JPH02213449A - ごみ焼却廃熱ボイラ管用高耐食鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、都市とみおよび産業廃棄物、し尿、汚泥等
（以下、「ごみ」と総称する）を焼却する施設において
、エネルギー回収を目的として設置される廃熱ボイラの
過熱器管、蒸発器管および氷壁器管等のボイラ管用とし
て利用される高耐食性鋼に関する。

（従来の技術） 近年、都市ごみの高カロリー化およびプラスチック分の
増加等に伴い、ごみの焼却処理施設における材料の腐食
が問題化している。特に、廃熱の有効利用を目的とする
廃熱ボイラ用鋼管で、主として塩化水素ガスによる激し
い金属材料の腐食損傷が問題になっている。この腐食に
対する実際的な対応策は、廃熱ボイラの蒸気条件、特に
鋼管の金属温度に大きな影響を及ぼす蒸気温度を３００
°Ｃ以下に抑えることであるが、蒸気温度を下げるのは
廃熱回収効率を犠牲にするということに外ならない。

ごみ焼却の雰囲気は金属材料にとって非常に厳しい腐食
環境であり、炭素鋼管は熱論、合金鋼管、ステンレス鋼
管をはじめ、高合金鋼管でも著しい高温腐食を被る。こ
のようなごみ焼却炉の苛酷な腐食環境に耐えうる金属材
料、或いは安価な表面処理法が未だ開発されていないた
め、廃熱効率の向上を目的とした蒸気条件の高温高圧化
は、事実上困難な状況にある。

現在市販されている既存の鋼の中には、特にごみ焼却炉
雰囲気における耐食材料として相応しいものは知られて
いない、（例えば、新居和嘉「廃棄物処理プロセスに於
ける材料の問題Ｊ　１９８０年１２月９日本高圧力技術
協会講習会資料、参照、）我が国の都市ごみ焼却炉にお
ける腐食環境は、排ガス中のＨＣｌおよび付着灰中の塩
化物、硫酸塩の存在により特徴づけられる（同上資料）
、特に、付着物と金属材料の界面に見られる塩化物には
一部低融点のものがあり、我が国のごみ焼却廃熱ボイラ
の運転条件下でも溶融していると考えられる（「日立評
論Ｊ　ＶＯｌ、５２．　Ｐ４［Ｌｌｌ、　Ｐ、８６〜９
０）　、つまり、ごみ焼却廃熱ボイラにおける金属材料
の腐食は塩化物による溶融塩腐食であって、これは、腐
食環境として極めて厳しいものである。

前掲の講習会資料にも紹介されているように、一般に、
鋼の高温における耐酸化性、および耐高温腐食性を改善
させるためには、Ｃｒ、　　ＡｌないしはＳｔの添加が
有効であることが知られている。即ち、高温の酸化環境
において、鋼が所定量以上のＣｒ、＾２ないしはＳｔを
含有する場合には、鋼表面に保護的な酸化被膜であるＣ
ｒｘＯ２ｓ＾１８０．或いは５ｉｌｌが均一生成し、腐
食性の付着灰から鋼を保護するためである。ところが、
ごみ焼却雰囲気での鋼の腐食は、前述の如く塩化物によ
る溶融塩腐食であり、このような腐食環境ではＣｒａｂ
ｓはＣｒＯ＊Ｃｌ　ｘを生成してしまい、蒸発消失する
ため上記の保護効果は失われる。Ａｊ！ｇｏｓおよび５
ｉｆｔ系の保護的酸化被膜は、このような塩化物による
溶融塩腐食環境では耐食性は良好と言われる（例えば、
［鉄と鋼」第６５年第７号８９〜９５頁）、シかし、我
が国のごみ焼却廃熱ボイラ用材料の使用温度が４００°
Ｃ以下と比較的低いこともあり、現状では使用中に均一
酸化被膜が生成しない状況にある。現行の使用条件でＡ
ｌ１ｔＯｓ系ないしは５ｉｌｌ系保護的酸化被膜を均一
生成させるには、鋼中に多量の＾２ないしはＳＩを添加
しなければならないが、このような元素の多量添加は靭
性等の機械的性質の大幅な劣化を招くため、ボイラ管用
鋼の材質改・善対策にはなりえない。

