JP5140846B1

JP5140846B1 - 耐熱性鋳鋼の製造方法

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Publication number: JP5140846B1
Application number: JP2012038075A
Authority: JP
Inventors: 真治古澤; 孝信椙本; 哲平奥野; 智大田中
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-02-24
Also published as: JP2013173154A

Abstract

【課題】耐摩耗性および高温耐食性を向上させるとともに、ガス欠陥の少ない耐熱性鋳鋼の製造方法を提供する。
【解決手段】Ｃが０．７〜１．３質量％、Ｓｉが１．５〜２．５質量％、Ｃｒが２５〜３０質量％、およびＮが０．２〜０．３質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物元素からなる耐熱性鋳鋼の製造方法であって、湯口１２側を高くして角度θが２°以上１３°以下となる勾配を持たせた鋳型１１に、温度が１５００℃以上１６２０℃以下である溶湯Ｍを注湯して鋳造する。
【選択図】図５

Description

本発明は、耐熱性鋳鋼の製造方法に関するものである。

耐熱性鋳鋼の一例として、ごみ焼却炉などに用いられる火格子が挙げられる。火格子は、ごみ焼却炉設備の炉床部に敷き詰められて、上方でごみを攪拌して送り出すとともに焼却させるものである。このため、火格子には、ごみに紛れた重量物の落下衝突による割れに対する靭性、金属や砂に対する耐摩耗性、ごみを焼却させた灰に含まれる塩化物などに対する高温耐食性、などの物性が要求される。

これら物性を向上させるには、耐熱性鋳鋼の成分範囲を適切にしたり、鋳造方法を工夫することが考えられる。工夫された鋳造方法として、複数の鋳型を順次間欠的に搬送する搬送路において、注湯位置に停止させた鋳型に溶湯を注湯する際、鋳型を傾斜させることにより、ガスなどの溶湯への巻き込みを防止する発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−９１０１号公報

ところで、耐熱性鋳鋼において、耐摩耗性（高温硬さ）を向上させるにはＮ（窒素）を含有させ、高温耐食性を向上させるには十分なＣｒ（クロム）を含有させればよい。しかし、このような耐熱性鋳鋼の溶湯は、注湯された鋳型で冷却されて凝固するまでに多量のＮ（窒素）ガスを発生させるので、注湯時のガスの巻き込みに加え、発生したガスの巻き込みも大きな問題となる。

一方、上記特許文献１に記載の鋳造方法は、上記のような溶湯が多量のＮガスを発生させる耐熱性鋳鋼を想定したものではなく、鋳型の具体的な傾斜角度も開示されていない。すなわち、上記特許文献１からは、発生する多量のＮガスの巻き込みを防止できる手段が不明である。したがって、上記特許文献１に記載の鋳造方法では、鋳造される耐熱性鋳鋼において、ガスの巻き込みによる欠陥、すなわち、多発するガス欠陥を防止できないという問題があった。

そこで、本発明は、耐摩耗性および高温耐食性を向上させるとともに、ガス欠陥の少ない耐熱性鋳鋼の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る本発明の耐熱性鋳鋼の製造方法は、Ｃが０．７〜１．３質量％、Ｓｉが１．５〜２．５質量％、Ｃｒが２５〜３０質量％、およびＮが０．２〜０．３質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物元素からなる耐熱性鋳鋼の製造方法であって、
湯口側を高くして角度が２°以上１３°以下となる勾配を持たせた鋳型に、溶湯を注湯して鋳造し、
鋳型に注湯する溶湯の温度が１５００℃以上１６２０℃以下であるものである。

さらに、請求項２に係る本発明の耐熱性鋳鋼の製造方法は、請求項１に係る発明の耐熱性鋳鋼の製造方法において、耐熱性鋳鋼がごみ焼却炉に用いられる火格子であるものである。

