JPH03236449A

JPH03236449A - ごみ焼却廃熱ボイラ管用高クロム鋼

Info

Publication number: JPH03236449A
Application number: JP3042990A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Otsuka; 伸夫大塚; Takeo Kudo; 赳夫工藤; Shigeru Tokura; 戸倉　茂
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1990-02-10
Filing date: 1990-02-10
Publication date: 1991-10-22

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、都市ご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空管等のボイラ管用とし
て利用される高クロム鋼に関する。

（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
鋼管の金属塩度に大きな影響を及ぼす蒸気温度を３００
’Ｃ以下に印えることであるが、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、炭素鋼管は勿論、合金鋼管、ステンレス鋼
管をはしめ、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、新居和冨「廃棄物処理プロセスに
於ける材料の問題Ｊ　１０００年１２月１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ＨＣＩ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ものと考えられる（「
日立評論Ｊ　ＶＯｌ、５２．　Ｎ（１１１，Ｐ、８６〜
９０）、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
するためには、Ｃｒ、　　ＡｌないしはＳｉ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、綱が所定量以上のＣｒ、ＡｌないしはＳｉを含
有する場合には、鋼表面に保護的な酸化被膜であるＣｒ
、０３、Ａ　Ａ　、０．或いはＳｉｎ。

が均一に生威し、腐食性の付着灰から鋼を保護する。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
Ｃｒ、０．はＣｒＯ，ＣＡ□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。ＡｌｚＯｉおよ
び５４０ｇ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４
００℃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。１Ｊ！行の使用
条件でＡｌｔＯｘ系ないしはＳｉｎｇ系保護的酸化被膜
を均一生成させるには、鋼中に多量のＡｌ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。

本発明者らは、上記のような現状に対処すべく、先に八
〇と希土類元素を同時に含有する炭素鋼またはＣｒ１３
％以下の合金鋼からなるごみ焼却廃熱ボイラ管用鋼を提
案した（特願平１−３３３９０号）。

その先願発明鋼は、■上記のような環境下では耐食性に
優れる皮膜はＡｌｔＣｈ系酸化被膜酸化被膜と、■微量
の希土類元素の添加により保護性酸化被膜はより少ない
鋼中Ａｊ！ｉｌで生成すること、■希土類元素はその一
部が、スケールと地金の界面に偏析する５分と結合し、
実質的にＳの偏析を減少させるためスケールと地金の密
着性が大幅に向上し、＾１２０３被膜の耐食性向上に寄
与するごと、■希土類元素はその酸化物が鋼中に微細に
分散するため熱間加工中に大気中から拡散、侵入してく
るＮ（窒素）に対し拡散障壁として作用し、ＡｌＮの生
成を防止するため鋼の熱間加工性の改善に寄与すること
、等の知見に基づくものであった。そして、この先願発
明鋼では、Ｃｒは溶融塩中での高温腐食の防止には殆ど
寄与しないとの認識の下に、その含有量を１３％以下に
抑えている。

さらに本発明者らはＣ１分の多いごみを焼却する設備に
おいて、そのボイラ用鋼管は停缶時にその鋼表面に結露
をきたし、Ｃｌイオンによる孔食を生してしまう問題に
対して、前記先願発明鋼を改良し、Ａｌと希土類元素を
同時に含有し、更にＣｒを１３％を超えて１６％まで含
有するごみ焼却廃熱ボイラ管用鋼を開発した（特願平１
−３７０９９号）。

この改良鋼は、■）停缶中の塩素の結露により生じる鋼
の孔食は、母材にＣｒを１３％超える量を含有させれば
、著しくその発生を抑制することが可能であること、２
）ＡＩ！含有鋼には鋼中Ｃｒが１３％を超えると加工性
が劣化する欠点があり、これは製管工程での加熱時に金
属間化合物を生成するためであるが、金属間化合物の生
成防止には鋼中のＣ量を調整し、若干量の安定化元素（
Ｔｉ、　Ｎｂ等）を添加することが有効であること、３
）これらの成分調整によっても、溶融塩腐食に対する抵
抗性は変わらず、運転中の優れた耐高温腐食性も確保で
きること、等の知見に基づくものである。