（発明が解決しようとする４１題） ごみの焼却能率を上げ、焼却炉排出物の安全性を高める
ためにも焼却燃焼条件を高温化することは必須である。

そしてまた燃焼廃熱を効率良く回収するためにも、高温
腐食に耐えられるボイラ管用鋼の開発が望まれている０
本発明の課題は、かかる要望に応えることにあり、特に
その目的は、ごみ焼却炉雰囲気での耐食性に優れるとと
もに製造が容易で実用的なボイラ管用鋼を提供すること
にある。

（課題を解決するための手段） 本発明者は、前述のようなごみ焼却設備の特殊な腐食環
境を考慮し、その環境に充分耐え得る耐食性を備え、し
かも、ボイラ管用としての実用材料になり得る加工性、
経済性などをも兼備した綱の開発を試み、後の実施例で
説明するような詳細な検討を進めた結果、次のような結
論を得た。

■鋼の腐食に対する保護的酸化被膜の一つであるＡ　ｌ
　＊Ｏｓスケールは積極的に利用するのがよい。

ただし、溶融塩化物浴中で安定なＡｎｔ（ｈの均一な被
膜を少ないＡｉ含有量で形成させるための対策が必要で
ある。

■ｓｔａｇはＡ　ｌ　ｇｏｚに較べ、極めて脆い性質を
有するため、加熱冷却の繰り返しが頻繁なごみ焼却廃熱
ボイラの使用条件下では、保護被膜が鋼との熱膨張係数
の相違のため剥離脱落することが懸念される。従って、
Ｓｉの積極的な多量添加は避けるべきである。

■金属材料が多量の＾２を含有すると、熱間鍛造や熱間
圧延の際に大気中の窒素（Ｎ）と鋼中のＡ２とが反応し
、アルミの窒化物を生成してしまい、加工中に割れを生
ずる。従って、高ＡＩ！、鋼の製管は一般に困難である
。製管工程の熱間鍛造、熱間圧延時に生ずる割れを防止
するため、大気加熱中にＮの侵入、拡散を防止する対策
を講じる必要がある。

■上記■のＡｌ２ｘＯｘ均一酸化被膜を比較的少ない鋼
中Ａ２Ｍで達成するための最も有力な対策は、鋼に希土
類元素を適量添加することである。酸素との親和力の強
い希土類元素が鋼の酸化のごく初期にまず酸化し、鋼中
で微細な酸化物粒子を形成する。この微細な酸化物粒子
がＡ　ｆ　、０．酸化物生成の核となり、保護的なＡ２
□０．酸化物被膜の形成を促進させるのである。

■希土類元素の一部は鋼中のＳとも結合し、Ｓを固定す
る。通常、固溶したＳはスケールと地金の界面に偏析し
、保護的な酸化液ＩＩ！と鋼との密着性を劣化させるが
、希土類元素の添加により保護的なＡ　ｌ　＊Ｏｓ酸化
被膜の密着性が大幅に改善され、Ａ　Ａ　１０．被膜に
よる耐食性向上に寄与する。

■先に述べた希土類元素の酸化物粒子は、大気から鋼中
に侵入、拡散してくるＮに対し、拡散障壁としても作用
する。この作用によって鋼中でのＡｆｆｉの窒化物の生
成が抑制され、その結果、熱間加工性が大きく改善され
る。

上記のような知見基づいてなされた本発明は、次の組成
を持つごみ焼却廃熱ボイラ管用高耐食鋼を要旨とする。

’　Ａ　ｊ！　：　０．５〜１５％　（！：希±１１（
元素：　０．００５〜１　％を含有する炭素鋼または＾
Ｉｌ：０．５〜１５％と希土類元素！　０．００５〜１
％を含有するＣｒ含有量１３％以下の合金鋼からなるご
み焼却廃熱ボイラ管用高耐食Ｒ１ 前述した本発明者の知見によれば、−上記の範囲のＡＮ
と希土類元素と同時に含有する鋼は、他に特別の合金元
素を含有しない炭素鋼であっても、また、Ｃｒ含有量が
１３％以下の合金鋼であっても、ごみ焼却設備の廃熱ボ
イラ用管として充分実用に耐える優れた耐食性を有する
。このような炭素鋼または合金として、具体的な組成を
例示すれば下記のとおりである。

