JP6954204B2

JP6954204B2 - 搬送部材、その搬送部材の補修方法及びその搬送部材の製造方法

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Publication number: JP6954204B2
Application number: JP2018060975A
Authority: JP
Inventors: 東田　泰斗; 泰斗東田; 貴司山口
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2021-10-27
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Description

本発明は、搬送部材、その搬送部材の補修方法及びその搬送部材の製造方法に関し、特に、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材、その搬送部材の補修方法及びその搬送部材の製造方法に関する。

鋼管（炭素鋼、ステンレス鋼及び合金鋼等の鋼管を含む）の製造プロセスにおいて、加熱炉は不可欠である。加熱炉は、焼入れ、焼戻し又はその他の熱処理のために鋼管を加熱する。このような鋼管用加熱炉として、ウォーキングビーム式加熱炉が用いられる場合がある。鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉（以下、単に「加熱炉」ともいう。）では、複数のウォーキングビームによって、被加熱材（すなわち鋼管）が被加熱材の軸方向と垂直な方向（横方向）に搬送される。

ここで、ウォーキングビームは、被加熱材と接触して被加熱材を支持する複数の搬送部材を含む。加熱炉内において、被加熱材が高温になることに伴って、被加熱材の表面で酸化スケールが発生する。酸化スケールはしばしば搬送部材の上面に付着して堆積する。酸化スケールの付着及び堆積が繰り返されると、搬送部材の上面に固い突起物が形成される。この突起物が形成される現象はビルドアップと称される。ビルドアップが過剰になれば、被加熱材の搬送中に突起物が被加熱材の外面に接触する。その結果、被加熱材の外面に凹み疵が発生する。被加熱材の凹み疵は製品管に残存し、製品管の外面品質が損なわれる。そのため、ビルドアップの抑制が望まれる。

特開２０１０−１３６９８号公報（特許文献１）は、長尺の被加熱材（鋼管）を被加熱材の軸方向に搬送しながら加熱する技術を開示する。特許文献１に開示された技術では、被加熱材はローラによって搬送される。ローラの耐ビルドアップ性を高めるため、プラズマ粉体肉盛法により、ローラの表面に皮膜が形成される。この皮膜は、Ｃｏ基合金又はＮｉ基合金をマトリクスとし、Ｃｒ炭化物粒子を分散相とする複合皮膜である。

また、特開２０００−３１９７２０号公報（特許文献２）は、長尺の被加熱材（鋼管）をウォーキングビームによって搬送しながら加熱する技術を開示する。特許文献２に開示された技術では、ウォーキングビームの搬送部材（ポケットと称される被加熱材と接触する部分）に、ハンド溶射により３つの層が順に形成される。１層目はＣｏＣｒＡｌＹ系の溶射皮膜であり、その厚みは５０±２０μｍとされる。２層目はＣｏＣｒＡｌＹ＋Ａｌ_２Ｏ_３系の溶射皮膜であり、その厚みは１００±２０μｍとされる。３層目はＺｒＯ_２Ｙ_２Ｏ_３＋２５（Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｒＯ_２）系の溶射皮膜であり、その厚みは１５０±３０μｍとされる。そして、グラインダーバフ処理等の表面仕上げ処理により、３層目の溶射皮膜の表面粗さはＲａで７〜９μｍとされる。

特許文献１に開示された技術では、ビルドアップが過剰になった場合、ローラを補修する。この場合、ローラを加熱炉から取り出して、プラズマ粉体肉盛法により複合皮膜を再生する。プラズマ粉体肉盛法に使用される装置は、容易に運搬できない大規模な装置だからである。また、ローラは大きな部品ではないため、ローラを加熱炉から取り出すことは容易い。

しかしながら、ウォーキングビームは、ローラと比較して、遙かに長くて大きな部品である。そのため、かなりの時間と労力をかけなければ、ウォーキングビームを加熱炉から取り出すことはできない。したがって、特許文献１に開示されるプラズマ粉体肉盛法は、ウォーキングビームの補修に適さない。

これに対して、特許文献２に開示された技術では、ビルドアップが過剰になった場合、ウォーキングビームを加熱炉内に設置したままの状態で補修を行って、３層構造の溶射皮膜を再生する。特許文献２に開示された溶射に使用される装置は、容易に運搬できるコンパクトな装置だからである。

しかしながら、特許文献２に開示された技術では、各々の材質及び厚みが制限された３つの溶射皮膜を形成する必要がある。そのため、溶射そのものに要する時間及び皮膜の厚み測定に要する時間は計り知れない。さらに３層構造の溶射皮膜を形成するために、溶射施工の工数が多い。また、１層目及び２層目の皮膜の合計厚みが同じレベルで、且つ３層目の皮膜の厚みが同じレベルであっても、ビルドアップの抑制効果が認められない場合があった。要するに、特許文献２に開示される技術では、ビルドアップの抑制を十分に図れない。

