JP5220595B2 - 蒸気タービンケーシング用Ｃｒ−Ｍｏ−１／４Ｖ鋳鋼品に対するニオブの添加 - Google Patents

Description

本発明はニオブを含む鋳鋼品に関するものである。

また、本発明は、蒸気タービンケーシングまたは弁ケーシング用のニオブを含むクロム−モリブデン−バナジウム鋳鋼品に関するものである。

鋼の機械的性質および溶接性を改善するために、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｂ等の各種合金元素が低合金鋼および高合金鋼に添加される。ＴｉとＮｂは炭化物形成元素として添加され、微細なマトリックス炭化物を形成することによって鋼合金を強化する。このマトリックス炭化物は転位との作用で亜結晶粒界に析出して、二次クリープ速度を低下させる。

現在、基材であるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼鋳造品が、最高約５４０℃までの、タービンケーシング用および鋳造弁用として使用されている。動力需要の増大とＣＯ_２放出の制限の故に、蒸気タービンの高効率化および高出力化に対する需要が増大している。このことは、コストを大幅に増大させずにタービン温度と圧力を増すことによって可能である。

したがって、本発明の目的は、周囲の高温、高圧力でより大きな機械的強度と延性を有するＮｂを含むクロム−モリブデン−バナジウム鋳鋼を提供することである。

本発明の別の目的は、高温下で、より大きなクリープ破断時間、破断伸び、および面積減少を有する、Ｎｂを含むクロム−モリブデン−バナジウム鋳鋼を提供することである。

本発明の更に別の目的は、高温、高圧力に曝されるタービンケーシングまたはその他の構成部品を製造するために使用可能なＮｂを含むクロム−モリブデン−バナジウム鋳鋼を提供することである。

本発明によれば、ニオブを含むクロム−モリブデン−バナジウム鋳鋼が提供される。具体的に云えば、本発明は、実質的に、０．０４〜０．０８重量％のニオブ、０．０８〜０．１２重量％の炭素、０．０１５重量％以下の硫黄、０．０２重量％以下の燐、０．３０〜０．６０重量％の珪素、０．５０〜０．８０重量％のマンガン、１．２０〜１．５０重量％のクロム、０．９０〜１．００重量％のモリブデン、０．２０〜０．３０重量％のバナジウム、偶発的不純物を除く残部としての鉄から成る耐熱性クロム−モリブデン−バナジウムを提供するものである。
以下、添付図面を見ながら本発明の細目について説明する。

本発明によれば、０．０４〜０．０８重量％のニオブを含むクロム−モリブデン−バナジウム（Ｃｒ‐Ｍｏ‐Ｖ）鋳鋼が提供される。
この鋳鋼は、０．０８〜０．１２重量％の炭素、０．０１５重量％またはそれ以下の硫黄、０．０２重量％またはそれ以下の燐、０．３０〜０．６０重量％の珪素、０．５０〜０．８０重量％のマンガン、１．２０〜１．５０重量％のクロム、０．９０〜１．００重量％のモリブデン、０．２０〜０．３０重量％のバナジウム、偶発的不純物を除く残部としての鉄を含み、これに０．０４〜０．０８重量％のニオブが添加されている。基材であるクロム−モリブデン−バナジウム鋳鋼は、鋳鋼の均熱化処理を施され、次いで０．０４〜０．０８重量パーセントのニオブが添加される。ニオブの添加は誘導溶解炉で行なわれる。

こうして用意されたニオブを含む鋳造品について、クリープ／応力破断、引っ張り強度を評価するための各種テストを行なった。

３種類の鋳造品が、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼に０．４〜０．８％のＮｂを添加することによって得られた。この鋼溶解品は、それぞれ、鋳造品Ｂ、鋳造品Ｃ、および、鋳造品Ｄと指定された。Ｎｂを含まない基材溶解材は鋳造品Ａと指定された。

Ａ：基材であるクロム−モリブデン−バナジウム鋳造品（Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳造品）
Ｂ：０．０４重量％のニオブを含むＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳造品。
Ｃ：０．０６％のニオブを含むＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳造品。
Ｄ：０．０８％のニオブを含むＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳造品。

鋳造品Ａの熱処理は、基材であるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼を９４０℃に３時間保持する溶体化と、その後の強制空冷によって行なわれた。その他の鋳造品Ｂ、Ｃ、およびＤについては、Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ−Ｎｂ鋼を１０４０℃に３時間保持する溶体化と、その後の強制空冷によって熱処理された。その後、全ての鋳造品は、７４０℃、５時間の焼き戻し処理を施され、次いで、３００℃まで炉中冷却され、さらに室温まで空冷された。

