JPH0339461A

JPH0339461A - 耐食性と伝熱効率に優れた表面処理鋼管及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0339461A
Application number: JP17534889A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Anraku; 敏朗安楽; Hiroshi Teranishi; 寺西　洋志
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-07-06
Filing date: 1989-07-06
Publication date: 1991-02-20

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、主として火力発電所の熱交換用チューブ、
例えば、節炭器管、蒸発管、過熱器管、再過熱器管など
に使用される鋼管であって、優れた耐食性と高い伝熱効
率を有する表面処理鋼管に関する。

（従来の技術）火力発電プラントの過熱器や再熱器に使用される鋼管は
、管内面側は高温の水蒸気によって激しく酸化される。

生成した酸化スケールは、プラント（ボイラ）の降温時
もしくは昇温時に熱歪みを受けて管内面から剥離し、管
路の閉塞やタービン翼のエロージａンなどのトラブルを
惹起する。

一方、管の外面側は、燃焼ガスの高温に曝されるだけで
なく、燃料中の■やＮａに起因する苛烈な高温腐食を受
ける。

上記のような熱交換用チューブの内外面の酸化もしくは
高温腐食の防止に、クロマイジング処理が極めて効果的
であることが知られている（例えば、「鉄と鋼」第７２
号（１９８６）第１１号、４８〜５５頁）。

クロマイジング処理は、管の素材（合金）の高級化に較
べて経済的にも有利であり、管内外面の同時処理も可能
で、実用性の高い技術である。

近年、省エネルギーの観点からボイラ効率の向上が望ま
れている。ボイラの熱効率を上昇させる手段としては、
熱交換用管の伝熱面積を増加させることによる蒸発量の
増加が有効である。このような伝熱面積増加法としては
、管の内外面にフィンをつける方法がある。しかし、細
径管の内面に押出加工や切削加工でフィンを付けるにし
ろ、管の外面に例えば帯鋼をスパイラル状に溶接してフ
ィンを付けるにしろ、加工、溶接のコスト増大が避けら
れない。

（発明が解決しようとする！！ｌ１ｌ）本発明の課題は
、熱交換用鋼管の耐酸化性および耐高温腐食性（併せて
「耐食性」と記す）の改善と、伝熱効率の向上、具体的
には伝熱面積の増大とを、同時に達成することにある。

本発明の目的の一つは、耐食性と伝熱効率に優れた鋼管
を提供することにあり、いま一つの目的は、かかる鋼管
を安価に製造する新しい方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明者らは、前記のクロマイジング技術の利点を生か
し、特別の処理工数の増加なしに、耐食性と伝熱効率が
著しく改善された鋼管を得ることに成功した。即ち、鋼
管の内面もしくは外面、またはその両者に多孔質のクロ
マイジング層を形成させることによって、耐食性の改善
と同時に管表面の伝熱面積を増大させて伝熱効率を高め
ることができるのである。

本発明の要旨は、 ■　内表面と外表面の少なくとも一方に多孔質のクロマ
イジング層を有する耐食性と伝熱効率に優れた表面処理
鋼管、および ■　金属Ｖ粉末と金属Ｃｒ粉末を含有する粉末浸透剤で
あって、金属Ｃｒ粉末に対する金属Ｖ粉末の重量比が０
．０５〜４の範囲である浸透剤を使用してクロマイジン
グ処理を行うことを特徴とする上記■の表面処理鋼管の
製造方法、にある。

多孔質のクロマイジング層とは、具体的には第１図のＢ
に模式的に示すように、鋼管表面のＣｒ浸透層（クロマ
イジング層）が多孔質になっているものを意味する。こ
のような層の表面は、クロマイジング処理していない鋼
管表面（第１図のＡ）に比較して外気（燃焼ガスまたは
水蒸気）に触れる表面積が大きくなっており、熱伝達効
率が高い。

鋼管母材のＣ含有量が多い場合には、後に説明する第２
図Ｂ、Ｃに示すように、最外層にカーバイド層が生成す
ることがある。しかし、このカーバイド層は、水やガス
を自由に通す層であるから、伝熱効率には影響しない、
従って、カーバイド層の下のクロマイジング層を多孔質
化することによって、伝熱効率を高めることが可能にな
る。

上記のようにクロマイジング層を多孔化する程度につい
て言えば、従来の普通のクロマイジング層よりも、幾分
でも多孔質になっていればそれだけ伝熱効率が向上する
から、特に下限値はない。

一方、多孔質化の上限は、クロマイジング層の防食効果
との兼ね合いで決めればよい、実用的には、例えばクロ
マイジング処理を行う前の表面積に対して１０〜５００
％の表面積の増大があるようにするのが望ましい、その
理由は、１０％未満の表面積増加では、後述の第２表に
示すように実質的な熱貫流率の向上が望めず、５００％
を超える表面積の増加があっても熱貫流率の向上効果は
飽和して、むしろ多孔質化するために使用するＶの浸透
量が多くなり過ぎてクロマイジング層の防食性能の低下
が大きくなるからである。