（発明が解決しようとするＩＢ）上記２件の先願発明の鋼は、いずれもごみ焼却廃熱ボイ
ラ管に使用されて優れた特性を示すが、希土類元素を含
むため、コストが嵩む難点がある。

希土類元素は反応性が極めて大きいため、溶製時に容易
に酸化スラグとなり、鋼中への歩留りは通常著しく低い
。従って、鋼中における所定含有量を確保するためには
、これ以上の量の希土類元素を溶鋼中へ添加しなければ
ならず、製造コストが嵩む。

本発明の課題は、希土類元素を使用せず、耐食性に１夏
れたＡＮ□０３系酸化被膜酸化被膜る先願発明の高クロ
ム鋼と同等以上の緒特性を有する高クロム鋼を開発する
ことにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、少ない鋼中Ａｆｉｌで、しかも希土類元
素を用いることなく、耐食性に優れるＡ　ｌ　！０３系
酸化被膜が均一生成する鋼の開発を試み、後の実ｈｉ！
１例で示すような詳細な検討を進めた結果、次のような
知見を得た。

■鋼中のＣｒＦｊｌおよびＣ置を調整すれば、希土類元
素を添加しなくても、先願発明鋼と同様の少ないＡｌｌ
で、耐食性に優れたＡ　ｆｆｉ　、０．系酸化被膜が均
一に生成する。

■希土類元素は、スケールと地金の界面に偏析するＳと
結合してスケールの密着性を損ねる偏析Ｓ量を減少させ
、スケールの密着性を大幅に向上せしめる効果を有して
いるが、希土類元素を添加せずともＣｒ含有鋼ムこ適量
のＮｉを添加すれば、保護性酸化皮膜の密着性が高まり
、耐食性が向上する。

■また、ＮｉはＡ２を含むＣｒ＠の熱間加工性を改善す
る。

これらの知見に基づいてなされた本発明は、下記の高ク
ロム鋼をその要旨とする。

ｒｉ１％で、Ｃ：　０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：２
％以下、門ｎ：２％以下、Ｃｒ：９〜１６％、Ｎｉ　：
　２〜１０％、Ａｆｆｉ　：　１〜６％、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クロ
ム鋼１上記の本発明鋼には、高点強度および加工性の改
善を目的として、更に、合計で０．１〜１％のＴｉ、Ｉ
ｆｂおよびＺｒの中の１４以上を含有させることができ
る。

（作用）以下、本発明鋼の合金成分の作用とそれらの含有量の限
定理由を説門する０合金元素の含有量の「％」は全てｒ
重量％ｊ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ある。０．００５％未満では上
記の効果がなく、０．０５％を、超えて含有するとＣが
Ｃｒと反応し、炭化物を形成してＣｒを消費してしまう
ため、鋼中の有効Ｃｒ１ｌが減少する。

鋼中の有効Ｃｒ量が減少すると、少ないＡｌ含有量では
保護性のへｌ□０．被膜が均一に生成せず、耐食性は向
上しない。従って、Ｃ含有量は０．００５〜０．０５％
が望ましい。また、Ｃ含有量がこのような低い範囲であ
れば、鋼の加工性の改善にも寄与する。

Ｓｌ：３口よ脱酸剤として必要であり、また、一般に耐酸化性
を高めるためにも有効な元素であるが、２％を超えると
シグマ脆化を促進し、金属間化合物を生成するため７容
接性を劣化させ、また組織安定性も低下させるため２％
以下が望ましい。

