JP6482404B2 - 火格子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼却炉で用いられ、鋳鋼製の本体部に肉盛溶接部が形成された火格子およびその製造方法に関するものである。

焼却炉として、図１に示すように、ごみＷを被焼却物として焼却するためのごみ焼却炉１がある。ごみ焼却炉１では、火格子１１が敷き詰められた炉床部３の上で、ごみＷが送り出されながら燃焼されて焼却灰となる。このため、火格子１１は、ごみＷの燃焼による高温の過酷な環境下で用いられるものである。また、焼却灰は、火格子１１の先端面で押し出されるとともに燃焼による熱で溶融するので、火格子１１の先端面に付着しやすい。したがって、火格子１１は、その先端面で腐食しやすくなるので、頻繁な交換が必要とされていた。

このような背景のもと、頻繁な交換を必要としない火格子として、腐食しやすい部分に肉盛り溶接をした火格子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の火格子は、肉盛り溶接により、腐食代となる肉盛溶接部を備えるものである。

特開２００２−１１５８３７号公報

そこで、本発明は、肉盛り溶接による溶接割れを発生しにくくすることで、溶接割れを防止するための予熱を省略することができる火格子およびそ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、第１の発明に係る火格子は、焼却炉の火格子であって、鋳鋼製の本体部と、この本体部に肉盛り溶接で形成された肉盛溶接部とを備え、
上記本体部が、Ｃを０．４質量％以下、Ｓｉを２．０質量％以下、Ｃｒを２４．０〜２６．０質量％、Ｎｉを５．０〜６．０質量％、Ｍｎを１．０質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、およびその他不可避的不純物を含有して、残部がＦｅからなり、
以下の式（１）および（２）により、Ｎｉ当量およびＣｒ当量を定義する場合、
Ｎｉ当量＝Ｎｉの含有量（質量％）＋０．５×Ｍｎの含有量（質量％）＋４．５・・・（１）
Ｃｒ当量＝Ｃｒの含有量（質量％）＋１．５×Ｓｉの含有量（質量％）・・・・・・・（２）
上記Ｃｒ当量に対するＮｉ当量が０．３５〜０．４５となるものである。

さらに、第２の発明に係る火格子は、第１の発明に係る火格子における肉盛溶接部の希釈率が、２０％以下であるものである。
加えて、第３の発明に係る火格子は、第２の発明に係る火格子における肉盛溶接部が、Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏを８０質量％以上含有するものである。
また、第４の発明に係る火格子の製造方法は、第１乃至第３のいずれかの発明に係る火格子の製造方法であって、
溶接ワイヤを用いるミグ溶接で、肉盛溶接部を肉盛り溶接で形成する工程を具備し、
上記溶接ワイヤが、ＣｒおよびＭｏを２５〜３５質量％含有するＮｉ基耐熱合金である。

上記火格子およびその製造方法によると、肉盛り溶接による溶接割れを発生しにくくすることで、溶接割れを防止するための予熱を省略することができる。

本発明の実施の形態に係る火格子が用いられるストーカ式のごみ焼却炉の概略構成図である。 同火格子の斜視図である。 同火格子の縦断面図である。 本発明品１のサンプルにおける金属組織を示す拡大写真である。 本発明品２のサンプルにおける金属組織を示す拡大写真である。 比較品１のサンプルにおける金属組織を示す拡大写真である。 比較品２のサンプルにおける金属組織を示す拡大写真である。 本発明品３の溶け込みを示す拡大写真である。 本発明品４の溶け込みを示す拡大写真である。

以下、本発明の実施の形態に係る焼却炉の火格子について説明する。
まず、上記火格子の一例として、図１に示すストーカ式のごみ焼却炉１で用いられる火格子１１について説明する。

