JP6015681B2

JP6015681B2 - 転炉ｏｇ設備のボイラもしくは水冷パネルの製造方法及び転炉ｏｇ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化方法

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Publication number: JP6015681B2
Application number: JP2014010039A
Authority: JP
Inventors: 政紀村井; 今村　元己; 元己今村; 神山　朋典; 朋典神山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: JP2015137398A

Description

本発明は、転炉での脱炭精錬時に転炉から発生する、一酸化炭素を主成分とする排ガスを燃焼させずに回収するＯＧ設備（非燃焼式排ガス処理設備）のボイラもしくは水冷パネルに関し、また、ボイラもしくは水冷パネルを長寿命化する方法に関する。

溶銑の脱炭精錬に用いられる転炉には、脱炭精錬時に転炉から排出される一酸化炭素を主成分とする排ガスを回収し、回収した排ガス中のダストを除去し、ダストを除去した後の排ガスを燃料ガスとして再利用するための設備として、ＯＧ設備が設置されている。このＯＧ設備は、排ガスを回収するための煙道（ダクト）を有しており、この煙道の下端側には、転炉の炉口を向いて開口する円筒状のボイラもしくは水冷パネルが設置されている。ボイラもしくは水冷パネルの外周には、昇降可能な円筒状のスカートが設置され、スカートを昇降させることで、精錬中の転炉炉口とボイラもしくは水冷パネルとの間の間隙からの排ガスの流出を防止している。

精錬中の転炉からの排ガスの温度は１６００℃を超える温度にも達し、また、転炉炉口からの輻射熱の影響もあることから、ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルは、一般的に、内部冷却型の複数の鋼製のチューブを放熱用の鋼製のフィンによって相互に接合し、全体として円筒状となるように形成された構造となっている。チューブの内部を循環する冷却水は高温となることから、この熱を回収する設備がボイラであり、単に冷却する設備が水冷パネルである。

転炉からの排ガスには、飛散した鉄粒やスラグ粒などからなるダストが含まれており、このダストがボイラもしくは水冷パネルを形成するチューブ及びフィンに衝突する。このダストの衝突によってチューブ及びフィンは次第に摩耗し、時間の経過に伴ってチューブ及びフィンの減肉が生じる。特に、内部水冷構造のチューブは、高温の排出ガスや転炉の輻射熱による繰り返しの熱衝撃を受けやすく、この熱衝撃に起因してチューブに亀裂や割れが生じるという場合もあり、チューブが破損して冷却水が漏れ出る危険性もある。

これに対処するために、ボイラもしくは水冷パネルのメンテナンスを定期的に行い、補修作業者がチューブ及びフィンの傷みの状況を確認しながら、肉厚が減少した部分については肉盛り溶接したり新品と交換したりしていた。この補修作業は精錬の合間や転炉の修理期間内に実施しており、転炉設備の稼働率を低下させるのみならず、安定操業上に問題があった。

そこで、ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化を目的とする幾つかの提案がなされている。例えば、特許文献１には、チューブ及びフィンの表面に、Ｃ：０．０３〜０．３質量％、Ｓｉ：０．２〜１．２質量％、Ｍｎ：０．３〜２．６質量％、Ｎｉ：０．１〜６．０質量％、Ｃｒ：８．０〜１５．０質量％、Ｍｏ：０．０５〜４．０質量％、Ｖ：０．１〜３．０質量％を含有し、残部をＦｅとする高合金鋼を、その厚みが０．５〜１．５ｍｍとなるように肉盛り溶接して、チューブ及びフィンを保護する技術が提案されている。

また、特許文献２には、チューブ及びフィンの表面にインコネル系溶接金属を肉盛り溶接して補修するチューブの補修方法が提案されている。

特許文献１及び特許文献２によれば、チューブの表面にチューブを構成する鋼よりも耐熱性、耐摩耗性及び耐食性に優れた金属を肉盛り溶接することで、チューブを長寿命化できるとしている。

特開昭６４−５５３２０号公報特開２０１０−２３５９８２号公報

しかしながら、上記従来技術には以下の問題がある。

即ち、特許文献１は、肉盛り溶接用の金属として上記の高合金鋼を選定しているが、この高合金綱は、インコネル系合金（ニッケル基合金）に比較して、高温域での強度及び耐摩耗性に劣り、長期間にわたって無補修でチューブを使用することは極めて困難である。