特開２０１０−１３６９８号公報特開２０００−３１９７２０号公報

本発明は上記の実情に鑑みてなされたものである。本発明の１つの目的は、ビルドアップを十分に抑制できる、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材を提供することである。また、本発明の他の目的は、そのような特性を有する搬送部材の補修を容易に行える、搬送部材の補修方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、そのような特性を有する搬送部材を容易に製造できる、搬送部材の製造方法を提供することである。

本発明の実施形態による搬送部材は、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材である。搬送部材は、基台と、基台の上面を覆う第１の溶射皮膜と、第１の溶射皮膜の表面を覆う第２の溶射皮膜と、を備える。第１の溶射皮膜は、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる。第２の溶射皮膜は、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる。第１の溶射皮膜の表面粗さＲａが１２μｍ以上である。第２の溶射皮膜の厚みが２００μｍ以下である。

本発明の実施形態による搬送部材の補修方法は、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材の補修方法である。搬送部材の補修方法は、加熱炉内で搬送部材の上面にショットブラストを施すショットブラスト工程と、加熱炉内で搬送部材の基台の上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる粉末を溶射する第１の溶射工程と、加熱炉内で第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる粉末を溶射する第２の溶射工程と、を含む。ショットブラスト工程では、搬送部材の基台の上面を露出させる。第１の溶射工程では、基台の上面に、自己の表面粗さＲａが１２μｍ以上で、ＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する。第２の溶射工程では、第１の溶射皮膜の表面に、自己の厚みが２００μｍ以下で、複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する。

本発明の実施形態による搬送部材の製造方法は、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材の製造方法である。搬送部材の製造方法は、搬送部材の基台を準備する工程と、基台の上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる粉末を溶射する第１の溶射工程と、第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる粉末を溶射する第２の溶射工程と、を含む。第１の溶射工程では、基台の上面に、自己の表面粗さＲａが１２μｍ以上で、ＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する。第２の溶射工程では、第１の溶射皮膜の表面に、自己の厚みが２００μｍ以下で、複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する。

本発明の実施形態による搬送部材は、ビルドアップを十分に抑制できる。また、本発明の実施形態による搬送部材の補修方法は、そのような特性を有する搬送部材の補修を容易に行える。また、本発明の実施形態による搬送部材の製造方法は、そのような特性を有する搬送部材を容易に製造できる。

図１Ａは、暴露試験で用いた試験体ユニットの組立て前の状態を示す模式図である。図１Ｂは、暴露試験で用いた試験体ユニットの組立て後の状態を示す模式図である。図２Ａは、暴露試験後のＺｒＯ_２系の溶射皮膜と酸化スケールとの間の界面付近の断面を示す模式図である。図２Ｂは、暴露試験後のＡｌ_２Ｏ_３の溶射皮膜と酸化スケールとの間の界面付近の断面を示す模式図である。図２Ｃは、暴露試験後のＣｒ_２Ｏ_３の溶射皮膜と酸化スケールとの間の界面付近の断面を示す模式図である。図３は、高温摩擦試験装置の模式図である。図４は、高温摩擦試験の結果を示す図である。図５は、衝突試験で用いた試験片の模式図である。図６は、本実施形態の搬送部材の模式図である。図７は、本実施形態の搬送部材の補修方法を示すフロー図である。図８は、本実施形態の搬送部材の製造方法を示すフロー図である。

上記の課題を解決するため、本発明者らは種々の試験を実施し、鋭意検討を重ねた。その結果、下記の知見を得た。

鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉では、複数のウォーキングビームによって、長尺の被加熱材（すなわち鋼管）が搬送される。具体的には、被加熱材を支持する複数のウォーキングビームが、加熱炉の床に相互に平行に配置される。ウォーキングビームは被加熱材の搬送方向に延びている。ウォーキングビームは、上昇、前進、下降及び後退というサイクル運動を繰り返す。ウォーキングビームの繰り返しのサイクル運動によって、被加熱材が被加熱材の軸方向と垂直な方向（横方向）に搬送される。

ウォーキングビームの全長は数メートルから十数メートル程度であり、極めて長い。ウォーキングビームは、被加熱材と接触して被加熱材を支持する複数の搬送部材を含む。複数の搬送部材はウォーキングビームの長手方向に配列される。搬送部材は、耐熱鋼からなる基台を含む。

［基礎となる調査及び検討］
本発明者らは、加熱炉における搬送部材上の堆積物を分析した。その結果、その堆積物は、主にＦｅ酸化物で構成されており、そのＦｅ酸化物は、加熱中の被加熱材に発生した酸化スケールに由来することが判明した。そこで本発明者らは、ビルドアップを抑制するためには、搬送部材へのＦｅ酸化物の付着を阻害すれば良いと考えた。つまり、本発明者らは、被加熱材と接触する搬送部材（基台）の上面に、Ｆｅ酸化物が付着し難い皮膜を配置すれば良いと考えた。Ｆｅ酸化物が付着し難い皮膜は、Ｆｅ酸化物と反応生成物を形成し難い皮膜、すなわちＦｅ酸化物と固溶し難い皮膜に相当する。