このストーカ式のごみ焼却炉１は、図１に示すように、ごみＷが投入されるホッパー２と、このホッパー２から投入されたごみＷを送り出すとともに燃焼させて焼却灰にする炉床部３と、ごみＷを燃焼させた焼却灰を排出する排出口７とを備える。上記炉床部３は、ごみＷをホッパー２側から排出口７側に送り出しやすいように、排出口７側を低くして傾斜されている。上記炉床部３には、ごみＷの送り出し方向に沿った上流側から、ごみＷを乾燥させる乾燥段４と、この乾燥段４よりも一段低い位置でごみＷを燃焼させる燃焼段５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６とが形成されている。上記炉床部３には、多数の火格子１１が敷き詰められている。それぞれの火格子１１は、図１および図２に示すように、下流側の火格子１１（図２では火格子１１ａ）に部分的に重ねられるとともに、下流側を若干高くして傾斜されている。上記炉床部３のごみＷ（焼却灰）は、燃焼により高い腐食性をもつ溶融した焼却灰となり、火格子１１の往復移動により下流側に押し出される。

上記火格子１１は、図２の白抜き両矢印に示すように、上流側および下流側を往復移動することで、下流側の端面で上記焼却灰を押し出すように構成される。また、上記火格子１１は、図２および図３に示すように、鋳鋼製の本体部１２と、この本体部１２に肉盛り溶接で形成された肉盛溶接部１３とを備える。

上記本体部１２は、図２および図３に示すように、上記火格子１１の殆どを占めるものであり、また鋳鋼製とすることにより、上記火格子１１に要求される複雑な形状にすることを可能にしている。さらに、上記本体部１２は、上面が略平坦であり、下流側の火格子１１ａの上面に接する前部２３と、図１に示された炉床部３に支持される後部２１と、前部２３と後部２１との間に位置する中間部２２とから構成される。上記前部２３は、下流側の端面である平らな先端面３２と、先端面３２の上縁から後方に傾斜するように形成された傾斜面３１とを有する。

上記肉盛溶接部１３は、上記先端面３２、つまり本体部１２における下流側の端面を覆うように位置する。上記肉盛溶接部１３が無ければ、この先端面３２は上記焼却灰が付着して腐食されやすい箇所である。このため、上記肉盛溶接部１３は、上記本体部１２を被覆して腐食から保護する役割を有する。

以下、本発明の要旨である本体部１２の組成について詳細に説明する。
［本体部１２の組成］
上記本体部１２は、Ｃ（炭素）を０．４質量％以下、Ｓｉ（ケイ素）を２．０質量％以下、Ｃｒ（クロム）を２４．０〜２６．０質量％、Ｎｉ（ニッケル）を５．０〜６．０質量％、Ｍｎ（マンガン）を１．０質量％以下、Ｐ（リン）を０．０４質量％以下、Ｓ（硫黄）を０．０４質量％以下、およびその他不可避的不純物を含有して、残部がＦｅ（鉄）からなる。

Ｃは、高温強度および鋳造性の向上に有効であるが、耐食性および靭性の低下を防ぐために、０．４質量％を上限とする。
Ｓｉは、鋳造性および耐食性の向上に有効であるが、脆化を防ぐために、２．０質量％を上限とする。

Ｃｒは、従来の耐熱性鋳鋼と同レベルの耐食性および耐酸化性を維持するために、２４．０質量％を下限とする。また、Ｃｒは、多量に添加されるとフェライト組織（溶接割れの要因）を増大させるので、２６．０質量％を上限とする。

Ｎｉは、耐食性および耐酸化性の向上に有効であるとともに、オーステナイト組織（溶接割れ防止に寄与）を増大させる元素である。Ｎｉは、予熱なしの肉盛り溶接で溶接割れが発生しないために、５．０質量％を下限とし、耐摩耗性と費用対効果を考慮して、６．０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鋳鋼と同様に、鋳造性確保のために、通常混入する範囲内の不純物元素を許容可能である。上記不可避的不純物元素は、例えば、Ｍｎが１．０質量％程度、Ｐが０．０４質量％以下、およびＳが０．０４質量％以下であり、その他の元素も許容する。