上記耐熱性鋳鋼の製造方法によると、耐摩耗性および高温耐食性を向上させるとともに、ガス欠陥の少ない耐熱性鋳鋼を製造することができる。

本発明の実施の形態に係るストーカ式のごみ焼却炉の概略構成を示す断面図である。同ごみ焼却炉に用いられる火格子の斜視図である。同火格子の鋳造に使用される鋳型および鋳枠を説明するための図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図である。同火格子の鋳造品となる溶湯の冷却曲線を示すグラフである。図３（ｂ）の鋳型に溶湯を注湯した状態を示す断面図である実施例２に係る鋳型の勾配の角度を４．７°にした場合の鋳造品を示す図であり、（ａ）が鋳造品の側面図、（ｂ）が鋳造品の平面写真である。比較例１に係る鋳型に勾配を持たせない場合の鋳造品を示す図であり、（ａ）が鋳造品の側面図、（ｂ）が鋳造品の平面写真である。比較例２に係る鋳型の勾配の角度を−４．７°にした場合の鋳造品を示す図であり、（ａ）が鋳造品の側面図、（ｂ）が鋳造品の平面写真である。

以下、本発明の実施の形態に係る耐熱性鋳鋼の製造方法について説明する。以下では、鋳造された直後の半製品を鋳造品と言い、この鋳造品から押湯などを除去する鋳仕上げを行った後、必要な機械加工がされた完成品を耐熱性鋳鋼と言う。また、上記鋳造品は、鋳仕上げにより除去される部分を湯口側に有するものとする。

本実施の形態に係る耐熱性鋳鋼の一例として、ストーカ式のごみ焼却炉に用いられる火格子について説明する。
まず、ストーカ式のごみ焼却炉およびこれに用いられる火格子の概略について簡単に説明する。

図１に示すように、ストーカ式のごみ焼却炉Ｉは、ごみＷが投入されるホッパーＨと、このホッパーＨから投入されたごみＷを送り出すとともに燃焼させて灰にする炉床部Ｆと、ごみＷを燃焼させた灰を排出する排出口Ｏとを備える。上記炉床部Ｆは、ごみＷをホッパーＨ側から排出口Ｏ側に送り出しやすいように、排出口Ｏ側を低くして傾斜されている。上記炉床部Ｆには、ごみＷの上流側から、ごみＷを乾燥させる乾燥段Ｄと、この乾燥段Ｄよりも一段低い位置でごみＷを燃焼させる燃焼段Ｂと、ごみＷの固定炭素残留分をさらに燃焼させる後燃焼段Ｌとが形成されている。また、上記炉床部Ｆには、図１および図２に示すように、多数の火格子１が、下流側に上流側が重なるようにして敷き詰められている。上記火格子１は、図２に示すように、上面が略平坦であり、下流側の火格子１’の上面に接する前部２と、炉床部Ｆに軸支される後部４と、前部２と後部４との間に位置する中間部３とから形成される。

次に、上記火格子１の成分について説明する。
上記火格子１は、耐摩耗性および高温耐食性が要求されるので、Ｃが（炭素）が０．７〜１．３質量％、Ｓｉ（珪素）が１．５〜２．５質量％、Ｃｒ（クロム）が２５〜３０質量％、およびＮ（窒素）が０．２〜０．３質量％含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物元素などからなるものである。

次に、上述したような成分範囲にした理由について説明する。
まず、Ｃの添加量については、高温強度および鋳造性の向上のため、０．７質量％以上添加する必要があり、また添加し過ぎた場合には、耐食性および靭性の低下を招くため、１．３質量％を上限とする。

Ｓｉの添加量については、鋳造性および耐食性の向上の観点から、１．５質量％以上が好ましく、また脆化を防ぐために、２．５質量％を上限とする。
Ｃｒの添加量については、従来の耐熱性鋳鋼と同等レベルの耐食性および耐酸化性を維持するために、２５〜３０質量％の範囲とする。

Ｎの添加量については、凝固完了後に生成する炭窒化物の析出を利用して、高温下での硬さ（高温硬さ）すなわち耐摩耗性を改善するために、０．２質量％以上にする必要があり、また大気下における溶解では、多量のＮ含有のための添加が困難になり、また、添加に要するコストがかかること、および０．３質量％以上になると炭窒化物が晶出するためであろうと予測されるが、必要な耐食性が確保しにくくなるために、０．３質量％を上限とする。

