性を示した。
以上の評価結果から、本発明の被膜は耐食性及び耐摩耗性の双方において、最も良好な性能を有することが判明した。
摩耗率は、一定時間投射後の試験片の被膜重量減で摩耗重量を求め、試験時間内に投射したスチールグリッドの重量で除して求めた。
試験の結果、本発明の被膜および自溶性合金単体被膜はボイラー用鋼管の摩耗量の１／４０〜１／１００の良好な耐摩耗性を示した。
以上の評価結果から、本発明の被膜は耐食性及び耐摩耗性の双方において、最も良好な性能を有することが判明した。
図１に示す製鋼工場の転炉における排ガス処理設備において、高温腐食、エロージョン摩耗、および露点腐食の雰囲気にさらされている水冷鋼管構造体である下部フード３において、図３に示す形態で本発明の被膜１１を水冷鋼管構造体１０の上記雰囲気側である内面に被覆した。被膜は、Ｎｉ基自溶性合金ＳＦＮｉ４にＮｉ基合金インコネル６２５を質量で４０％配合したものを溶射し、１０００〜１１００℃の温度で再溶融処理を施した。膜厚は、２〜３mmである。
この被膜を被覆した下部フードを１年間にわたり転炉の実操業で使用したところ、膜厚の減少量は最大で０．２ｍｍであり、操業や設備管理に関する支障が発生する等の問題は皆無であった。
なお、本実施例における下部フードは、従来、基材のボイラー鋼管ＳＢ４１０のみの場合は、主として高温腐食によって、６ヶ月で最大約２ｍｍの減肉が発生していた。よって、本発明の被膜によって約１０倍の大幅な寿命向上効果が確認された。
なお、本実施例における下部フードは、従来、基材のボイラー鋼管ＳＢ４１０のみの場合は、主として高温腐食によって、６ヶ月で最大約２ｍｍの減肉が発生していた。よって、本発明の被膜によって約１０倍の大幅な寿命向上効果が確認された。
上記のように、本発明の水冷鋼管構造体を、例えば製鋼工場の転炉排ガス処理設備に適用することにより、高温腐食、エロージョン摩耗、および露点腐食の雰囲気に対しての設備の耐久性を大幅に向上することが可能となり、設備を休止しての補修頻度が従来に比べて低減し、稼働率も向上し、さらに補修費用も大幅に低減し、操業の安定化、費用削減に大きく貢献する。
１：転炉
２：スカート
３：下部フード
４：上部フード
５：集塵ダクト
６：基材
７：Ｎｉ基自溶性合金
８：Ｎｉ基合金
９：下層被膜
１０：水冷鋼管構造体基材
１１：被膜
２：スカート
３：下部フード
４：上部フード
５：集塵ダクト
６：基材
７：Ｎｉ基自溶性合金
８：Ｎｉ基合金
９：下層被膜
１０：水冷鋼管構造体基材
１１：被膜
Claims (14)
- 質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を、質量で１０〜９０％配合した材料を溶射材料とし、この溶射材料を基材に溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項１に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項１に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金を基材に下層被膜として溶射し、その被覆の表面に、Ｎｉ基の前記自溶性合金に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金を質量で１０〜９０％配合した材料を上層被膜の溶射材料とし、この溶射材料を１層あるいはそれ以上の層になるように溶射し、再溶融処理して形成された被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項４に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 自溶性合金に配合された前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項４に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - Ｎｉ基の自溶性合金が、質量でさらに、
Ｆｅ＝５％以下、 Ｃｏ＝１％以下、
Ｍｏ＝４％以下、 Ｃｕ＝４％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または４に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体の製造方法。 - 質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金中に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を質量で１０〜９０％が分散して含まれる被膜を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項８に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項８に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 質量で、
Ｃｒ＝１０〜２０％、 Ｂ ＝２〜４．５％、
Ｓｉ＝２〜５％、 Ｃ ＝０．４〜１．１％、
残部ＮｉおよびＴｉに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基の自溶性合金の下層被膜と、前記自溶性合金中に、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、 （Ｎｂ＋Ｔａ）＝１〜４％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなるＮｉ基合金を質量で１０〜９０％が分散して含まれる上層被膜と、を有することを特徴とする耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝２０〜２３％、 Ｍｏ＝８〜１０％、
Ｆｅ＝２〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項１１に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - 上層被膜として自溶性合金に分散して含まれる前記Ｎｉ基合金が、質量で、
Ｃｒ＝１４〜１７％、 Ｍｏ＝１５〜１７％、
Ｗ ＝３〜５％、 Ｆｅ＝４〜７％、
残部ＮｉおよびＳｉやＣに代表される不可避の不純物からなる合金であることを特徴とする請求項１１に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。 - Ｎｉ基の自溶性合金が、質量でさらに、
Ｆｅ＝５％以下、 Ｃｏ＝１％以下、
Ｍｏ＝４％以下、 Ｃｕ＝４％以下
の１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項８または１１に記載の耐食性と耐摩耗性に優れた水冷鋼管構造体。
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