（ａ）　　ＣＦ　０．０５〜０．３０に、Ｓｉ：２％以
下、Ｍｎ：２％以下、Ａｊ！；０．５〜１５に、希土類
元素ｉ　０．００５〜１に、残部Ｆｅおよび不可避不純
物からなる鋼。

（ｂ）　　Ｃ：　０．０５〜０．３０に、ＳＩ：２％以
下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ　：　１３％以下、八ｌｉ０
．５〜１５に、希土類元素：　０．００５〜１に、残部
Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼。

（Ｃ）　　それぞれ３％以下のＮｂ、ＴＩ、Ｚｒ、それ
ぞれ３％以下のＭｏ、　Ｗおよび０．００１〜０．０３
％のＢの中の１種以上を更に含有する上記（ａ）または
（ト））の鋼。

本発明鋼の最大の特徴は、Ａ２と希土類元素とを所定量
同時に含有することにあり、そのベースとなる鋼は高温
用鋼として既に実用化されているものであってもよい０
例えば、ＪＩＳ　ＳＴＢ　３５相当の鋼に上記の範囲の
Ａｌと希土類元素とを含有させたものは、（ａ）に属し
、同ＳＴＢ＾２４や２７に同じくＡｌと希土類元素を含
有させたものは（Ｃ）に属する。

（作用） 以下、発明鋼の合金成分の含有量を前記のように選んだ
理由を、各成分の作用効果とともに説明する。

Ａ１： Ａｊ！は希土類元素と共に、本発明鋼の最も重要な合金
成分であり、その作用効果は先に述べたとおりである。

Ａｌ含有量は０．５％から１５％までとする。即ち、Ａ
１含有量が０．５％未満では、後述の希土類元素の添加
を行っても、ごみ焼却炉雰囲気で保護的なＡＩｌ□０．
酸化被膜が生成せず、耐食性を満足しえない、一方、１
５％を超える含有量では加工性や溶接性か劣化する。

希土類元素： 希土類元素は、前述のごと＜、ａ１ｔｏｉ保護的酸化被
膜の均一生成を促し、被膜密着性を向上させ、また、熱
間における鋼の加工性を改善する作用を持つ、しかし、
その含有量が０．００５％未満ではごみ焼却炉雰囲気で
充分な耐食性を保証する＾２．Ｏｓ均−被膜が生成せず
、１％を超えて含有させてもその効果は飽和し、コスト
の上昇を招くだけである、従って、希土類元素の適正含
有量は０．００５％〜１％である。なお、希土類元素は
、１種または２種以上組み合わせて添加することができ
、希土類元素の混合物であるミツシュメタルで添加して
もよい。

＾２と希土類元素以外に、本発明鋼に含有させることの
できる成分とその望ましい含有量は下記のとおりである
。

Ｃ： Ｃは耐熱鋼として必要な高温における引張り強さを向上
させるのに有効な元素で、かかる効果を期待する場合に
は０．０１％以上必要であるが、０．３０％を超えると
固溶化処理状態で未固溶の炭化物が残存し、高温強度に
寄与しな（なる。

Ｓｉ　： Ｓ＋は一般的に耐酸化性を高めるためにも有効な元素で
あるが、先に述べた理由によって本発明では積極的には
利用しない、しかし、鋼の脱酸剤としての作用を利用す
る場合にはある程度添加してもよい、しかし含有量が２
％を超えるとシグマ脆化を促進し、また、溶接性が劣化
し組織も不安定になるので２％以下に止めるのがよい。