不可避的不純物元素として、通常の高Ｃｒ鋳鋼と同様、鋳造性確保のために、通常の混入する範囲内の不純物元素を許容する。具体的には、Ｍｎが０．５〜１．２質量％程度、Ｎｉが０．５〜１．０質量％程度、Ｐが０．０２４質量％程度、Ｓが０．００８質量％程度である。

以下、本発明の要旨である上記火格子１の製造方法について説明する。
予め、上記火格子１用の鋳型および鋳枠を準備する。本実施の形態に係る鋳型は、一例として、図３（ａ）に示すように、１つの湯口１２から火格子１の鋳造品５を２つ鋳造でき、図３（ｂ）に示すように、湯口１２側が火格子１の後部４で、湯道先１３側が火格子１の前部２になるようにされている。そして、上記鋳型１１に、湯口１２側を湯道先１３側よりも高くして勾配を持たせる。その一例としては、鋳枠１０の底に敷く鋳型定盤２１のうち、湯口１２側の鋳型定盤２２を、湯道先１３側の鋳型定盤２３よりも高いものとする。また、上記勾配の角度θは、２〜１３°の範囲となるように調整する。この理由としては、勾配の角度θが２°未満だと、勾配を持たせない鋳型１１と大差なく、鋳造品５にガス欠陥の発生を防止する効果が不十分だからである。一方、勾配の角度θが１３°超だと、湯口１２側と湯道先１３側とで鋳造品５の結晶粒の粗さの差が目視で分かる程度に大きく、また、鋳枠１０を不安定な状態で固定するので鋳造作業性が低下するからである。なお、湯口１２側を上昇させた勾配は、落とし込み勾配とも言われる。

そして、上述した成分範囲の鋳造品５となる溶湯を、１５００〜１６２０℃に加熱する。この溶湯の温度は、鋳造の技術分野で推考できる範囲を超えたものである。なぜなら、溶湯の温度は、鋳造品５の凝固組織を微細化して良質な結晶性を確保するためにも、可能な限り低くされ、一般的に１５００℃未満だからである。例えば、中心部に熱電対を設置した直径５ｃｍ程度の耐火物製鋳型に注湯して測定した冷却曲線である図４に示すように、本発明の成分範囲内にある耐熱性鋳鋼は、１３８０〜１４００℃と、１２４０〜１２６０℃とで冷却曲線がなだらかになっていることから、液相線温度（凝固開始温度）が１３８０〜１４００℃、固相線温度（凝固完了温度）が１２４０〜１２６０℃である。このため、上記耐熱性鋳鋼となる溶湯の温度は、一般的に、液相線温度である１３８０〜１４００℃から５０〜１００℃だけ高い温度、つまり１４３０〜１５００℃に抑えられる。これに対して、本発明では、溶湯を一層高温の１５００〜１６２０℃に加熱することで、溶湯の粘度を下げ、勾配を持たせた鋳型１１において、溶湯が巻き込んだガスを適切に逃がすという作用を有する。参考までに、図４に示す８通りの冷却曲線の溶湯は、それらの耐熱性鋳鋼において、Ｃが０．８７〜０．９１質量％、Ｓｉが２．３〜２．５質量％、Ｃｒが２７．２〜２８．０質量％、Ｎが０．２０〜０．２２質量％、Ｍｎが０．５質量％程度、Ｎｉが０．６質量％程度、Ｐが０．０２４質量％程度、およびＳが０．００８質量％程度含有し、残部がＦｅ（鉄）などからなる。

ところで、本発明における溶湯Ｍの温度範囲を決定するために、角度θが４．７°の勾配を持たせた鋳型１１に、１４９０〜１６４０℃から１１通りの温度の溶湯を注湯して、火格子１の鋳造品５を鋳造する実験を行った。なお、溶湯並びに使用する鋳型１１および鋳枠１０は、後述する実施例２と同一にした。本実験の鋳造品５におけるガス欠陥の発生率は、下の表１の通りである。

