JPH046242A - 耐熱鋳鋼 - 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〕 本発明は、石油化学工業用反応管材料等として有用な高
温低サイクル疲労寿命および耐浸炭性等にすくれた耐熱
鋳鋼に関する。

〔従来の技術〕

石油化学工業用反応管、例えばエチレン製造用クランキ
ングコイルは、多数の直管がベンド管を介して接続され
た構成を有している。その反応管は高温高圧操業に耐え
得る機械的諸性質や耐酸化性等を必要とし、また浸炭（
管内反応系から析出する固形炭素が管内面に付着するこ
とにより生じ、管体の延靭性劣化の原因となる）に対す
る抵抗性が要求される。

従来より、その管材料としてＡＳＴＭ　ＨＫ４０材（０
，４％Ｃ−２５％Ｃｒ−３５％Ｎ１−Ｆｅ）、およびそ
の改良材としてＨＰ４０材（０，４Ｃ２５Ｃｒ−３５Ｎ
ｉＦｅ）にＮｂ、Ｍｏ、Ｗ等を添加したもの等が賞用さ
れてきた。そのＨＰ改良材は、１０５０℃をこえる使用
環境においてＨＰ４０材を凌ぐ高温強度および耐浸炭性
等を備えているが、近時の操業温度の高温化に十分に対
処し得るものとは言い難い。この高温化対策として、特
公昭６３−４８９７号公報には、１１００°Ｃをこえる
使用環境に耐え得るクリープ破断強度、耐浸炭性、およ
び耐酸化性等を備えた耐熱鋳鋼（０，３〜１．８％Ｎｂ
、　０．５〜６％Ｗの１種もしくは２種、および０．０
２〜０．５％Ｔｉ、０．０２〜０．５％Ｚｒの１種もし
くは２種を含有する、０．３〜０．５％Ｃ−３０〜４０
％０ｒ−４０〜５０％Ｎ　ｉ　−０，０２〜０．６　％
Ａｌ−Ｆｅ合金）が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記反応管、特にクランキングコイルに使用されるベン
ド管は、高温高圧操業条件下、引張応力と圧縮応力とが
繰返し作用する。その応力の反復サイクルは緩慢ではあ
るが、長期連続使用過程において管内面に亀裂を生じさ
せ、破壊の原因となる。

従って上記反応管のより安定な使用を可能とするには、
前記クリープ特性、耐酸化性および耐浸炭性等と共に、
高温における低サイクル疲労寿命の改善を必要とする。

本発明は上記に鑑みてなされたものである。

〔課題を解決するための手段および作用］本発明の耐熱
鋳鋼は Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：３％以下、Ｍｎ：４％以
下。

Ｐ　：　０．０３％以下、ｓ：ｏ、ｏａ％以下、　　Ｃ
ｒ：３０〜４０％。

Ｎｉ：４０〜６０％、　Ｎ：０．０８％〜０．２５％、
　ＡＩ：０．０２〜０．６％、およびＮｂ：０．２〜１
．８％、Ｗ：６％以下、Ｍｏ：４％以下の群から選ばれ
る１種ないし２種以上、Ｔｉ：０．０１〜０．５％、　
　Ｚｒ：０．０１〜０．５％から選ばれる１種もしくは
２種、残部実質的にＦｅからなる。

本発明の耐熱鋳鋼の成分限定理由は次のとおりである。

Ｃ：０．３〜０．６％ Ｃは、鋳造凝固時に、Ｃｒ炭化物、（Ｎｂ、Ｔｉ）炭化
物を粒界に形成し、またオーステナイト相に固溶したＣ
はチューブの実使用時の加熱を受けてＣｒ炭化物を形成
する。これらの炭化物の分散効果によりクリープ破断強
度が高められる。この効果を十分なものとするためには
少なくとも０．３％のＣを必要とする。しかし、多量添
加に伴い、Ｃｒ−Ｍ。

Ｗ系複炭化物が多量に析出し、室温伸び特性の低下およ
び溶接性の低下をきたすので、０．６％を上限とする。

Ｓｉ：３％以下 Ｓｉは脱酸作用、および溶湯の流動性向上・鋳造性改善
効果を有するほか、チューブ実使用時の加熱によりチュ
ーブ表面にＳ　ｉ　Ｏｚの被膜を形成し、Ｃの侵入を抑
制する。しかし、３％を越えて多量に添加すると、クリ
ープ破断強度の低下および溶接性の低下をきたすので、
３％を上限とする。