ここで、上記したＦｅ酸化物と反応生成物を形成し難い皮膜をウォーキングビームの搬送部材上に形成する手法について検討する。そのような特性を有する皮膜は、溶射又はプラズマ粉体肉盛法により形成することができる。

しかしながら、プラズマ粉体肉盛法による皮膜の形成は、加熱炉の外でしか行えない。上記のとおり、プラズマ粉体肉盛法に使用される装置は、容易に運搬できない大規模な装置だからである。また、ウォーキングビームは大きな部品であるため、補修の際に加熱炉から容易に取り出すことはできない。

これに対して、溶射による皮膜の形成は、加熱炉の中でも外でも行える。上記のとおり、溶射に使用される装置は、容易に運搬できるコンパクトな装置だからである。したがって、最初の製造のみならず、メンテナンスをも考慮すれば、搬送部材上に皮膜を形成するための適切な手法は溶射である。ウォーキングビームを加熱炉内に設置したままの状態で皮膜の補修を容易に行えるからである。また、溶射は容易な手法である。

［皮膜の材質］
次に、溶射によって形成される皮膜であって、上記したＦｅ酸化物と反応生成物を形成し難いという特性を有する皮膜の材質について検討した。溶射が可能で、且つ高温酸化環境下でも使用が可能な材質としては、ＺｒＯ_２（ジルコニア）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）及びＣｒ_２Ｏ_３（クロミア）といった酸化物系セラミックスが挙げられる。

ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３及びＣｒ_２Ｏ_３のそれぞれとＦｅ酸化物との平衡状態図より、ＺｒＯ_２系が特にＦｅ酸化物と固溶し難いという特性を有する。そのため、本発明者らは、ＺｒＯ_２系が耐ビルドアップ性に優れた材質であり、皮膜に最適である、との仮説を立てた。ここで「ＺｒＯ_２系」とは、ＺｒＯ_２を主成分とし、他の酸化物（例：Ｙ_２Ｏ_３（イットリア）、ＣａＯ（カルシア）、ＭｇＯ（マグネシア）及びＣｅＯ_２（セリア））を副成分とする複合酸化物（複合セラミックス）である。この複合酸化物は、副成分を含むことによりＺｒＯ_２の結晶構造の安定化が図られたものであり、その代表はＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）である。

［暴露試験］
上記の仮説を実証するため、加熱炉内環境での暴露試験を実施した。図１Ａ及び図１Ｂは、暴露試験で用いた試験体ユニットの模式図である。これらの図のうち、図１Ａは組立て前の状態を示す。図１Ｂは組立て後の状態、すなわち暴露試験時の状態を示す。図１Ａ及び図１Ｂのいずれにも、試験体ユニットを側方から見た図が示される。

図１Ａを参照して、ウォーキングビームの搬送部材（基台）を想定した試験片１１、及び被加熱材（鋼管）を想定した試験片５１をそれぞれ複数準備した。以下では、試験片１１を搬送部材用試験片１１ともいう。試験片５１を被加熱材用試験片５１ともいう。搬送部材用試験片１１の材質は耐熱用オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）であった。搬送部材用試験片１１のサイズは縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚み１０ｍｍであった。被加熱材用試験片５１の材質は炭素鋼であった。被加熱材用試験片５１のサイズは縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚み５ｍｍであった。

被加熱材用試験片５１を単体で９５０℃×５０時間加熱し、その表面及び裏面の両方の面に酸化スケール５２の皮膜を形成した。プラズマ溶射によって、搬送部材用試験片１１の表面又は裏面に溶射皮膜１３を形成した。溶射皮膜１３の材質は、ＹＳＺ（ＺｒＯ_２系：ＺｒＯ_２＋８ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３）、Ａｌ_２Ｏ_３及びＣｒ_２Ｏ_３の３種類とした。つまり、ＹＳＺの粉末、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末及びＣｒ_２Ｏ_３の粉末を準備し、それぞれの粉末を用いて搬送部材用試験片１１に溶射を行った。

なお、搬送部材用試験片１１に上記３種類の溶射皮膜１３を形成する前に、上記３種類の溶射皮膜１３の下地として、プラズマ溶射により皮膜を形成した。この下地の溶射皮膜の材質は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金であった。つまり、上記３種類の溶射皮膜１３の下地として、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金の粉末を準備し、その粉末を用いて搬送部材用試験片１１に溶射を行った。

図１Ｂを参照して、１つの被加熱材用試験片５１を上下から２つの搬送部材用試験片１１で挟むように、被加熱材用試験片５１及び２つの搬送部材用試験片１１を積み重ねた。さらに、それらの３つの試験片１１、５１及び１１の上下にそれぞれブロック５５Ａ、５５Ｂを宛がい、ボルト５６とナット５７によってそれらの３つの試験片１１、５１及び１１を締め付けた。締付け圧力は、実際の搬送部材に与えられる鋼管の自重を想定して、試験片１１、５１及び１１に作用する面圧で１５ＭＰａとした。これにより、３種類の溶射皮膜１３ごとに、酸化スケール５２が溶射皮膜１３に押し付けられた状態の試験体ユニット５０を得た。