Ｍｎ：Ｍｎは鋼の脱酸および加工性改善のために添加するもの
であるが、過剰添加すると耐熱特性が劣化し、また靭性
も低下するのでその含有量は２％以下が望ましい。

Ｃｒ：Ｃｒは高塩強度および一般に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溶融塩付着による高
温腐食性に対してはＣｒ単独では、あまり効果がない、
しかしながら、後述するように保護性のへ２□０．被膜
の均−生成を容易にする。そのためには９％以上含有さ
せる必要がある。

Ｃｒを９％以上含有させ、Ｃ含有量を０．０５％以下に
調整すると、希土類元素を添加しなくても少ないＡｌ含
有量で、耐食性に優れるへ１２０．系酸化被膜がごみ焼
却廃熱ボイラーの腐食環境下で均一に生成する。これは
ＣｒｚＯｓがＡｌｔｏｓと全率固溶するため、鋼に所定
量のＣ「が含まれると、使用中において鋼表面で酸化し
て生成するＣｒｘＯ＋酸化物が核となり、Ａ　Ｉ　Ｊｚ
系酸酸化皮膜均一生成が容易となるためである。

一方、１６％を超えるＣｒの含有量では４７５°Ｃ跪性
が生しるため、Ｃ「含有量は１６％以下に印える必要が
ある。

Ｎｉ：Ｎｉは保護性酸化皮膜と地金界面に偏析するＳを減らし
、スケールの密着性を向上させて、耐食性を高める効果
がある。また、大気から浸入してくるＮの拡散を抑制し
、熱間加工性を改善する効果がある。さらには鋼の靭性
を改善する効果もある。

これらの効果を期待する場合は２％以上含有させる必要
があるが、必要以上に含有してもこれらの効果が飽和し
、経済的に不利となるので、上限は１０％に止めるのが
よい。

Ａｌ：ＡＡは脱酸素としての効果もあるが、希土類元素を含ま
ない本発明鋼の場合には、ごみ焼却炉雰囲気での耐食性
を確保するため、１％以上必要である。一方、９〜１６
％Ｃｒ１ｇ１ではｌ含有量が６％を超えるとＦｅ−Ａｆ
の金属間化合物を形成し、加工性をＩ員なう。

Ｔｉ、　Ｎｂ、　Ｚｒ　：これらの元素はいずれも高点強度および加工性の向上を
計る場合に、１種又は２種以上添加される。　Ｔｉ、　
Ｎｂおよび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、高層強度の劣
化抑制に有効である。また固溶したＴｉ、　Ｎｂおよび
Ｚｒは９〜１６％ＣｒのＡｆｆｉ含有鋼ではＦｅ−ＡＮ
の金属間化合物の生成を抑制するため、加工性の向上に
大きく寄与する。これらの元素は１種又２種以上合計で
０．１％から前記効果を発揮するが、上限は１％までで
充分である。

Ｐ、Ｓなどの不可避的不純物はできるだけ少ないほうが
よい。

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（ユジーンセジュル不法）や熱
間圧延法（マンネスマン法）で製管し、必要に応してさ
らに冷間抽伸を行い、さらに結晶粒を調整して強度を確
保する目的の適宜の熱処理を加えて製品鋼管とする。

（実施例）第１表に示す化学組成の鋼を真空溶解炉で１７ｋｇづつ
溶製し、インゴットに鋳造したのち、１２００°Ｃで２
時間加熱し２５ｍｍｔＸ　１００ａ＋ｍ’　Ｘ　１５０
０ｍｍ’の板状に熱間鍛造を行った。鍛造後のビレット
の一部は外表面を目視検査した。

次いで、熱間鍛造後のビレットを再び大気中１２００°
Ｃで１時間加熱して熱間圧延で７ＩＩＩＩＬまで圧延し
、空冷後、鋼の１ｎｔａを安定させるため８５０°Ｃで
３０分間加熱保持し、空冷を行った。