クロマイジング処理の対象となる鋼管は、前記のような
用途に適する材料特性を備えたもの、例えば、ＪＩＳの
規格材ではＳＴＢ　４２．５７８＾２２、同２３、同２
４．５ＩＪＳ　３０４　ＴＢ、同ＨＴＢ、　ＳＯＳ　３
２１１１ＴＢＳＳｔｌＳ　３４７ＨＴＢのような鋼で作
られた鋼管である。

クロマイジング処理は、鋼管の使用条件に応じて、内面
だけ、外面だけ、あるいはその両方に施すことができる
０通常は、内外面からの腐食（酸化）を受けることが多
いから内外面を同時にクロマイジング処理するのが望ま
しい、伝熱効率の向上という面からも、内外面をクロマ
イジング処理する方がよい、ボイラ管の内表面が第１図
Ｂに示すように多孔質化していれば、核沸騰を促進する
という効果もある。

上記のような多孔質のクロマイジング層は、浸透剤とし
て金属■粉末と金属Ｃｒ粉末とを、重量比で０．０５〜
４の割合で含有する粉末原料を用いてりロマイジング処
理を行って形成させるのがよい。

浸透剤の！ｌｌ威を例示すれば下記のとおりである。

浸透剤：金属Ｖ粉末５〜４５重量％、金属Ｃｒ粉末３５〜７５重
量％、アルミナ粉末１０〜７０重量％に、ＮＨ，ＣＩＮ
ａＣｊ！％ＮＨａＢｒ等のハロゲン化物０．５〜５重量
％を混合したもの。

上記のような浸透剤を使用し、不活性ガスまたは水素雰
囲気中で、温度：９００〜１１５０℃で２〜１０時間の
処理を行えばよい。

（作用）本発明の多孔質クロマイジング層を有する表面処理鋼管
ができる原理は、下記のとおりである。

通常の金属Ｃｒ粉末だけを含む浸透剤で処理した場合の
クロマイジングの反応は、ハロゲン化物としてＮＨ４Ｃ
ｊ！を使用する場合を例にとると、ＮＨａＣｊ！＝　　
ＮＨｓ＋ＨＣｆｆｉ　　　・・・・（１）Ｃｒ＋ＨＣｊ
！−＋　　Ｈｇ＋ＣｒＣｊ！ｚ　　・・・・（２）と反
応し、生成したＣｒＣｊ！ｔが、鋼管素地のＦａと下記
（３）式により置換反応するか、下記（４）式のように
分解反応してＣｒが析出する。このＣｒが素地表面から
浸透して第２図のＡに示すような空孔のない緻密なりロ
マイジング層が形成される。

ＣｒＣｊ！ｔ　＋Ｆｅ　　−＊　　Ｃｒ＋ＦｅＣ１ｘ　
　・・・・（３）ＣｒＣ１，→Ｃｒ＋Ｃｌ！　・・・・
・・・・（４）ここで、浸透剤の中にＶが存在すると、
■は上記（１）式の反応生成物であるＩＩＣＪ！と下記
（５）式のように反応する。この反応は上記（２）式に
優先しておこり、ＭＣｌ１ａが生成する。

２Ｖ　＋６ＨＣｊ！→３Ｈ＊　＋　２ＶＣｊ！＊　　・
・・（５）このＶＣＬが素地のＦｅと下記のように反応
する。

Ｆｅ＋ＶＣｊ！ｓ　→ＰｅＣ１１ｓ　＋ｖ　　ｌ　Ｈ・
（６）ＶＣＺ、は、（２）式の反応生成物ＣｒＣｌ　＊
よりも素地のＦｅに置換されやすいため、（６）式の反
応が（３）式に優先しておこる。（３）式の反応生成物
ＦｅＣ１雪はクロマイジング処理の温度では液相となっ
て素地中にとどまるのに対して、（６）式の反応生成物
のＰｅＣ１５は、素地の表面から揮発して表面を多孔質
化し、■が前記Ｃｒと同時に素地に浸透して行く、この
ようにして、鋼管表面のクロマイジング層の形成とその
多孔質化とが同時に進行するのである。

浸透剤中のＶ粉末の配合量は、少なすぎると上記の多孔
質化の効果が現れず、多すぎると素地に浸透するＶ量が
過大になって、４融点の低いＶｇＯｓが生じ、また耐食
性を保証するＣｒの濃度不足を来して耐食性の低下を招
く、従って、■粉末の量は、Ｃｒ粉末に対して重量比で
０．０５〜４の範囲にするのが適当である。