Ｍｎ＝ Ｍｎは脱酸および加工性改善のために添加してよいが、
過剰に添加すると耐熱特性が劣化するので、その含有量
は２％以下が望ましい。

Ｃｒ： Ｃｒは高温強度および一般の耐酸化性の改善に優れた効
果を示すが、ごみ焼却炉雰囲気中の耐高温腐食性に対し
ては、前述の理由によりあまり効果がない、したがって
、主として高温強度改善を目的として添加する場合もあ
る。ただし、Ｃｒ含有量が１３％を超えると加工性が劣
化する。

Ｎｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、　Ｍｏ、　ＷおよびＢ：これらの元
素はいずれも高温強度の向上を計る場合に、選択的に添
加される。Ｎｂ、ＴＩ、　Ｚｒは炭化物を形成しやすい
ので、合金中のＣを固定してＣｒ炭化物の析出を抑制し
、高温強度の劣化抑制に有効である。これらの元素はそ
れぞれ３．０％以下の含有量で充分にその効果を発揮す
る。

Ｗ、Ｍｏは固溶強化により合金の高温強度を向上させる
成分である。従って、特に高い高温強度を要求される場
合に、１種または２種添加すればよい、ただし、いずれ
の場合も含有量が３％を超えると綱の耐酸化性が低下す
る。

Ｂは鋼の粒界を強化して高温強度を向上させる。

この効果は０．００１％以上の含有量で顕著になる。

しかし０．０３％を超える含有量になると、鋼の溶接性
が１貝なねれる。

Ｐ、Ｓなどの不可避的な不純物はできるだけ少ないほう
がよい、また、ミツシュメタルの使用に伴って、Ｎ１が
混入する場合があるが、これは０．５％程度までは許容
される。

上記の化学組成を有する鋼から、ボイラ用管を製造する
のは、通常の方法でよい、即ち、電気炉、転炉、ＡＯＤ
炉などを使用して溶製し、インゴット或いは連続鋳造ビ
レットとし、熱間押出法（ユジーンセジュルネ法）、熱
間圧延法（マンネスマン法）で製管し、必要に応じてさ
らに冷間抽伸および結晶粒度を調整して強度を確保する
ための熱処理を加えて製品鋼管とする。

（実施例） 第１表に示す組成の鋼を真空溶解にて１７ｋｇ溶製鋳造
して得たインゴットを１２００’Ｃで２時間加熱後、２
５ｍｍ’　ＸＸ１００ａ　’　Ｘ１５０ｍｍ　’　ノ板
状に熱間鍛造を行った。その際、ビレット端間を観察し
、割れの有無を調査した０階２８と阻３０は熱間鍛造の
際に割れてしまったため、残部のインゴットから後述す
る形状の腐食試験片を採取した。

熱間鍛造後、ビレットを再び大気中１２００℃で１時間
加熱した後、熱間圧延で７鶴１まで圧延し、空冷後、鋼
の組繊を安定させるため１０００°Ｃで３０分間加熱保
持して炉冷を行った。

上記によって得られた熱延板より１０ｍｍ’　Ｘ２５ａ
＋ｍ’Ｘ２ｍ５’の腐食試験片を採取し、ごみ焼却炉雰
囲気を模擬した腐食試験を行った。腐食試験は、試験片
の表裏に４０モル％ＦｅＣｊ！露６０モル％ＫＣ１合成
灰を３０ｍｇ／ａｍ”の割合で塗付し、５ｏｏｐｐ−ｔ
＋ｃ　ｌ　−１００ｐｐｍＳＯｘ−５％ｏｘ−７．５％
Ｃｏ！　　ｂａｊ！、Ｎ＊のガス気流中で４００℃に加
熱し１００時間保持する試験である。

耐食性の評価は、試験後試験片を脱スケールし、重量を
求め、試験前後の重量変化から腐食減量を求め、腐食減
肉量に換算して行った。この腐食減肉量（μ■）を第１
表中に示す。

第１図〜第６図は、上記の試験結果の一部をグラフにま
とめたものである。

第１図は、炭素鋼におけるＡｆｆｉと希土類元素（Ｙ）
の添加が耐食性に及ぼす影響をみたものである。Ａ２の
単独添加では１５％までＡｆｆｉを含有させても耐食性
の改善ははかばかしくない、しかしながら、Ｙを０．０
５％程度同時に含有させると、耐食性が著しく向上する
ことが判る。これは、鋼表面に耐食的で密着性のよいＡ
　Ｉ！　ｇｏｓの均一被膜が生成するためである。