上記本体部１２に含有されるＳｉおよびＣｒとＮｉおよびＭｎとは、さらに次の条件を満たす。すなわち、以下の式（１）および（２）により、Ｎｉ当量およびＣｒ当量を定義する場合、
Ｎｉ当量＝Ｎｉの含有量（質量％）＋０．５×Ｍｎの含有量（質量％）＋４．５・・・（１）
Ｃｒ当量＝Ｃｒの含有量（質量％）＋１．５×Ｓｉの含有量（質量％）・・・・・・・（２）
上記Ｃｒ当量に対するＮｉ当量（つまりＮｉ当量／Ｃｒ当量）が０．３５〜０．４５となる条件である。なぜなら、この条件を満たすことにより、上記本体部１２において、オーステナイト組織の面積とフェライト組織の面積とが略均衡するので、すなわち、オーステナイト組織とフェライト組織との面積比が４：６〜６：４となるので、上記肉盛り溶接により希釈されても溶接割れ（低温割れ）が発生しにくくなるからである。

本発明における上述したＣｒ当量に対するＮｉ当量の条件は、ステンレス鋼の特性に似た特性が鋳鋼（上記本体部１２を構成する）にも現れることを、本発明者が見出したものである。ここで、上記ステンレス鋼の特性は、公知のシェフラー組織図に示されるように、Ｃｒ当量に対するＮｉ当量が大きくなるとフェライト組織に対するオーステナイト組織の面積比も大きくなるというものである。

以下、本発明の好ましい要件である肉盛り溶接の条件、および肉盛溶接部１３の希釈率ならびに組成について詳細に説明する。
［肉盛り溶接の条件］
上記肉盛り溶接は、溶接ワイヤを用いるミグ溶接である。なぜなら、ミグ溶接とすることで、自動化によるコストダウンおよび十分な品質が確保されるからである。

肉盛り溶接に用いられる溶接ワイヤは、ＣｒおよびＭｏを２５〜３０質量％含有するＮｉ基耐熱合金である。なぜなら、Ｎｉ基耐熱合金は、そのＮｉが焼却灰に含まれるＣｌと反応しにくいので、十分な耐食性を期待できるからである。また、上記溶接ワイヤは、ＣｒおよびＭｏを２５質量％以上含有することにより、純粋なＮｉよりも耐食性が一層向上し、ＣｒおよびＭｏを３５質量％未満含有することにより、炭化物や金属間化合物の析出を原因とする耐食性の低下や脆化が防止されるからである。

上記肉盛り溶接のさらなる条件、例えば、溶接ワイヤの径、ミグ溶接のための電流ならびに電圧、溶接速度、およびウィービング周波数ならびに幅は、適宜選択される。これら条件の具体例は、溶接ワイヤの径が１．２ｍｍ、ミグ溶接のための電流が１７０〜１８０Ａ、ミグ溶接のための電圧が１８〜２２Ｖ、溶接速度が１５０〜２５０ｍｍ／ｍｉｎ、ウィービング周波数が３．５〜４．５Ｈｚ、およびウィービング幅が７．０〜８．０ｍｍである。

［肉盛溶接部１３の希釈率］
上記肉盛溶接部１３の希釈率は、２０％以下である。なぜなら、肉盛溶接部１３は、希釈率が高ければ、上記本体部１２に希釈されて耐食性が低下するからである。

［肉盛溶接部１３の組成］
上記肉盛溶接部１３は、Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏを８０質量％以上含有する。なぜなら、これらＮｉ，ＣｒおよびＭｏは耐食性の向上に寄与する元素なので、これらＮｉ，ＣｒおよびＭｏを十分に（８０質量％以上）含有することにより、耐食性がさらに向上するからである。

以下、上記火格子１１の製造方法について説明する。
まず、本体部１２の鋳型に注湯することで、本体部１２が鋳造される。この注湯は、鋳造される本体部１２の組成が上述した条件を満たすように調整される。鋳造された本体部１２は、溶接割れが発生しにくいので、溶接割れを防止するための予熱の省略が可能である。このため、予熱なしに先端面３２に肉盛り溶接をする。これにより、本体部１２の先端面３２に肉盛溶接部１３が形成されることで、火格子１１が完成する。

このように、上記火格子１１によると、肉盛り溶接による溶接割れ（低温割れ）が発生しにくくなるので、溶接割れを防止するための予熱を省略することができる。
また、上記肉盛り溶接が溶接ワイヤを用いるミグ溶接とし、当該溶接ワイヤがＣｒおよびＭｏを２５〜３５質量％含有するＮｉ基耐熱合金であることにより、自動化によるコストダウンを図ることができ、さらに、十分な品質が確保されることで火格子１１の耐久性を向上させることができる。