Ｍｎ：４％以下 Ｍｎは脱酸作用を有すると共に、ＳをＭｎＳとして固定
することにより、溶接性の向上に奏効する。

これらの効果は４％までの添加により得られ、それを越
えて添加する必要はない。

Ｐ：０．０３％以下、Ｓ　：　０，０３％以下不純物元
素であるＰおよびＳはいずれも溶接時の高温割れ感受性
を高めるので、それぞれ０．０３％を上限とする。

Ｃｒ：３０〜４０％ Ｃｒは耐酸化性および高温強度を高め、また耐浸炭性の
向上に奏効する。１１００°Ｃをこえる高温域、特に１
１５０°Ｃ付近での使用における耐浸炭性および耐酸化
性等を確保するためには、少なくとも３０％の添加を必
要とする。添加増量に伴ってその効果をますが、あまり
多くすると、−火災化物の幅が広くなり、また二次炭化
物の析出量が過剰となり引張延性の低下をきたす。この
ため、４０％を上限とする。

Ｎｉ：４０〜６０％ Ｎｉは、Ｃｒ、Ｆｅ等と共にオーステナイト相を形成し
、組織の安定化、耐酸化性の向上に寄与する。

また、Ｃｒ炭化物を安定化し、チューブの長時間使用に
おける一次炭化物の球状化および二次炭化物の成長粗大
化と、それに伴うクリープ破断強度の低下を抑制防止す
る。更にＮｉは、チューブ表層の酸化被膜を安定化する
ことにより耐浸炭性を高める。これらの効果は、約３５
％程度の添加により得られるが、特に１１５０″Ｃ付近
の高温使用における耐浸炭性を確保するには、少なくと
も４０％の添加を必要とする。添加増量に伴って効果を
増すが、６０％をこえると、耐浸炭性の改善効果はほぼ
飽和する。このため６０％を上限とする。

Ｎ　：　０．０８〜０．２５％ Ｎはマトリックスへの固溶等により、高温低サイクル疲
労特性を高める。この効果は添加量０．０８％から認め
られ、添加増量と共に効果を増す。好ましくは、０．１
％以上とする。しかし、あまり多く添加すると、室温伸
び特性の低下をみる。室温伸び特性が低下すると、チュ
ーブ等の溶接補修の施工において、溶接熱応力が拘束さ
れ、補修後の再使用時に割れを生しる原因となる。この
ため、０．２５％を上限とする。好ましくは０．２％以
下である。

Ａ１：０．０２〜０．６％ ＡＩは高温域において部材表面に保護膜を形成し、浸炭
雰囲気からのＣの侵入を防止する。この耐浸炭性改善効
果を得るには少なくとも０．０２％を必要とする。好ま
しくは０．１％以上である。なお、ＡＩのクリープ破断
強度向上に対する効果は少なく、多量に添加すると却っ
て室温における延性の低下を招く。従って、０．６％を
上限とする。好ましくは０．４％までである。

Ｎｂ　：　０．２〜１．８％ Ｎｂは、鋳造凝固時に、（Ｎｂ、Ｔｉ）炭化物を粒界に
形成する。その炭化物の存在によりクリープにおける粒
界破壊抵抗性が高められ、クリープ破断寿命が増大する
。その効果は０．２％以上の添加により顕著に現れる。

しかし、１．８％をこえる多量添加に伴って却ってクリ
ープ破断強度が低下し、また耐酸化性も悪くなるので、
１．８％を上限とする。

Ｍｏ：４％以下 Ｍｏはオーステナイト相の固溶強化と、ＣｒＭｏ系炭化
物の形成による粒界強化とにより高温引張強度を高める
。また溶接性の改善にも奏効する。しかし、あまり多く
なると、Ｃｒ、Ｍｏ系炭化物量が過剰となり、引張延性
の低下をきたすので、４％を上限とする。

Ｗ：６％以下 Ｗは、前記ＭＯと同じようにオーステナイト相の固溶強
化と、粒界の炭化物析出による粒界強化によって高温引
張強度を高めるが、６％をこえる多量添加では高温引張
延性の低下をきたすので、６％を上限とする。