第２図は、３％八へ含有炭素鋼におけるＹ含有量と耐食
性との関係を示すものである。Ｙ含有量が０．００５％
以上で保護的なへ２！０．被膜が均一生成し、耐食性が
良好となる。

第３図は現行のボイラ熱交換器用合金１１１ｍ管の１つ
であるＪＩＳ　５ＴＢ＾２４をベースに、Ａｆｆｉおよ
びＹを複合添加した材料の耐食性を検針したものである
。炭素鋼の場合と同様にＡＩｌ、およびＹの複合添加で
耐食性が向上している。

第４図および第５図は、それぞれＪＩＳ　５ＴＢＡ２７
と１２Ｃｒｌｌをベースとして、ＡｌとＹの効果をみた
ものである。いずれの場合にもＡ！とＹの複合添加で耐
食性の改善が認められる。

第６図には３％Ａ２含有炭素鋼に対し、０．０５〜０．
０７５％の割合で種々の希土類元素を添加し、希土類元
素の種類による影響まとめた＊　Ｙ％　Ｃｅ、Ｌａ間で
は特に元素による顕著な差はないことがわかる。また、
２種類の複合添加においても、所定量の希土類元素が含
まれれば良好な耐食性が得られている。

第２表は熱間加工性に及ぼすＡ２とＹの影響をまとめた
ものである。　　ＡＩ！含有量の高い鋼であってもＹ添
加により熱間鍛造時のビレットの割れが防止されること
がわかる。

第２表 （発明の効果） 本発明は、ごみ焼却炉雰囲気という特殊できわめて苛酷
な腐食環境中でも優れた耐食性を有し、しかも、熱間加
工性が著し°く改善された鋼を提供する。この鋼からな
る管を使用することによってごみ焼却の廃熱を利用する
ボイラは高温運転が可能となり、その熱回収効率の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、炭素鋼におけるＡｌと希土類元素（Ｙ）の添
加と耐食性との関係を示すグラフ、第２図は、３％ＡＩ
ｌ含有炭素鋼におけるＹ含有量と耐食性との関係を示す
グラフ、 第３図は、ＪＩＳ　５ＴＢＡ２４をベースに、Ａｌおよ
びＹを複合添加した材料の耐食性を示すグラフ、第４図
および第５図は、それぞれＪＩＳ　５ＴＢＡ２７と１２
Ｃｒ鋼をベースとした場合のＡｌ、！：Ｙの添加の効果
を示すグラフ、 第６図は、３％八へ含有炭素鋼に対し、０．０５〜０．
０７５％の割合で種々の希土類元素を添加した場合の耐
食性を示すグラフ、である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａｌ：０．５〜１５％と希土類元素：０．００５
   〜１％を含有する炭素鋼またはＡｌ：０．５〜１５％と
   希土類元素：０．００５〜１％を含有するＣｒ含有量１
   ３％以下の合金鋼からなるごみ焼却廃熱ボイラ管用高耐
   食鋼。
2. （２）Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：２％以下、Ｍ
   ｎ：２％以下、Ａｌ：０．５〜１５に、希土類元素：０
   ．００５〜１％、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる
   ごみ焼却廃熱ボイラ管用高耐食鋼。
3. （３）Ｃ：０．０１〜０．３０％、Ｓｉ：２％以下、Ｍ
   ｎ：２％以下、Ｃｒ：１３に以下、Ａｌ：０．５〜１５
   ％、希土類元素：０．００５〜１％、残部Ｆｅおよび不
   可避不純物からなるごみ焼却廃熱ボイラ管用高耐食鋼。
4. （４）それぞれ３％以下のＮｂ、Ｔｉ、Ｚｒ、それぞれ
   ３％以下のＭｏ、Ｗおよび０．００１〜０．０３％のＢ
   の中の１種以上を更に含有する特許請求の範囲第１項、
   第２項または第３項記載のごみ焼却廃熱ボイラ管用高耐
   食鋼。