JP4597233B2 - 発電機ロータ軸材 - Google Patents
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Description
本発明は、磁気特性に優れる発電機ロータ軸材に関する。
これまで、発電機において界磁巻線を取り付けるロータ軸材として、特公昭４７−２５２４８号公報（特許文献１）および特公昭５０−７５３０号公報（特許文献２）に記載のような鋼が示されている。特に室温での引張強さとして７００ＭＰａ以上を必要とする発電機軸材には、一般的には、ＡＳＴＭ規格Ａ４６９に開示されているように、ニッケルを３.０％以上含み、クロムを２.０％以下含む鋼が用いられている。
従来、ガスタービンおよび蒸気タービンで駆動される比較的大型の発電機のロータ軸材にはニッケルを３.０％以上含む低合金鋼が用いられてきたが、この範囲のニッケルを含む発電機ロータ軸材は磁気特性が良くない。その結果、発電機の効率が低下する。また、ニッケルは磁気特性を低下させるものの、焼入れ性の改善のために必要な成分のため、低減が困難であった。
本発明の目的は、ニッケル量を従来よりも低減し、磁気特性を向上させ、かつ実用化可能な焼き入れ性を有する発電機ロータ軸材を提供することにある。また、室温での引張強さが７００ＭＰａ以上，室温での磁化力が２７５ＡＴ／ｍ以下，ＦＡＴＴが７℃以下の発電機ロータ軸材を提供することにある。
上記課題を解決する本願発明は、ニッケル量を減少させるとともに、クロム量を多くし、かつ銅を添加した合金を用いた発電機用のロータ軸材にある。
発電機ロータ軸材は、質量％で、Ｃ：０.１５〜０.３５％，Ｓｉ：０.０１〜０.１０％，Ｍｎ：０.１０〜０.５０％，Ｎｉ：１.３〜２.０％，Ｃｒ：２.１〜３.０％，Ｍｏ：０.２０〜０.５０％，銅：０.１５〜０.３５％，Ｖ：０.０６〜０.１４％および残部が不可避不純物およびＦｅからなる合金を用いたことを特徴としている。
本発明のロータ軸材によれば、磁気特性が優れるため、発電機のロータのコイルに流す界磁電流を減らすことができる。このため発電機の損失が減り、発電機の効率を向上させることができる。
発電機ロータ軸材のニッケルを低減すると、焼入れ性が低下する。このため、ニッケルを３.０以上含む低合金鋼が用いられてきた。しかし、発明者らは、低合金鋼の焼入れ性に関する研究を行い、特定範囲にニッケルを低減した場合に、適量のクロムと銅を添加することにより、ニッケルを３.０以上含む低合金鋼と同等の焼入れ性効果のあることを見出した。また、このようにして得られるニッケルを従来よりも低減した合金を用いた発電機ロータ軸材を用いて発電機を作成することにより、発電機の磁気特性が従来よりも向上し、効率が向上することを見出した。
以下に、ロータ軸材を構成する合金に添加されている元素の効果と、その組成の範囲の限定理由を述べる。
炭素は焼入れ性を良くし、発電機ロータ軸材の強度を高めるために必須の元素で、０.１５％以上必要である。しかし、０.３５％以上になると発電機ロータ軸材の靭性を低下させるため、炭素の範囲は０.１５〜０.３５％とする。特に、０.２０〜０.３０％の範囲が好ましい。
ケイ素は脱酸効果があり、発電機ロータ軸材の清浄度を高めるための元素として添加されていたが、近年は真空カーボン脱酸などの製鋼技術の進歩により特に添加しなくても健全な発電機ロータ軸材を溶製可能である。焼戻し脆化防止の点から、ケイ素は低目にすべきであり、０.０１〜０.１０％の範囲にすべきである。
マンガンは焼入れ性を良くし、発電機ロータ軸材の靭性を高めるために必須の元素で、０.１％以上必要である。しかし、０.５０％以上になると発電機ロータ軸材の焼戻し脆化を生じるため、マンガンの範囲は０.１０〜０.５０％とする。特に、０.２０〜０.４５％の範囲が好ましい。