一方、特許文献２は、肉盛り溶接用の金属としてインコネル系合金を選定しているが、肉盛り層の厚みはどの程度が最適であるのか、肉盛り層の厚みの変動幅はどの程度まで許容されるかなどについて、具体的に記載していない。本発明者らは、肉盛り層の厚みが適正でない場合や厚みの変動幅が大きい場合には、肉盛り溶接用の金属としてインコネル系合金を使用しても、肉盛り層に割れが発生し、チューブの長寿命化が達成できないことを確認している。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、長期間の耐用を可能とする転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルを提供することであり、また、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの寿命を延長するための長寿命化方法を提供することである。

上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［１］複数の鋼製のチューブが鋼製のフィンによって相互に接合され、全体として円筒状となるように形成された転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルであって、前記チューブ及び前記フィンの転炉からの排ガスの通過面側に、厚みが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるインコネル系合金の肉盛り層が形成されていることを特徴とする、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネル。
［２］前記肉盛り層は、その厚みの変動幅が任意の方向の５ｍｍの範囲内で０．５ｍｍ以下であることを特徴とする、上記［１］に記載の転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネル。
［３］複数の鋼製のチューブが鋼製のフィンによって相互に接合され、全体として円筒状となるように形成された転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化方法であって、前記チューブ及び前記フィンの転炉からの排ガスの通過面側にインコネル系合金を肉盛りし、その後、肉盛り層の厚みが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下となるように、肉盛り層を表面研磨することを特徴とする、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化方法。
［４］前記肉盛り層の厚みの変動幅が任意の方向の５ｍｍの範囲内で０．５ｍｍ以下となるように表面研磨することを特徴とする、上記［３］に記載の転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化方法。

本発明によれば、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの内表面でのインコネル系合金の肉盛り層の厚みを１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とするので、使用中における肉盛り層に負荷される応力を軽減することができ、これにより、インコネル系合金の肉盛り層での亀裂・割れの発生が抑制されて、チューブの寿命を従来に比較して大幅に延ばすことが実現される。

肉盛り層の厚みを変化させ、そのときの肉盛り層の熱衝撃応力による疲労寿命を推定した計算結果を示す図である。転炉ＯＧ設備のボイラの一部分の横断面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明者らは、複数の鋼製のチューブを鋼製のフィンによって相互に接合し、全体として円筒状となるように形成された、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの寿命を延ばすことを目的として、ボイラもしくは水冷パネルの内面側にインコネル系合金を肉盛りする試験を実施した。肉盛りしない母材単体のチューブの耐用年数は経験的に約８年間であり、インコネル系合金を肉盛りすることで１２年間以上の耐用年数を得ることを期待して試験した。

肉盛り金属として使用したインコネル系合金はインコネル６２５（Alloy６２５）であり、チューブとして使用した鋼管は、JIS G 3461 (2005)で規定されるボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管（ＳＴＢ４１０、外径３８．１ｍｍ、厚み４．０〜５．０ｍｍ）であり、フィンは、ＳＴＢ４１０に相当する化学成分のJIS G 4052 (2003)で規定される厚み６．０ｍｍの構造用鋼鋼材（例えばＳＭｎ４２０Ｈ）である。インコネル系合金の肉盛りは肉盛り溶接で行い、肉盛り層の厚みは２．０ｍｍ超え３．０ｍｍ以下とした。ＳＴＢ４１０及びインコネル６２５の化学成分及び機械的性質を下記の表１に示す。

しかしながら、インコネル６２５を肉盛りしたにも拘わらず、実機に設置後、早い場合には、６ヶ月経過した時点で、肉盛り層に亀裂が発生した。その亀裂が母材のチューブにまで達成する場合も発生し、この場合には、チューブ母材単体の耐用年数である約８年間をも達成することができない。

この原因を解明するべく、伝熱計算手法及び応力計算手法を用いて、脱炭精錬での昇熱（精錬開始に該当）から冷却（精錬終了後）までの１サイクルにおける肉盛り層に負荷される熱応力を算出し、応力値の振幅（最大値と最小値との差）を求め、求めた応力値の振幅を、ＪＩＳによって鋼種別に定められている使用疲労曲線に照らし合わせ、肉盛り層の熱衝撃応力による疲労寿命を推定した。計算は、インコネル６２５とＳＴＢ４１０との溶け込み層は存在しない理想的な形態とし、肉盛り層の厚みを、０ｍｍ（ケース１）、１．０ｍｍ（ケース２）、２．０ｍｍ（ケース３）、３．０ｍｍ（ケース４）、及び、２．０ｍｍから３．０ｍｍの範囲で厚みが変動している場合（ケース５）の合計５水準で実施した。図１及び表２に計算結果を示す。