３種類の試験体ユニット５０を実際の加熱炉内のウォーキングビームの脇に置き、実操業の熱処理条件（９５０℃でＬＮＧ燃焼雰囲気）の下で２か月間暴露した。暴露の後、試験体ユニット５０を加熱炉から取り出して解体した。そして、３種類の溶射皮膜１３ごとに、溶射皮膜１３と酸化スケール５２との間の界面付近の断面ミクロ観察及び断面ＥＰＭＡを行った。

図２Ａ〜図２Ｃは、暴露試験後の溶射皮膜と酸化スケールとの間の界面付近の断面を示す模式図である。これらの図のうち、図２Ａは、溶射皮膜がＹＳＺ（ＺｒＯ_２系）の場合を示す。図２Ｂは、溶射皮膜がＡｌ_２Ｏ_３の場合を示す。図２Ｃは、溶射皮膜がＣｒ_２Ｏ_３の場合を示す。

図２Ｂ及び図２Ｃを参照して、溶射皮膜１３がＡｌ_２Ｏ_３又はＣｒ_２Ｏ_３の場合、溶射皮膜１３と酸化スケール５２との間の界面に反応生成物５４の層が認められた。つまり、Ａｌ_２Ｏ_３の溶射皮膜１３、及びＣｒ_２Ｏ_３の溶射皮膜１３は、酸化スケール５２に由来するＦｅ酸化物と反応生成物を形成し易く、Ｆｅ酸化物が付着し易いといえる。なお、図２Ｃを参照して、溶射皮膜１３がＣｒ_２Ｏ_３の場合、反応生成物５４の層に割れが発生した。

これに対して、図２Ａを参照して、溶射皮膜１３がＹＳＺ（ＺｒＯ_２系）の場合、溶射皮膜１３と酸化スケール５２との間の界面に反応生成物が全く認められなかった。つまり、ＺｒＯ_２系の溶射皮膜１３は、酸化スケール５２に由来するＦｅ酸化物と反応生成物を形成し難く、Ｆｅ酸化物が付着し難いといえる。したがって、ビルドアップを抑制するには、ＺｒＯ_２系の溶射皮膜１３が最適であることが実証された。

［溶射皮膜の特性］
引き続き、溶射施工の工数を抑えつつ、ウォーキングビームの搬送部材でビルドアップの抑制を十分に図るため、溶射皮膜に必要な特性を検討した。ここでは、実用性を踏まえ、溶射皮膜を２層構造とすることを前提にして検討した。具体的には、上記３種類の溶射皮膜について、ウォーキングビームの搬送部材への適合性を見極めるため、被加熱材から搬送部材への酸化スケール（Ｆｅ酸化物）の付着性、及び溶射皮膜の密着強度を調査した。

［酸化スケールの付着性を確認する試験（高温摩擦試験）］
図３は、酸化スケールの付着性を確認する試験で用いた高温摩擦試験装置の模式図である。図３には、試験装置を側方から見た図が示される。図３を参照して、高温摩擦試験装置６０は、２つの試験片２１及び６１をそれぞれ支持するために、固定の下支持具６５Ｂと、昇降が可能で且つ回転が可能な上支持具６５Ａと、を備える。下支持具６５Ｂの上面に試験片６１が取り付けられる。上支持具６５Ａの下面に試験片２１が取り付けられる。下支持具６５Ｂには高周波加熱用コイル６６Ｂが設けられ、高周波加熱用コイル６６Ｂによって試験片６１を加熱することが可能である。上支持具６５Ａには高周波加熱用コイル６６Ａが設けられ、高周波加熱用コイル６６Ａによって試験片２１を加熱することが可能である。

この試験では、ウォーキングビームの搬送部材（基台）を想定した試験片２１、及び被加熱材（鋼管）を想定した試験片６１をそれぞれ複数準備した。以下では、試験片２１を搬送部材用試験片２１ともいう。試験片６１を被加熱材用試験片６１ともいう。搬送部材用試験片２１の材質は耐熱用オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）であった。搬送部材用試験片２１の形状は直径２０ｍｍの円柱状であった。被加熱材用試験片６１の材質は二相ステンレス鋼（ＤＰ３Ｗ）であった。被加熱材用試験片６１の形状は直径２０ｍｍの円柱状であった。

被加熱材用試験片６１を単体で９５０℃×５０時間加熱し、その１つの端面に酸化スケール６２の皮膜を形成した。プラズマ溶射によって、搬送部材用試験片２１の１つの端面に溶射皮膜２３を形成した。溶射皮膜２３の材質は、ＹＳＺ（ＺｒＯ_２系：ＺｒＯ_２＋８ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３）、Ａｌ_２Ｏ_３及びＣｒ_２Ｏ_３の３種類とした。つまり、ＹＳＺの粉末、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末及びＣｒ_２Ｏ_３の粉末を準備し、それぞれの粉末を用いて搬送部材用試験片２１に溶射を行った。