上記によって得た熱延板より１５ｍｍ’　Ｘ　１５ｍｍ
’　Ｘ　３ａｓ’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、ｔｆ、
験片の表裏に、２０％ＸＣＦ！−２０％Ｎａｃ１３０％
ＦｅＣ１ｚ３０％ＰｂＣｌ　ｚの合成床を３０＋＋ｇ／
ｃ１の割合で塗付し、１５００ｐｐｍｌｌＣｌ　−３０
０ｐｐｍＳＯｚ　−５％０□−５％ｃｏ２−２０％Ｉｈ
ＯｂａＮ、ＮｚのｔＰ！、焼ガスを模擬した流速１０ｃ
ｎ＋／ｌｌＩｎのガス気流中４００°Ｃで加熱、２０時
間保持する試験である。耐食性の評価には、試験後の試
験片を脱スケールして重量を求め、試験前後の重Ｍ変化
から腐食減量を求め、腐食減肉量に換算して行った。

試験結果を第１表に併記する。Ａｌ添加鋼では希土類元
素を金色場合にはＡｆｆｉ無添加銅添加鋼耐食性に優れ
る。しかしながらＡｌ添加鋼でも希土類元素を含まない
場合、腐食量は顕著に大きくなる。ところが、Ｃ含有量
を下げ、Ｎｉを添加した鋼は耐食性が格段に向上してい
る。この効果はＣを下げるか、Ｎｉを添加するかの−・
方だけでは得られない、　Ｃｒ含有量は９％以上必要で
あり、９％未満では耐食性が劣る。

第２表に、鋼の熱間加工性を検討した結果を示す、熱間
加工性は熱間鍛造後のビレットの一部をその外表面を目
視観察し、割れの有無を調べて評価した。希土類元素を
含まない場合には、Ａｌ含有銅の熱間加工性は悪いが、
Ｎｉを含有することにより熱間加工性が著しく改善され
ている。しかし、２％未満では効果がない。

第３表に、主な鋼の常温における加工性を調べた結果を
示す、加工性は熱延板よりＪＩＳ　１３号引張試験片（
板厚５１１）を切り出し、常温で引張試験を行い、その
全延びで評価した。常温加工性は低Ｃの方が良好である
。Ａｌ含有量が６％を超えると加工性は劣化する。　Ｔ
ｉ、Ｚｒ、　Ｎｂを添加した方が加工性は良くなるが、
０．１％未満ではその向上が小さい。

第４表に、大気中４７５°Ｃで１０００時間加熱保持し
た試験片の衝Ｗ試験を行った結果を示す、試験片はＪＩ
Ｓ　４号南撃試験片を熱延板から切り出し、常温で試験
した。Ｃｒ含有盪が１６％を超えると４７５°Ｃ胱性に
より衝撃特性が劣化している。また、Ｓｌ、Ｍｎなとも
含有量が多すぎる場合は衝撃特性は悪い。

第５表に、大気中＋０００°Ｃで２００時間加熱保持し
、水中に侵漬して常温まで急冷したＬＫ験片のスケール
と地金界面の密着性を試験した結果を示す、希土類元素
を含む鋼およびＮｉを２％以上含む鋼では、スケールに
上記のような熱衝撃を加えてもスケールに割れは生しな
いが、Ｎｉ無添加の鋼やＮｉ含有量の少ない綱では、ス
ケール剥離が生していることがわかる。

（以下、余白）備考欄の○は本発明鋼。

（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するボイラ管用鋼を
提供する。この鋼は希土類元素を含んでいないので比較
的安価である。本発明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計ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）重量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：
２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：９〜１６％、Ｎｉ：
２〜１０％、Ａｌ：１〜６％、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クロム鋼。
（２）重量％で、Ｃ：０．００５〜０．０５％、Ｓｉ：
２％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｃｒ：９〜１６％、Ｎｉ：
２〜１０％、Ａｌ：１〜６％、更に、合計で０．１〜１
％のＴｉ、ＮｂをおよびＺｒの中の１種以上、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
クロム鋼。