Ｔｉ　：　０．０１〜０．５％ Ｔｉは、チューブ等の実使用時の加熱下におけるクロム
炭化物の成長粗大化を抑制遅延させることによりクリー
プ破断強度の向上に寄与する。この効果は０．０１％以
上の添加により得られる。しかし、多量添加に伴って酸
化物系介在物の増量および析出物の粗大化等により却っ
て強度低下をきたすので、０．５％を上限とする。

Ｚｒ　：　０．０１〜０．５％ Ｚｒは、オーステナイト相の固溶強化により、クリープ
破断強度を高める。この効果は０．０１％以上の添加に
より現れ、添加増量に伴ってその効果をます。しかし、
０．５％をこえると、合金の清浄度が悪くなり却って強
度の低下を生しる。このため、０．５％を上限とする。

〔実施例〕

高周波誘導溶解炉で溶製した耐熱鋳鋼溶湯を、遠心力鋳
造に付して中空円筒鋳造体（外径＝１３８閣、肉厚：２
３．５ｍｍ、長さ：　　５２０ｍｍ）を得た。

各鋳造体の化学成分組成を第１表に示す。表中、Ｎα１
およびＮα２は発明例、Ｎα３比較例である。

各供試鋳造材について、試験片を切出し、高温低サイク
ル疲労試験および浸炭試験を行った。

ＣＩ）高温低サイクル疲労試験 両端鍔付き丸棒状試験片（平行部の軸径：１０ｍｍ。

平行部の長さ：２０＋＋ｏ、標点距離：１５ｍｍ、平行
部表面あらさ：６．３Ｓ）に、軸方向の引張応力と圧縮
応力を反復作用させる。

試験温度：　１０００°Ｃ２歪速度：　０．０１％／ｓ
ｅｃ、最大歪：±０．５％１周期：２００秒。

（Ｉｆ）浸炭試験 試験片（３０Ｘ　７０　Ｘ　１５．　ｍｍ　）を固体浸
炭剤（デグサＫＧ３０）中に埋覆して加熱し、８５０°
Ｃから１１５０°Ｃまで３０Ｈｒを要して昇温させ、１
１５０°Ｃに１８Ｈｒ保持したのち室温まで降温させる
ヒートパタンを７回反復実施（試験時間合計：（３０Ｈ
ｒ＋１８Ｈｒ）　Ｘ　７　＝３３６Ｈｒ）。

試験後、試験片表面から４＋ａ＋の深さまで、０．５ｍ
ｍのピッチで切粉を採取し、化学分析により各深さ位置
における炭素増加量を求める。

第１表右欄に、高温低サイクル疲労試験結果を示す。ま
た、第１図に浸炭試験片の深さ方向における炭素増量分
布を示す。

上記試験結果から明らかなように、発明例の合金は、比
較例（Ｎα３）に比し改良された高温低サイクル疲労特
性を有している。また、その耐浸炭性も比較例（Ｎα３
）と同等ないしそれ以上である。

〔発明の効果〕

本発明の耐熱鋳鋼は、高温域において従来材であるＨＰ
材やその改良材を凌く材料特性を有し、特に高温低サイ
クル疲労特性にすぐれていると共に、耐浸炭性、耐酸化
性、クリープ特性等も良好である。従ってエチレンクラ
ッキングチューブ材料として有用であり、高温高圧操業
におけるチューブの耐久性・安定性の向上効果が得られ
る。なお、本発明の耐熱鋳鋼は、リフオーマチューブあ
るいはラジアントチューブ、ハースローラ等の各種高温
用構造材料としても有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は浸炭試験片の深さ方向の炭素濃度分布を示すグ
ラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、Ｃ：０．３〜０．６％、Ｓｉ：３％以下、Ｍｎ：４
   ％以下、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．０３％以下、Ｃ
   ｒ：３０〜４０％、Ｎｉ：４０〜６０％、Ｎ：０．０８
   ％〜０．２５％、Ａｌ：０．０２〜０．６％、およびＮ
   ｂ：０．２〜１．８％、Ｗ：６％以下、Ｍｏ：４％以下
   の群から選ばれる１種ないし２種以上、Ｔｉ：０．０１
   〜０．５％、Ｚｒ：０．０１〜０．５％から選ばれる１
   種もしくは２種、残部実質的にＦｅからなる耐熱鋳鋼。