ニッケルは焼入れ性を良くし、発電機ロータ軸材中心部の靭性を高めるとともに、磁気特性を向上させる必須の元素で、１.３％以上必要である。しかし、２.０％以上になると発電機ロータ軸材の磁気特性を低下させるため、ニッケルの範囲は１.３〜２.０％とする。特に、１.４〜１.８％の範囲が好ましい。
クロムは焼入れ性を良くし、発電機ロータ軸材中心部の靭性および強度を高めるために必須の元素で、２.１％以上必要である。しかし、３.０％以上になると発電機ロータ軸材の強度を低下させるため、クロムの範囲は２.１〜３.０％とする。特に、２.３〜２.８％の範囲が好ましい。
モリブデンは焼入れ性を良くし、発電機ロータ軸材中心部の靭性を高め、また焼戻しで脆化を緩和するために必須の元素で、０.２％以上必要である。しかし、０.５％以上になると、発電機ロータ軸材の磁気特性を低下させるため、モリブデンの範囲は０.２０〜０.５０％とする。特に、０.３０〜０.４０％の範囲が好ましい。
銅は焼入れ性を良くし、発電機ロータ軸材中心部の靭性を高めるために必須の元素で０.１５％以上必要である。しかし０.３５％以上になると、発電機ロータ軸材の鍛造性を低下させるため、銅の範囲は０.１５〜０.３５％とする。特に、０.２０から０.３０％の範囲が好ましい。
バナジウムは炭化物粒子形成による結晶粒微細化によって発電機ロータ軸材の降伏応力を高めるため、０.０６％以上必要である。しかし、０.１４％以上になると、発電機ロータ軸材の靭性を低下させるため、バナジウムの範囲は０.０６〜０.１４％とする。特に、０.０８〜０.１２％の範囲が好ましい。
不可避不純物としては、Ａｌ，Ｐ，Ｓ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｓなどがある。Ａｌは靭性を低下させるので低目にすべきである。Ａｌは０.０１２％以下にするのが好ましい。Ｓは介在物ＭｎＳを作って靭性を低下させるので低目にすべきである。Ｓは０.０１５％以下にするのが好ましい。Ｐ，Ｓｎ，Ｓｂ，Ａｓなどは焼戻し脆化を起こしやすくするので、これらは低目にすべきである。Ｐは０.０２０％以下，Ｓｎは０.０１５％以下，Ｓｂは０.００４％以下，Ａｓは０.０１５％以下にするのが好ましい。
本発明の発電機ロータ軸材は、電気炉溶解後に真空脱ガス，真空カーボン脱酸，エレクトロスラグ再溶解などの方法で精錬した溶湯を金型に鋳込むことで鋼塊を製作する。本発明の発電機ロータ軸材は鋼塊を１１５０℃以上で熱間鍛造後、８４０℃以上での焼ならしおよび６００℃以上での焼戻しを施して結晶粒を微細化する。その後、８６０〜９００℃でオーステナイト化処理を施し、オーステナイト化温度から水冷，噴水冷却，水噴霧冷却などの方法により焼入れ処理を施した後、５６０〜６６０℃で焼戻し処理を施して機械的性質を調整する。
以下、本発明に係る発電機ロータ軸材の実施の例を説明する。表１は、本実施例で確認した供試鋼の化学組成（質量％）を示す。供試鋼Ｎｏ.３〜７およびＮｏ.９〜１４が本発明である。供試鋼Ｎｏ.１，２，８は本発明と比較のために溶製した比較材である。Ｎｏ.１は発電機軸材のＡＳＴＭ規格Ａ４６９のClass ７相当材である。
各供試鋼は、溶解炉で２０kgの鋼塊とし、１１５０〜１２５０℃加熱で厚さ３０mm，幅９０mmに熱間鍛造した。これらの供試鋼に、大型発電機のロータ軸材胴部中心部の冷却速度をシミュレートした熱処理を施した。まず９００℃で焼きならしした後、８８０℃まで加熱してオーステナイト化し、その温度から２００℃／ｈの速度で冷却して焼入れをした。ついで６００〜６４０℃にて３３ｈの焼戻し保持後、３０℃／ｈの速度で冷却した。焼戻し処理は引張強さが７００ＭＰａ以上の範囲に入る温度を各供試鋼ごとに選んで行った。