加えて、上記肉盛溶接部１３の希釈率が２０％以下であることにより、肉盛溶接部１３が肉盛り溶接による悪影響を受けないので、上記肉盛溶接部１３の耐久性が向上し、結果として火格子１１の耐久性を向上させることができる。

また、上記肉盛溶接部１３がＮｉ，ＣｒおよびＭｏを８０質量％以上含有することにより、上記肉盛溶接部１３の耐食性が向上するので、火格子１１の耐久性を向上させることができる。

実施例１として、本発明品１および本発明品２を製造した。これら本発明品１および本発明品２との比較のために、比較品１および比較品２も製造した。これら本発明品１および２と、比較品１および２とは、いずれも長さが２００ｍｍ、幅が１５０ｍｍ、厚さが４０ｍｍの直方体にされたサンプルを本体部１２として、予熱なしに肉盛り溶接をしたものである。本発明品１および２と、比較品１および２との全てのサンプルの組成は、次の表１に示す通りである。この表１に示すように、本発明に係る本体部１２の組成と比べて、比較品１のサンプルではＮｉを少なくし、比較品２のサンプルではＣｒを多くした。

上記式（１）および（２）により算出されるＣｒ当量に対するＮｉ当量は、本発明品１だと０．３８５、本発明品２だと０．３６４、といずれも本発明の範囲（０．３５〜０．４５）内であり、比較品１だと０．１８８、比較品２だと０．３２９、といずれも本発明の範囲外であった。

上記サンプルにされた肉盛り溶接は、いずれも、溶接ワイヤを用いるミグ溶接とした。この溶接ワイヤは、いずれも、Ｎｉを６１質量％、Ｃｒを２２質量％、およびＭｏを９質量％含有するＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５）とし、言い換えれば、ＣｒおよびＭｏを３１質量％含有するＮｉ基耐熱合金とした。また、いずれも、溶接ワイヤの径を１．２ｍｍ、ミグ溶接のための電流を１６０Ａ、ミグ溶接のための電圧を１８Ｖ、溶接速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ、ウィービングの周波数２．５Ｈｚ、およびウィービング幅を７．５ｍｍとした。

図４および図５に上記本発明品１および２の拡大写真を示し、図６および図７に上記比較品１および２の拡大写真を示す。図４および図５に示すように、上記本発明品１および２では、オーステナイト組織Ａの面積とフェライト組織Ｆの面積とが略均衡し、本発明品１におけるオーステナイト組織Ａの面積率は５７．７％となり、本発明品２におけるオーステナイト組織Ａの面積率は４６．４％となった。これに対して、図６および図７に示すように、上記比較品１および２では、オーステナイト組織Ａの面積に比べてフェライト組織Ｆの面積が遥かに大きくなり、比較品１では全てがフェライト組織Ｆとなり、比較品２におけるオーステナイト組織Ａの面積率は１０．９％となった。

このため、予熱なしの肉盛り溶接の際に、上記本発明品１および２だと溶接割れが発生しなかったが、上記比較品１および２だと溶接割れが発生した。
このように、本体部１２の組成および肉盛り溶接の条件を本実施例１の通りにすることで、上記本体部１２において、オーステナイト組織Ａの面積とフェライト組織Ｆの面積とが略均衡するので、上記肉盛り溶接により希釈されても溶接割れ（低温割れ）が発生しにくくなり、結果として溶接割れを防止するための予熱を省略することができた。

実施例２として、本発明品３を製造し、この本発明品３の比較のために本発明品４も製造した。これら本発明品３および４は、実施例１と同様に、いずれも長さが２００ｍｍ、幅が１５０ｍｍ、厚さが４０ｍｍの直方体にされたサンプルを本体部１２として、予熱なしに肉盛り溶接をしたものである。なお、本発明品３のサンプルおよび本発明品４のサンプルは、いずれも、本発明に係る本体部１２の組成の範囲内とした。