なお、搬送部材用試験片２１に上記３種類の溶射皮膜２３を形成する前に、上記３種類の溶射皮膜２３の下地として、プラズマ溶射により皮膜を形成した。この下地の溶射皮膜の材質は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金であった。つまり、上記３種類の溶射皮膜２３の下地として、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金の粉末を準備し、その粉末を用いて搬送部材用試験片２１に溶射を行った。

図３を参照して、酸化スケール６２の皮膜が形成された面を上向きにした状態で、被加熱材用試験片６１を下支持具６５Ｂに取り付けた。溶射皮膜２３が形成された面を下向きにした状態で、搬送部材用試験片２１を上支持具６５Ａに取り付けた。高周波加熱用コイル６６Ａ及び６６Ｂに通電し、被加熱材用試験片６１及び搬送部材用試験片２１を大気雰囲気中で１１００℃に加熱した。この状態を維持したまま、上支持具６５Ａを下降させ、搬送部材用試験片２１における溶射皮膜２３が形成された面を、被加熱材用試験片６１における酸化スケール６２の皮膜が形成された面に押し付けた（図３中の白抜き矢印参照）。このとき、押付け圧力は、試験片２１及び６１に作用する面圧で３ＭＰａとした。さらに上支持具６５Ａを一方向に回転数５ｒｐｍで１分間回転させた。これにより、相互に押圧接触する試験片２１及び６１の面を摺動させた。そして、上支持具６５Ａを上昇させて、１分間待機した。このようなサイクルを最大１０回繰り返した。このような高温摩擦試験を３種類の溶射皮膜２３ごとに行った。

摺動の１サイクルを終える度に、３種類の溶射皮膜２３ごとに、搬送部材用試験片２１における溶射皮膜２３が形成された面の性状を調査した。具体的には、溶射皮膜２３が形成された面を外観観察した。さらに、蛍光Ｘ線分析により、溶射皮膜２３が形成された面に付着したＦｅの増加量を測定した。この増加分のＦｅは被加熱材用試験片６１の酸化スケール６２に由来するものであり、ビルドアップの指標となる。

図４は、高温摩擦試験の結果を示す図である。図４の横軸に、摺動のサイクル数が示される。図４の縦軸に、溶射皮膜２３が形成された面に付着したＦｅの増加量が示される。外観観察の結果、及び図４に示される結果より、溶射皮膜２３がＹＳＺ（ＺｒＯ_２系）の場合、溶射皮膜２３上でＦｅの増加は全く認められなかった。またこの場合、溶射皮膜２３に凹凸の変化は認められなかった。要するに、溶射皮膜２３がＹＳＺ（ＺｒＯ_２系）の場合、溶射皮膜２３に酸化スケール６２が付着せず、ビルドアップの兆候は全く認められなかった。

これに対し、溶射皮膜２３がＡｌ_２Ｏ_３の場合、溶射皮膜２３上でＦｅが激しく増加した。またこの場合、溶射皮膜２３の一部が剥離した。要するに、溶射皮膜２３がＡｌ_２Ｏ_３の場合、溶射皮膜２３に酸化スケール６２が付着し、ビルドアップの兆候が認められた。溶射皮膜２３がＣｒ_２Ｏ_３の場合、摺動の１サイクル目で溶射皮膜２３が全て剥離し、被加熱材用試験片６１に転写された。そのため、評価不能となった。

したがって、溶射皮膜を２層構造としても、上層の溶射皮膜２３をＺｒＯ_２系にすれば、ビルドアップを抑制できることが実証された。

［溶射皮膜の密着強度を確認する試験（衝突試験）］
図５は、衝突試験で用いた試験片の模式図である。図５には、試験片を側方から見た図が示される。図５を参照して、ウォーキングビームの搬送部材（基台）を想定した試験片３１を複数準備した。以下では、試験片３１を搬送部材用試験片３１ともいう。搬送部材用試験片３１の材質は耐熱用オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３１０Ｓ）であった。搬送部材用試験片３１の形状は縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ×厚み６ｍｍの板状であった。

プラズマ溶射によって、搬送部材用試験片３１の１つの表面に、下地として、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金の溶射皮膜３２を形成した。つまり、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金の粉末を準備し、その粉末を用いて搬送部材用試験片３１に溶射を行った。以下では、この下地の溶射皮膜３２を下層皮膜３２又は第１の溶射皮膜ともいう。この溶射の際、下層皮膜３２の表面粗さＲａを種々変更した。下層皮膜３２の厚みは１００〜２００μｍであった。本明細書において、表面粗さＲａはＪＩＳＢ０６０１（２００１年）で規定される中心線平均粗さを意味する。