表２に示すように、肉盛り層の厚みが０ｍｍの場合、つまり、母材単体のチューブの耐用回数計算値は５．７×１０⁴回であり、この値は上記の約８年間（15ch/日×365日/年×8年=43800ch）の使用回数と概ね一致しており、計算結果は十分に信頼できるものであることが確認できた。

また、図１及び表２に示すように、インコネル６２５の肉盛り層の厚みが１．０ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍの場合で比較すると、肉盛り層の厚みが１．０ｍｍの場合に、応力振幅値が最も小さくなり、熱応力による疲労破壊までの繰り返し数が最も長くなることがわかった。一方、肉盛り層の厚みが３．０ｍｍの場合には、肉盛り層が形成されていない母材単体のチューブよりも疲労破壊までの繰り返し数が短くなることがわかった。また、肉盛り層の厚みが２．０ｍｍから３．０ｍｍの範囲で変動している場合には、疲労破壊までの繰り返し数が更に短くなることがわかった。

肉盛り層の厚みが３．０ｍｍの場合に寿命が短くなる理由は、インコネル６２５の熱伝導率はＳＴＢ４１０などの炭素鋼に比較して小さく、肉盛り層が３．０ｍｍの場合には、精錬時、肉盛り層の外周部は高温となり、一方、肉盛り層のチューブとの接合面は冷却水により冷却されていることから、肉盛り層内の温度勾配が大きくなり、これにより過大な熱応力が発生することに起因すると考えられる。また、精錬終了後は肉盛り層の周囲の雰囲気（大気）の温度が低く、内部から冷却されることもあって、肉盛り層の外周部は急減に温度が低下し、これに伴って過大な熱応力が発生することも寿命が短くなる理由であると考えられる。

また、肉盛り層の厚みが２．０ｍｍから３．０ｍｍの範囲で変動している場合に更に寿命が短くなる理由は、肉盛り層厚みの異なる部位に、熱応力が集中することに起因すると考えられる。このことから、肉盛り層の厚みが均一であるほど、肉盛り層の寿命が延びることが確認できた。

尚、肉盛り層の厚みがゼロの場合に最も応力振幅値は小さくなるが、チューブの母材は炭素鋼であり、炭素鋼の引張り強度はインコネル６２５の引張り強度に比較して低く、これが、母材のみの繰り返し数が、肉盛り層の厚みが１．０ｍｍの場合に比較して小さくなる理由である。

本発明は、上記検討結果に基づいてなされたものであり、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルを形成するチューブ及びフィンの転炉からの排ガスの通過面側に、厚みが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるインコネル系合金の肉盛り層を形成することを必須の条件とする。

以下、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの内表面にインコネル系合金の肉盛り層を形成する方法を具体的に説明する。ここでは、ボイラの場合について説明するが、水冷パネルの場合もボイラと同様にすればよい。図２は、転炉ＯＧ設備のボイラの一部分の横断面図である。

図２に示すように、転炉ＯＧ設備のボイラ１は、複数のチューブ２を鋼製のフィン３で相互に接合し、全体として円筒状となるように形成されている。チューブ２とフィン３とは、溶接金属４により接合されている。このように構成されるボイラ１の転炉からの排ガスの通過面側に、インコネル系合金の肉盛り層５を形成する。肉盛り層５は溶接手法或いは溶射手法によって形成するが、投入熱量が少なく、溶接されるインコネル系合金のチューブ２への溶け込み量を少なくすることができることから、溶接手法を用いることが好ましい。

肉盛り層５を形成するインコネル系合金としては、インコネル６２５に限らず、インコネル６００、インコネル７１８、インコネルＸ７５０など、種々のインコネル系合金を使用することができる。

本発明では、肉盛り層５の厚みを１．０〜２．０ｍｍの範囲に規定するが、これは肉盛り層５の表面を研磨した後の厚みである。従って、肉盛り施工直後の肉盛り層５の厚みをおよそ１．５〜２．５ｍｍとし、これを肉盛り層５の厚みが１．０〜２．０ｍｍの範囲となるまで、表面研磨する。表面研磨はグラインダーなどで行う。表面研磨により、肉盛り施工時のビードによる凹凸が除去され、凹部での熱応力の集中が妨げられる。つまり、少なくとも、肉盛り施工時のビードによる凹凸が除去されるまで、表面研磨を実施する。