（実施例）第１表に示す組成のボイラ用鋼管（５０ｍ−φ×１０ｍ
ａｔ　Ｘ５００ｍｍＩ！、）を、金属Ｖ粉末と金属Ｃ「
粉末の重量比の異なる種々の浸透剤を用いて処理した。

なお、浸透剤は、金属Ｖと金属Ｃｒのほか、Ａｊ！１０
ｚ２０重量％、Ｎ１１４ＣＩ！２重量％とから戒る。

処理は、Ａｒガス雰囲気中、１０５０℃の温度で１０時
間実施した。その後、鋼管表面から試験片を切り出し、
表面積の増加率の測定と、２０ＺＶオａ、−８０２Ｎａ
ｔＳＯａの粉末を表面に塗布し、１χＳＯｘ　　５ＸＯ
ｘ−１５ＸＣＯｔ−ｂａｊ！、Ｎｘの雰囲気中で６５０
℃×１００時間の腐食試験を実施した。この腐食試験は
、ボイラ管の高温腐食を想定したものである。

更に、伝熱特性を次のようにして測定した。即ち、管長
２０ｍｍの供試管を、これより内径の大きな管内に装入
し、供試管内に冷却水を流通させる一方、供試管と外管
との間に温水を流し、前記冷却水の流量と入側および出
側の温度を測定し、熱交換量を算出して熱貫流率を求め
た。

第２表に、浸透剤のＶとＣｒの重量比と、試験結果をま
とめて示す。

なお、クロマイジング層の表面積は、１００倍の光学顕
微鏡で表面の断面観察を行い、外へ開口した空孔（また
は、カーバイド層側に開口した空孔）の数と平均直径と
をカウントして算出した。

表面積の増加率は、下記の式で算出した。

なお処理前の表面積も前記と同様に１００倍の光学顕微
鏡で表面部の断面観察を行って算出した。

第２図Ａは、クロマイジング処理前の鋼管表面、第２図
Ｂは、第２表の試験胤８の本発明によるりロマイジング
処理後の表面、第２図Ｃは、従来のクロマイジング処理
に相当する第２表の弘２の表面の断面の金属組織を示す
写真（倍率５００倍）である。

第２図のＢとＣとを対比してみれば、本発明のもの（Ｂ
）ではクロマイジング層中に黒く見える空孔が多数存在
し、多孔質化していることがわかる。また、クロマイジ
ング層自体もその厚み（深さ）が増しており、ＶがＣｒ
浸透の促進効果を有することをうかがわせる。

第２表に示すように、本発明の方法によって得られる多
孔質クロマイジング層を持つ鋼管（ＮａｌＯ〜Ｎａ３０
）は、処理前の鋼管表面に較べて表面積が大幅に増加し
ている。そのため、伝熱効率の向上が著しい、耐食性に
おいても、従来のクロマイジング法で作製した、例えば
ＮＩＩＬ２に較べて全く遜色はない、ただし、浸透剤の
Ｖの量が過大になると、表面層にＶｔＯｓが生成して、
耐食性が悪くなる（ＮＩＩＬ２２〜３０）、特に、表面
積増加率が５００％を超える弘２８〜３０は腐食減量が
大きい。

本発明は、多孔質のクロマイジング層をもつ鋼管を要旨
の一つとするものであるが、第２表からも明らかなよう
に、耐食性をも考慮する場合には多孔質のクロマイジン
グ層の表面積増加率には適正な範囲があり、それを得る
ための浸透剤のＶとＣｒの含有量の比率にも適正な範囲
がある。

（発明の効果）本発明は、実用性の高いクロマイジング処理によって、
耐食性とともに熱伝達効率の改善されて鋼管と、その製
造方法を提供するものである０本発明の鋼管は、発電プ
ラントなどの熱交換用管として利用価値の高いものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、多孔質のクロマイジング層を説明する図で、
Ａはクロマイジング処理前、Ｂは処理後の鋼管表面の拡
大断面模式図である。第２図は、鋼管表層部の金ｒＩＡ組織写真で、Ａはクロ
マイジング処理前、Ｂは本発明の多孔質のクロマイジン
グ層を有する処理材、Ｃは従来のクロマイジング層を有
する処理材である。いずれも倍率は５００倍である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）内表面と外表面の少なくとも一方に多孔質のクロ
マイジング層を有する耐食性と伝熱効率に優れた表面処
理鋼管。
（２）金属Ｖ粉末と金属Ｃｒ粉末を含有する粉末浸透剤
であって、金属Ｃｒ粉末に対する金属Ｖ粉末の重量比が
０．０５〜４の範囲である浸透剤を使用してクロマイジ
ング処理を行うことを特徴とする請求項（１）の表面処
理鋼管の製造方法。