さらにプラズマ溶射によって、下層皮膜３２の上に溶射皮膜３３を形成した。溶射皮膜３３の材質は、ＹＳＺ（ＺｒＯ_２系：ＺｒＯ_２＋８ｍｏｌ％Ｙ_２Ｏ_３）、Ａｌ_２Ｏ_３及びＣｒ_２Ｏ_３の３種類とした。つまり、ＹＳＺの粉末、Ａｌ_２Ｏ_３の粉末及びＣｒ_２Ｏ_３の粉末を準備し、それぞれの粉末を用いて搬送部材用試験片３１に溶射を行った。以下では、下層皮膜３２の上に形成された溶射皮膜３３を上層皮膜３３又は第２の溶射皮膜ともいう。この溶射の際、上層皮膜３３の厚みを種々変更した。

２層構造の下層皮膜３２及び上層皮膜３３が形成された面を上向きにした状態で、搬送部材用試験片３１を定盤の上に固定した。この搬送部材用試験片３１の上方１ｍの位置から鋼球を落下させて、その鋼球を上層皮膜３３に衝突させた。鋼球の直径は３８ｍｍであり、その材質はＳＵＪ２であった。鋼球の落下を繰り返し、上層皮膜３３が剥離するまでの鋼球の衝突回数を計測した。このような衝突試験を全ての搬送部材用試験片３１で行った。

下記の表１に、衝突試験の結果を示す。この表１には、上記高温摩擦試験の結果も合わせて示す。

表１中の「総合評価」の欄に示される記号の意味は以下のとおりである。
・○（優）：高温摩擦試験において、溶射皮膜にスケールの付着がなく、且つ衝突試験において、上層皮膜が剥離するまでの鋼球の衝突回数が５０回以上である。
・×（不可）：高温摩擦試験において、溶射皮膜にスケールの付着がある、又は衝突試験において、上層皮膜が剥離するまでの鋼球の衝突回数が５０回未満である。

表１に示される結果より、上層皮膜３３がＹＳＺ（ＺｒＯ_２系）であって、下層皮膜３２の表面粗さＲａが１２μｍ以上であり、且つ上層皮膜３３の厚みが２００μｍ以下であるという独特な条件（試験Ｎｏ．７〜９）を満たせば、上層皮膜３３に酸化スケールが付着せず、上層皮膜３３の密着強度が高いことが実証された。要するに、上記の独特な条件を満たす２層構造の溶射皮膜は、ビルドアップを十分に抑制でき、ウォーキングビームの搬送部材に適合することが実証された。

本発明は上記の知見に基づいて完成されたものである。

本実施形態の搬送部材によれば、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉において、ビルドアップを十分に抑制できる。そのため、製品管の外面疵を低減でき、製品歩留を向上させることができる。

本発明の実施形態による搬送部材の補修方法は、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材の補修方法である。搬送部材の補修方法は、加熱炉内で搬送部材の上面にショットブラストを施すショットブラスト工程と、加熱炉内で搬送部材の基台の上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる粉末を溶射する第１の溶射工程と、加熱炉内で第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる粉末を溶射する第２の溶射工程と、を含む。ショットブラスト工程では、搬送部材の基台の上面を露出させる。第１の溶射工程では、基台の上面にＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する。第１の溶射皮膜の表面粗さＲａは１２μｍ以上である。第２の溶射工程では、第１の溶射皮膜の表面に複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する。第２の溶射皮膜の厚みは２００μｍ以下である。

本実施形態の搬送部材の補修方法によれば、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉において、ビルドアップを十分に抑制できるという特性を有する搬送部材の補修を容易に行える。

本発明の実施形態による搬送部材の製造方法は、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材の製造方法である。搬送部材の製造方法は、搬送部材の基台を準備する工程と、基台の上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる粉末を溶射する第１の溶射工程と、第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる粉末を溶射する第２の溶射工程と、を含む。第１の溶射工程では、基台の上面にＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する。第１の溶射皮膜の表面粗さＲａは１２μｍ以上である。第２の溶射工程では、第１の溶射皮膜の表面に複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する。第２の溶射皮膜の厚みは２００μｍ以下である。

本実施形態の搬送部材の製造方法によれば、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉において、ビルドアップを十分に抑制できるという特性を有する搬送部材を容易に製造できる。

本実施形態の搬送部材及びその補修方法において、第１の溶射皮膜（下層皮膜）及び第２の溶射皮膜（上層皮膜）を形成するための典型的な溶射は、プラズマ溶射である。ただし、高速フレーム溶射であってもよい。特許文献１に開示されるプラズマ粉体肉盛法は溶射ではない。

ここで、溶射によって形成された溶射皮膜は、以下の手法により認識できる。皮膜の断面を顕微鏡によって観察する。例えば、皮膜組織に、数μｍから数１０μｍサイズ程度の扁平粒子の堆積構造が見られる場合、その皮膜は溶射皮膜と言える。また、基台と皮膜との間の界面に希釈層（基台に含まれる合金成分と皮膜に含まれる合金成分とが混ざり合った層）が存在しない場合、その皮膜は溶射皮膜と言える。プラズマ粉体肉盛法による皮膜では、酸化物主体の皮膜は形成できないし、必ず希釈層が形成されるからである。