また、肉盛り層５の厚みが均一であるほど、熱応力の集中が少なく発生する熱応力が小さくなるので、つまり、耐用回数が延びるので、表面研磨の際には、肉盛り層５の厚みが均一となるように研磨する。具体的には、肉盛り層５の厚みの変動幅が任意の方向の５ｍｍの範囲内で０．５ｍｍ以下となるように表面研磨することが好ましい。

チューブ２として使用する鋼管としては、上記のJIS G 3461 (2005)で規定されるボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管以外に、ボイラ・熱交換器用合金鋼管（JIS G 3462 (2004)）、ボイラ・熱交換器用ステンレス鋼鋼管（JIS G 3463 (2006)）などを使用することができる。

以上説明したように、本発明によれば、転炉ＯＧ設備のボイラ１もしくは水冷パネルの転炉からの排ガスの通過面側に、厚みが１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であるインコネル系合金の肉盛り層５を形成するので、それぞれ熱伝導率の異なるチューブ２にインコネル系合金の肉盛り層５が形成されたときの熱衝撃による繰り返し応力を最も低くすることができ、肉盛り層５における亀裂・割れの発生を長期間にわたって防止することが実現される。これにより、肉盛り層５の内部のチューブ２は肉盛り層５によって保護され、チューブ２は長期間の耐用が可能となる。

転炉ＯＧ設備のボイラの転炉からの排ガスの通過面側に、厚みが約２．２ｍｍとなるように、インコネル６２５を肉盛り溶接した。その後、肉盛り層の表面をグラインダーで研磨し、肉盛り層の厚みを１．７ｍｍとした。チューブは、外径が３８．１ｍｍ、厚みが５．０ｍｍのボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管（ＳＴＢ４１０）である。肉盛り層厚みの測定は、超音波探傷による反射エコーから肉盛り層を含めた厚みを求め、求めた値からチューブの肉厚を差し引いた値から求めた。また、このようにして求めた肉盛り層の厚みから、厚みの変動幅を求めた。その結果、厚みの変動幅は、任意の方向の５ｍｍの範囲内で０．５ｍｍ以下であることを確認した。

このようにして構成した転炉ＯＧ設備のボイラを実機転炉に設置した。転炉に設置して２５ヶ月が経過した時点で肉盛り層の表面を調査した結果、それ以前全く補修していないにも拘わらず、亀裂及び割れは全く発生しておらず、長期間の耐用が可能であることが確認できた。

前述したように、インコネル６２５の肉盛り層の厚みを２．０ｍｍ超え３．０ｍｍ以下とした試験では、６ヶ月経過した時点で、肉盛り層に亀裂が発生しており、本発明を適用することで、インコネル６２５からなる肉盛り層の長寿命化が期待できることが確認できた。

１ボイラ
２チューブ
３フィン
４溶接金属
５肉盛り層

Claims

複数の鋼製のチューブが鋼製のフィンによって相互に接合され、全体として円筒状となるように形成された転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの製造方法であって、
前記チューブ及び前記フィンの転炉からの排ガスの通過面側にインコネル系合金を肉盛り溶接し、その後、肉盛り溶接した肉盛り層に形成されたビードの凹凸を表面研磨で除去して、前記肉盛り層の厚みを１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることを特徴とする、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの製造方法。
前記肉盛り層は、その厚みの変動幅が任意の方向の５ｍｍの範囲内で０．５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの製造方法。
複数の鋼製のチューブが鋼製のフィンによって相互に接合され、全体として円筒状となるように形成された転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化方法であって、前記チューブ及び前記フィンの転炉からの排ガスの通過面側にインコネル系合金を肉盛り溶接し、その後、肉盛り溶接した肉盛り層に形成されたビードの凹凸を表面研磨で除去して、前記肉盛り層の厚みを１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることを特徴とする、転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化方法。
前記肉盛り層の厚みの変動幅が任意の方向の５ｍｍの範囲内で０．５ｍｍ以下となるように表面研磨することを特徴とする、請求項３に記載の転炉ＯＧ設備のボイラもしくは水冷パネルの長寿命化方法。