上の表１に示すように、溶湯の温度が１５００〜１６４０℃で、鋳造品５のガス欠陥の発生率が０〜５％以下という好ましい結果となった。したがって、本発明における溶湯Ｍの温度の下限を１５００℃とした。一方、溶湯の温度が１６２０℃を越える１６４０℃では、溶湯の温度が高過ぎて鋳造作業性が低下し、実用的ではなかった。また、溶湯の温度が高過ぎると、溶湯が溶解時にＯ（酸素）ガスを吸収しやすくなるという問題も生ずる。したがって、本発明における溶湯Ｍの温度の上限を１６２０℃とした。

なお、本発明では溶湯Ｍが高温であるから、鋳造品５の凝固組織が微細化しにくく、結晶性を確保するためにも、溶湯Ｍに微細化剤を添加する。
次に、図５に示すように、１５００〜１６２０℃に加熱された溶湯Ｍを鋳型１１に注湯する。鋳型１１に勾配を持たせるとともに溶湯Ｍが高温のため粘度が低下したことにより、鋳型１１に注湯された溶湯Ｍは、鋳型１１の湯口１２側を加熱しながら、湯口１２側から湯道先１３側まで短時間で達する。このため、溶湯Ｍは湯道先１３側から充填され、その温度分布では、湯口１２側が高温で湯道先１３側が低温となる。したがって、溶湯Ｍは湯道先１３側から湯口１２側まで順次凝固していくので、溶湯Ｍに巻き込まれたガス、および注湯時に発生したガスは、湯道先１３側から湯口１２側まで移動し、最終的に湯口１２側の押湯６や湯口１２に集まりやすくなる。これに対して、従来の鋳型（勾配を持たせず水平である）１１だと、注湯された溶湯Ｍは鋳型１１の底部側から充填され、その温度分布は、湯道先１３側ではなく底部側が低温となる。したがって、溶湯Ｍは湯道先１３側ではなく底部側から順次凝固していくので、溶湯Ｍに巻き込まれたガス、および注湯時に発生したガスは、底部側から上面側まで移動し、最終的に押湯６や湯口１２以外にも集まりやすい。言い換えれば、本発明は、従来の鋳型１１だと火格子１の上面に発生するガス欠陥を、鋳造品５の押湯６などに集めることで、これら押湯６などを除去する鋳仕上げを行った火格子１（完成品）に、ガス欠陥を残さないようにするものである。

そして、鋳型１１に注湯された溶湯Ｍが所定の温度にまで冷却されて凝固すると、鋳型１１から２つの鋳造品５を取り出す。各鋳造品５から押湯６などを除去する鋳仕上げを行った後、必要な機械加工をすることで、２つの火格子１が完成する。

以下、上記実施の形態をより具体的に示した複数の実施例に係る火格子１の製造方法と、これら実施例と比較する複数の比較例に係る火格子の製造方法とについて説明する。以下の実施例１〜５、並びに比較例１および２では、いずれも鋳造品５の成分が、Ｃが０．７５〜０．９５質量％、Ｃｒが２５．０〜２８．０質量％、Ｎが０．２〜０．３質量％、Ｓｉが１．５〜２．５質量％、Ｍｎが１．０質量％以下、Ｎｉが１．０質量％以下、Ｐが０．０４質量％以下、Ｓが０．０４質量％以下となる溶湯Ｍを使用した。また、いずれも、溶湯Ｍを１５３０〜１６００℃に加熱し、縦横が１１００ｍｍの金枠に入れた同一の鋳型１１を使用し、持湯量を約１００ｋｇとした。なお、製造された火格子１は、いずれも１つ当たり約３５ｋｇであった。

実施例１として、湯口１２側を湯道先１３側よりも５０ｍｍだけ高くした。すなわち、鋳型１１の勾配の角度θは２．６°である。
この場合における鋳造品５には、補修可能な僅かなガス欠陥が発生した。しかし、当該ガス欠陥を補修することで、良好な火格子１が得られた。