本実施形態の搬送部材及びその補修方法では、第１の溶射皮膜（下層皮膜）の表面粗さＲａは１２μｍ以上である。より好適には、第１の溶射皮膜の表面粗さＲａは１５μｍ以上である。第１の溶射皮膜の表面粗さＲａの上限は特に限定されない。ただし、工業的に実現できる範囲を考慮すれば、第１の溶射皮膜の表面粗さＲａの上限は３０μｍ程度である。

ここで、第１の溶射皮膜の表面粗さＲａは、以下の手法により認識できる。第２の溶射皮膜が形成される前であれば、触針式の表面粗さ計などによって第１の溶射皮膜の表面粗さを直接計測する。第２の溶射皮膜が形成された後であれば、第１及び第２の溶射皮膜の断面を顕微鏡によって観察する。その観察像をコンピュータに取り込み、その観察像に基づくコンピュータ上での画像処理で、第１の溶射皮膜と第２の溶射皮膜との間の界面形状を２値画像として抽出し、その形状をトレースした曲線を用いて粗さを評価する。

本実施形態において、第１の溶射皮膜（下層皮膜）の厚みは特に限定されない。ただし、第１の溶射皮膜に求められる主な性能は、熱処理炉内で使用時に搬送部材の基台を十分に被覆して高温酸化を抑制すること、及び自身の表面粗さを適正な範囲に制限して第２の溶射皮膜（上層皮膜）の密着強度を確保することである。これらを考慮すれば、第１の溶射皮膜の厚みは５０μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは７０μｍ以上である。一方、溶射皮膜は厚みが大きいほど密着強度が低下する傾向がある。密着強度の観点から、第１の溶射皮膜の厚みは３００μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは２００μｍ以下である。

本実施形態において、第２の溶射皮膜（上層皮膜）の厚みは２００μｍ以下である。好ましくは、第２の溶射皮膜の厚みは１５０μｍ以下である。第２の溶射皮膜の厚みの下限は特に限定されない。ただし、第２の溶射皮膜の性能（耐ビルドアップ性の確保）の観点から、第２の溶射皮膜は、所定の表面粗さＲａを持った第１の溶射皮膜の表面を十分に被覆している必要がある。そのため、第１の溶射皮膜の表面粗さＲａを考慮すれば、第２の溶射皮膜の厚みは５０μｍ以上であることが好ましく、より好ましくは７０μｍ以上である。

ここで、第１の溶射皮膜の厚みは、以下の手法により認識できる。第１の溶射皮膜の断面の顕微鏡によって観察する。その観察像をコンピュータに取り込み、その観察像に基づき、評価視野面内の膜厚を複数点（例えば１ｍｍの視野範囲内で５点以上）計測し、その平均値を第１の溶射皮膜の厚みとする。第２の溶射皮膜の厚みも、それと同様の手法により認識できる。

本実施形態において、第１の溶射皮膜は、ＭＣｒＡｌＹ合金からなる。ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する。ＭＣｒＡｌＹ合金の代表はＣｏＣｒＡｌＹ合金である。ＭＣｒＡｌＹ合金はＮｉＣｒＡｌＹ合金であってもよいし、ＦｅＣｒＡｌＹ合金であってもよい。これらを混合したものであってもよい。

本実施形態において、第２の溶射皮膜は、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる。Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２はいずれも、主成分のＺｒＯ_２の結晶構造の安定化を図ることが可能な酸化物である。そのため、副成分は、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２のいずれであってもよいし、これらを混合したものであってもよい。実用的には、第２の溶射皮膜が、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３を副成分とする複合酸化物からなることが好ましい。

ここで、主成分であるＺｒＯ_２の含有量は、例えば７０〜９０重量％である。

以下に、図面を参照しながら、本実施形態の搬送部材及びその補修方法の具体例を説明する。

［搬送部材］
図６は、本実施形態の搬送部材の模式図である。図６には、搬送部材の断面が示される。図６を参照して、搬送部材１は、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる。具体的には、複数の搬送部材１がウォーキングビームの長手方向に配列される。搬送部材１は、基台４を含む。基台４の上面は第１の溶射皮膜２によって覆われる。第１の溶射皮膜２の表面は第２の溶射皮膜３によって覆われる。

第１の溶射皮膜２は、ＣｏＮｉＣｒＡｌＹ合金からなる。第２の溶射皮膜３は、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３を副成分とする複合酸化物（ＹＳＺ）からなる。第１の溶射皮膜２の表面粗さＲａは１２μｍ以上である。第２の溶射皮膜３の厚みは２００μｍ以下である。第１の溶射皮膜２及び第２の溶射皮膜３のいずれもプラズマ溶射によって形成されたものである。