上記熱処理を行った各供試鋼について、引張試験，２mmVノッチ・シャルピー衝撃試験，直流磁気特性試験を実施した。引張試験はＪＩＳ Ｚ ２２０１の４号試験片の縮小サイズ（直径５mm）を用い、室温で実施した。２mmVノッチ・シャルピー衝撃試験はＪＩＳ Ｚ ２２０２のＶノッチ試験片を用い、−８０〜＋４０℃の範囲で実施した。直流磁気特性試験は直径２０mm，長さ４５mmの試験片を用い、ＪＩＳ Ｃ ２５０１の方法（電磁石と試験片で閉磁気回路を構成）によって、室温で実施した。各試験の結果を表２に示す。ＦＡＴＴは衝撃試験によって得られる延性・脆性破面遷移温度である。ＦＡＴＴの温度の値が低いほど鋼は靭性が高い。直流磁気特性は磁束密度が２１.２kgに達する時の磁化力を求めた。磁化力の値が小さいほど鋼は磁気特性が優れている。
上述の通り、本発明の組成では引張強さが７００ＭＰａ以上，磁化力が２７５ＡＴ／ｍ以下，ＦＡＴＴが７℃以下となる好ましい合金組成であった。また、発電機ロータ軸材は毎分３０００回転あるいは３６００回転で回転し、また毎日起動停止を繰り返す。従って、特にスロット部では回転遠心力によって発生する引張応力に耐える設計が必要である。発電機ロータ軸材のスロット部で引張応力が０.０２％耐力を超えると塑性変形しやすくなる、応力変動の繰り返しで疲労破壊しやすくなるなどの問題が生じる。また、伸び，絞りの値が低いと、破壊靭性が低くなり、疲労破壊を生じやすくなる。
図１は磁束密度が２１.２kgに達する時の磁化力に及ぼすニッケル量の影響を示す。図に示すように、ニッケル量が１.３〜２.０％の範囲で磁化力が低い。このため、ニッケル量は１.３〜２.０％の範囲がよい。図２は室温引張強さに及ぼすクロム量の影響を示す。図に示すように、クロム量が２.１〜３.０％の範囲で７００ＭＰａ以上の室温引張強さを示している。このため、クロム量は２.１〜３.０％の範囲がよい。本発明の供試鋼は表２に示すように、ＦＡＴＴが７℃以下であり、中心部での靭性にも優れている。
図３に、発電機ロータ軸の一例の斜視図を示す。本図に表されるロータ軸は磁極１，カップリング２，ファン取付け用リング３，センタリングリング４，スロット５，ティース６を有する。本発明材を採用する場合に最も有効な部分は、磁極１，カップリング２，ティース６などである。
図４に、発電機の全体図を示す。本図に表される発電機の全体図は発電機ロータ軸７，ロータコイル８，リテイニングリング９，コレクタリング・ブラシ１０，ファン１１，軸受１２，ステータコイル１３，鉄心１４，ステータフレーム１５，高電圧ブッシング１６を有する。
本発明の発電機ロータ軸材は、ガスタービンおよび蒸気タービンによって駆動される発電機のロータ軸材として利用できる。特に、室温での引張強さが７００ＭＰａ以上のロータ軸材として利用できる。
１ 磁極
２ カップリング
３ ファン取付け用リング
４ センタリングリング
５ スロット
６ ティース
７ 発電機ロータ軸
８ ロータコイル
９ リテイニングリング
１０ コレクタリング・ブラシ
１１ ファン
１２ 軸受
１３ ステータコイル
１４ 鉄心
１５ ステータフレーム
１６ 高電圧ブッシング
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１４ 鉄心
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１６ 高電圧ブッシング
Claims (3)
- 質量％で、Ｃ：０.１５〜０.３５％，Ｓｉ：０.０１〜０.１０％，Ｍｎ：０.１０〜０.５０％，Ｎｉ：１.３〜２.０％，Ｃｒ：２.１〜３.０％，Ｍｏ：０.２０〜０.５０％，銅：０.１５〜０.３５％，Ｖ：０.０６〜０.１４％および残部が不可避不純物およびＦｅからなる合金を用いたことを特徴とする発電機ロータ軸材。
- 請求項１に記載の発電機ロータ軸材において、室温での引張強さが７００ＭＰａ以上であることを特徴とする発電機ロータ軸材。
- 請求項１または２に記載されたロータ軸材を用いたことを特徴とする発電機。
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