上記サンプルにされた肉盛り溶接は、実施例１と同様に、いずれも、溶接ワイヤを用いるミグ溶接とした。この溶接ワイヤも、実施例１と同様のものとし、いずれも、ＣｒおよびＭｏを３１質量％含有するＮｉ基耐熱合金（インコネル６２５）とした。また、いずれも溶接ワイヤの径を１．２ｍｍ、溶接速度を２００ｍｍ／ｍｉｎ、およびウィービング幅を７．０ｍｍとした。その他の溶接条件は、本発明品３と本発明品４とで異なるので、分かりやすくするために次の表２に示す。

上記本発明品３は、希釈率が１３．５％程度となり、図８に示すように、肉盛り溶接により形成された部分１３Ｔ（肉盛溶接部１３に相当）のサンプル１２Ｔ（本体部１２に相当）への溶け込みが小さくなった。このため、Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏを９２質量％含有する上記溶接ワイヤが大きく希釈されなかったので、本発明品３の肉盛り溶接により形成された部分１３Ｔは、Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏを８４質量％含有するものとなった。これに対して、上記本発明品４は、希釈率が２６．４％程度となり、図９に示すように、肉盛り溶接により形成された部分６３Ｔ（肉盛溶接部１３に相当）のサンプル６２Ｔ（本体部１２に相当）への溶け込みが大きくなった。このため、Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏを９２質量％含有する上記溶接ワイヤが大きく希釈されたので、本発明品４の肉盛り溶接により形成された部分６３Ｔは、Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏを７６質量％含有するものとなった。

したがって、耐食性の向上に寄与する元素であるＮｉ，ＣｒおよびＭｏは、本発明品３の肉盛り溶接により形成された部分１３Ｔだと十分に（８０質量％以上）含有されたのに対し、本発明品４の肉盛り溶接により形成された部分６３Ｔだと十分に（８０質量％以上）含有されなかった。

このように、肉盛り溶接の条件を本発明品３の通りにすることで、耐食性の向上に寄与する元素であるＮｉ，ＣｒおよびＭｏが肉盛り溶接により形成された部分１３Ｔ（肉盛溶接部１３に相当）に十分に（８０質量％以上）含有されたので、火格子１１の耐久性を一層向上させることができた。

ところで、上記実施の形態では、ストーカ式のごみ焼却炉１で用いられる火格子１１について説明したが、焼却炉の火格子に用いられるものであればよい。

Ｗ ごみ
１ ごみ焼却炉
２ ホッパー
３ 炉床部
４ 乾燥段
５ 燃焼段
６ 後燃焼段
７ 排出口
１１ 火格子
１２ 本体部
１３ 肉盛溶接部
２１ 後部
２２ 中間部
２３ 前部
３１ 傾斜面
３２ 先端面

Claims (4)

1. 焼却炉の火格子であって、鋳鋼製の本体部と、この本体部に肉盛り溶接で形成された肉盛溶接部とを備え、
   上記本体部が、Ｃを０．４質量％以下、Ｓｉを２．０質量％以下、Ｃｒを２４．０〜２６．０質量％、Ｎｉを５．０〜６．０質量％、Ｍｎを１．０質量％以下、Ｐを０．０４質量％以下、Ｓを０．０４質量％以下、およびその他不可避的不純物を含有して、残部がＦｅからなり、
   以下の式（１）および（２）により、Ｎｉ当量およびＣｒ当量を定義する場合、
   Ｎｉ当量＝Ｎｉの含有量（質量％）＋０．５×Ｍｎの含有量（質量％）＋４．５・・・（１）
   Ｃｒ当量＝Ｃｒの含有量（質量％）＋１．５×Ｓｉの含有量（質量％）・・・・・・・（２）
   上記Ｃｒ当量に対するＮｉ当量が０．３５〜０．４５となることを特徴とする火格子。
2. 肉盛溶接部の希釈率が、２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の火格子。
3. 肉盛溶接部が、Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏを８０質量％以上含有することを特徴とする請求項２に記載の火格子。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の火格子の製造方法であって、
   溶接ワイヤを用いるミグ溶接で、肉盛溶接部を肉盛り溶接で形成する工程を具備し、
   上記溶接ワイヤが、ＣｒおよびＭｏを２５〜３５質量％含有するＮｉ基耐熱合金であることを特徴とする火格子の製造方法。