［搬送部材の補修方法］
図７は、本実施形態の搬送部材の補修方法を示すフロー図である。図７を参照して、本実施形態の搬送部材の補修方法は、ショットブラスト工程（ステップ＃５）と、第１の溶射工程（ステップ＃１０）と、第２の溶射工程（ステップ＃１５）と、を含む。ステップ＃５のショットブラスト工程では、加熱炉内で搬送部材の上面にショットブラストを施す。これにより、搬送部材の基台の上面を露出させる。ショットブラストは、例えば鋼のグリットを対象物に噴射する。

ステップ＃１０の第１の溶射工程では、加熱炉内で搬送部材の基台の上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金からなる粉末を溶射する。これにより、基台の上面にＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する。第１の溶射皮膜の表面粗さＲａは１２μｍ以上である。溶射ままの状態で第１の溶射皮膜の表面粗さＲａが１２μｍ以上でない場合、ショットブラストによってその表面粗さＲａを調整してもよい。

ステップ＃１５の第２の溶射工程では、加熱炉内で第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３を副成分とする複合酸化物（ＹＳＺ）からなる粉末を溶射する。これにより、第１の溶射皮膜の表面に複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する。第２の溶射皮膜の厚みは２００μｍ以下である。

［搬送部材の製造方法］
図８は、本実施形態の搬送部材の製造方法を示すフロー図である。図８を参照して、本実施形態の搬送部材の製造方法は、準備工程（ステップ＃５）と、第１の溶射工程（ステップ＃１０）と、第２の溶射工程（ステップ＃１５）と、を含む。ステップ＃５の準備工程では、所定のサイズに成形された搬送部材の基台を準備する。

ステップ＃１０の第１の溶射工程では、搬送部材の基台の上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金からなる粉末を溶射する。これにより、基台の上面にＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する。第１の溶射皮膜の表面粗さＲａは１２μｍ以上である。溶射ままの状態で第１の溶射皮膜の表面粗さＲａが１２μｍ以上でない場合、ショットブラストによってその表面粗さＲａを調整してもよい。ショットブラストは、例えば鋼のグリットを対象物に噴射する。

ステップ＃１５の第２の溶射工程では、第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３を副成分とする複合酸化物（ＹＳＺ）からなる粉末を溶射する。これにより、第１の溶射皮膜の表面に複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する。第２の溶射皮膜の厚みは２００μｍ以下である。

その他、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明は、鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉に有用である。

１搬送部材
２第１の溶射皮膜
３第２の溶射皮膜
４基台

Claims

鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材であって、
前記搬送部材は、
基台と、
前記基台の上面を覆う第１の溶射皮膜であって、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる第１の溶射皮膜と、
前記第１の溶射皮膜の表面を覆う第２の溶射皮膜であって、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる第２の溶射皮膜と、を備え、
前記第１の溶射皮膜の表面粗さＲａが１２μｍ以上であり、
前記第２の溶射皮膜の厚みが２００μｍ以下である、搬送部材。
請求項１に記載の搬送部材であって、
前記第２の溶射皮膜の厚みが５０μｍ以上である、搬送部材。
請求項１又は２に記載の搬送部材であって、
前記第２の溶射皮膜が、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３を副成分とする複合酸化物からなる、搬送部材。
鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材の補修方法であって、
前記搬送部材の補修方法は、
前記加熱炉内で前記搬送部材の上面にショットブラストを施して、前記搬送部材の基台の上面を露出させるショットブラスト工程と、
前記加熱炉内で前記基台の前記上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる粉末を溶射して、前記基台の前記上面に、自己の表面粗さＲａが１２μｍ以上で、前記ＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する第１の溶射工程と、
前記加熱炉内で前記第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる粉末を溶射して、前記第１の溶射皮膜の前記表面に、自己の厚みが２００μｍ以下で、前記複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する第２の溶射工程と、を含む、搬送部材の補修方法。
鋼管用ウォーキングビーム式加熱炉で用いられる搬送部材の製造方法であって、
前記搬送部材の製造方法は、
前記搬送部材の基台を準備する工程と、
前記基台の上面に、ＭＣｒＡｌＹ合金（ただし、Ｍは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅから選ばれる１種又は２種以上の金属元素を意味する）からなる粉末を溶射して、前記基台の前記上面に、自己の表面粗さＲａが１２μｍ以上で、前記ＭＣｒＡｌＹ合金からなる第１の溶射皮膜を形成する第１の溶射工程と、
前記第１の溶射皮膜の表面に、ＺｒＯ_２を主成分とし、Ｙ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ及びＣｅＯ_２から選ばれる１種又は２種以上を副成分とする複合酸化物からなる粉末を溶射して、前記第１の溶射皮膜の前記表面に、自己の厚みが２００μｍ以下で、前記複合酸化物からなる第２の溶射皮膜を形成する第２の溶射工程と、を含む、搬送部材の製造方法。