４つの鋳造品全ての成分を表１に示す。

Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ電極は、溶接用に使用された。溶接は、適切な数の試料を得るために、表２に詳細に示したプラントの実施法通りに、鋳造品に実行された。溶接性の検討を行なった。１８０℃曲げテストを用いた溶接性テストでは、４つの全鋳造品が合格した。

表２ 溶接作業の細目
予熱温度 ：３００℃（有効性：最低２４０℃）
パス間温度 ：４００℃（有効性：最高５００℃）
熱処理の状態 ：焼入れと、焼き戻しを施した
溶接後熱処理の種類 ：焼入れ、および焼き戻し
温度 ：ＷＱ‐９３０℃（９３０℃〜９５０℃で有効）
：Ｔ‐７２０℃（７１０℃〜７３０℃で有効）
時間 ：ＷＱ‐６時間、Ｔ‐８時間
電流範囲 ：直流１８０〜２２０アンペア
電圧範囲 ：２４〜２８Ｖ
極性 ：逆（ＤＣＥＰのみに有効）
継手準備 ：裏当てを用いて完全透過
溶接位置 ：根元面２ｍｍ、根元間隙５ｍｍ、
継ぎ目側角度１０°
一連の溶接 ：多層溶接

ニオブ（Ｎｂ添加）を含む場合と、含まない場合のＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋼から成る４つ全ての鋳造品に対して、硬度、衝撃、引っ張り力、熱間引っ張り力およびクリープ／応力破断試験を施した。クリープ／応力破断試験は、５２５℃、５５０℃、５７５℃および６００℃と、１００〜３００Ｍｐａで変化する応力で行なった。クリープ破断試験された材料は勿論のこと、受取ったままの材料にも、走査電子顕微鏡検査を含むマイクロ組織分析を行なった。

ニオブ添加物を含む１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼の、室温および高温引っ張り力について試験したが、それは普通のＣｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼よりも高い。Ｎｂ添加鋼の中で、０．０６％Ｎｂ鋼の引っ張り力が最も高いことが判った。

０．０６％および０．０８％Ｎｂを有する１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋳造品は、より高いクリープ破断特性（図３）を示す。これら鋳造品のクリープ延性は、普通の１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼よりも僅かに低い。

溶接継手試料についてのクリープ破断試験の結果に基づき、０．０６％Ｎｂを含む鋼の溶接継手は、普通の１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼、および、０．０４および０．０８％のＮｂを有するものよりも強いことが判った（表３、表４、および図３〜図８）。

Ｎｂ含有量を有する鋳造品は、高温で優れた機械的特性およびクリープ特性を示す。もしも、タービンケーシングがＮｂ含有鋼製であれば、蒸気の温度と圧力を増すことができる。また、鋼の溶接性も増し、修理作業を助けるだろう。

溶接継手を作成するために用いられる２重のＶ縁を示す模式図。 溶接作業を評価するための試料採取法を示す。 Ｎｂ量の異なる１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼溶接継手のラーソンミラーパラメータと応力の関係を示す。 Ｎｂ量の異なる１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼溶接継手のラーソンミラーパラメータと応力の関係を示す。 Ｎｂ量の異なる１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼溶接継手のラーソンミラーパラメータと伸び率の関係を示す。 Ｎｂ量の異なる１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼溶接継手のラーソンミラーパラメータと伸び率の関係を示す。 異なる試験条件で試験を行なった１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼のクリープ破断特性に及ぼすＮｂ量の効果を示す。 異なる試験温度において、２００ＭＰａで試験を行なった１Ｃｒ−１Ｍｏ−１／４Ｖ鋼のクリープ破断特性に及ぼすＮｂ量の効果を示す。

Claims (3)

1. クリープ破断特性に優れたＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼であって、
   ０．０８〜０．１２重量％の炭素、
   ０．０２重量％以下の硫黄、
   ０．０２４重量％以下の燐、
   ０．３０〜０．６０重量％の珪素、
   ０．５０〜０．８０重量％のマンガン、
   １．２０〜１．７０重量％のクロム、
   ０．９０〜１．１０重量％のモリブデン、
   ０．２０〜０．３０重量％のバナジウム、
   ０．０６〜０．０８重量％のニオブ、
   残部である鉄および不可避不純物
   からなるＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼。
2. 請求項１に記載されたＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼からなるタービンケーシング。
3. 請求項１に記載されたＣｒ−Ｍｏ−Ｖ鋳鋼からなる弁ケーシング。

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