実施例２として、湯口１２側を湯道先１３側よりも９０ｍｍだけ高くした。すなわち、図６（ａ）に示すように、鋳型１１の勾配の角度θは４．７°である。
この場合における鋳造品５には、図６（ｂ）に示すように、ガス欠陥が発生しなかった。このため、良好な火格子１が得られた。

実施例３として、湯口１２側を湯道先１３側よりも１００ｍｍだけ高くした。すなわち、鋳型１１の勾配の角度θは５．２°である。
この場合における鋳造品５には、ガス欠陥が発生しなかった。このため、良好な火格子１が得られた。

実施例４として、湯口１２側を湯道先１３側よりも１５０ｍｍだけ高くした。すなわち、鋳型１１の勾配の角度θは７．８°である。
この場合における鋳造品５には、ガス欠陥が発生しなかった。このため、良好な火格子１が得られた。

実施例５として、湯口１２側を湯道先１３側よりも２５０ｍｍだけ高くした。すなわち、鋳型１１の勾配の角度θは１３．１°である。
この場合における鋳造品５には、ガス欠陥が発生しなかった。このため、良好な火格子１が得られた。
［比較例１］

比較例１として、湯口１２側と湯道先１３側との高さを同一にした。すなわち、図７（ａ）に示すように、鋳型１１に勾配を持たせておらず、鋳型１１を水平にした一般的な鋳造方法である。

この場合における鋳造品５の上面には、図７（ｂ）に示すように、補修できない程度の複数のガス欠陥Ｇが、前部２から後部４にかけて分散して発生した。
［比較例２］

比較例２として、湯道先１３側（湯口１２側ではない）を湯口１２側よりも９０ｍｍだけ高くした。すなわち、図８（ａ）に示すように、鋳型１１の勾配の角度θは−４．７°である。なお、湯道先１３側を上昇させた勾配は、押上げ勾配とも言われる。

この場合における鋳造品５の上面には、図８（ｂ）に示すように、補修できない程度の複数のガス欠陥Ｇが、前部２に集中して発生した。
以上の実施の形態および実施例で示すように、上記火格子１の製造方法によると、Ｎを含む高Ｃｒ鋼のように鋳造において多量のＮガスが発生し得る成分の溶湯Ｍであっても、鋳仕上げにより除去される部分にガスを逃がすので、耐摩耗性および高温耐食性を向上させるとともに、ガス欠陥の少ない火格子１を製造することができる。

ところで、上記実施の形態および実施例では、耐熱性鋳鋼の例として火格子１について説明したが、これに限定されるものではなく、他の耐熱性鋳鋼であってもよい。
また、上記実施の形態および実施例では、鋳枠１０の底に敷く鋳型定盤２１を湯口１２側と湯道先１３側とで高さを変えて鋳型１１に勾配を持たせたが、これは一例に過ぎず、鋳型１１自体を湯口１２側が高くなるように傾斜させて造形することで、鋳型１１に勾配を持たせてもよい。

さらに、上記実施の形態および実施例では、一例として、１つの湯口１２から火格子１の鋳造品５を２つ鋳造できる鋳型１１について説明したが、これに限定されるものではない。

Ｉごみ焼却炉
Ｗごみ
Ｆ炉床部
Ｍ溶湯
θ 角度
１火格子
２前部
３中間部
４後部
５鋳造品
６押湯
１１鋳型
１２湯口
１３湯道先
２１鋳型定盤

Claims

Ｃが０．７〜１．３質量％、Ｓｉが１．５〜２．５質量％、Ｃｒが２５〜３０質量％、およびＮが０．２〜０．３質量％を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物元素からなる耐熱性鋳鋼の製造方法であって、
湯口側を高くして角度が２°以上１３°以下となる勾配を持たせた鋳型に、溶湯を注湯して鋳造し、
鋳型に注湯する溶湯の温度が１５００℃以上１６２０℃以下であることを特徴とする耐熱性鋳鋼の製造方法。
耐熱性鋳鋼がごみ焼却炉に用いられる火格子であることを特徴とする請求項１に記載の耐熱性鋳鋼の製造方法。