JPH055160A - 高温熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼 - Google Patents
高温熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼Info
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- JPH055160A JPH055160A JP18301491A JP18301491A JPH055160A JP H055160 A JPH055160 A JP H055160A JP 18301491 A JP18301491 A JP 18301491A JP 18301491 A JP18301491 A JP 18301491A JP H055160 A JPH055160 A JP H055160A
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- cast steel
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 石油化学反応管材料等として使用される耐熱
鋳鋼の高温熱疲労寿命等の改善。 【構成】 Ｃ：0.03％以上、0.1％未満、Ｓｉ：0.5〜３
％、Ｍｎ：５％以下、Ｃｒ：23〜39％、Ｎｉ：35〜60
％、Ｎｂ：0.2〜２％、およびＴｉ：0.01〜0.5％、Ｚ
ｒ：0.01〜0.5％のいずれか1 種もしくは2 種の元素、
残部実質的にＦｅからなり、所望によりＦｅの一部が0.
02〜0.6％のＡｌで置換された化学組成を有する耐熱鋳
鋼。
鋳鋼の高温熱疲労寿命等の改善。 【構成】 Ｃ：0.03％以上、0.1％未満、Ｓｉ：0.5〜３
％、Ｍｎ：５％以下、Ｃｒ：23〜39％、Ｎｉ：35〜60
％、Ｎｂ：0.2〜２％、およびＴｉ：0.01〜0.5％、Ｚ
ｒ：0.01〜0.5％のいずれか1 種もしくは2 種の元素、
残部実質的にＦｅからなり、所望によりＦｅの一部が0.
02〜0.6％のＡｌで置換された化学組成を有する耐熱鋳
鋼。
Description
【０００１】
【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熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼
に関する。
材料等として有用な高温熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼
に関する。
【０００２】
【従来の技術】石油化学工業における炭化水素類の熱分
解・改質炉内の反応管、例えばエチレンクラッキングチ
ューブは、多数の直管を、Ｕ字型管やエルボウ管等のベ
ンド管を介して溶接することにより炉内に配管構築され
る。
解・改質炉内の反応管、例えばエチレンクラッキングチ
ューブは、多数の直管を、Ｕ字型管やエルボウ管等のベ
ンド管を介して溶接することにより炉内に配管構築され
る。
【０００３】上記反応管は、高温高圧操業（温度：約75
0 〜1100℃、圧力：約40Kgf/cm2 ）に耐え得る諸特性、
殊に高温クリープ破断強度、耐酸化性、耐浸炭性等を必
要とし、また溶接による配管構築や補修施工のための良
好な溶接性が要求される。
0 〜1100℃、圧力：約40Kgf/cm2 ）に耐え得る諸特性、
殊に高温クリープ破断強度、耐酸化性、耐浸炭性等を必
要とし、また溶接による配管構築や補修施工のための良
好な溶接性が要求される。
【０００４】従来より、反応管材料として、ＡＳＴＭ
ＨＰ40（0.4Ｃ−25Ｃｒ−35Ｎｉ−Ｆｅ）や、これにＮ
ｂ、Ｍｏ等が添加されたＨＰ改良材等が専ら使用されて
きた。また、反応管の耐久性改善等を目的として多くの
提案がなされており、例えば特公昭63−4897号公報に
は、Ｃ0.3〜0.5％、Ｃｒ30〜40％、Ｎｉ：40〜50％、Ａ
ｌ：0.02〜0.6 ％を含有し、これにＮｂ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ等が添加された化学組成の耐熱鋳鋼、特公平２−5097
6 号公報には、Ｃ0.3〜0.6％ Ｃｒ20〜30％、Ｎｉ30〜
40％、Ａｌ0.02〜0.5％を含有し、これにＴｉ、Ｂ、Ｎ
ｂ、Ｗ、Ｍｏ等が添加された化学組成を有する耐熱鋳鋼
が開示されている。
ＨＰ40（0.4Ｃ−25Ｃｒ−35Ｎｉ−Ｆｅ）や、これにＮ
ｂ、Ｍｏ等が添加されたＨＰ改良材等が専ら使用されて
きた。また、反応管の耐久性改善等を目的として多くの
提案がなされており、例えば特公昭63−4897号公報に
は、Ｃ0.3〜0.5％、Ｃｒ30〜40％、Ｎｉ：40〜50％、Ａ
ｌ：0.02〜0.6 ％を含有し、これにＮｂ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ等が添加された化学組成の耐熱鋳鋼、特公平２−5097
6 号公報には、Ｃ0.3〜0.6％ Ｃｒ20〜30％、Ｎｉ30〜
40％、Ａｌ0.02〜0.5％を含有し、これにＴｉ、Ｂ、Ｎ
ｂ、Ｗ、Ｍｏ等が添加された化学組成を有する耐熱鋳鋼
が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記反応管は、高温高
圧操業下に、熱サイクルによる引張応力と圧縮応力が繰
返し作用する。その熱サイクルは比較的緩慢であるが、
長期使用過程において、熱応力の反復による疲労が進
み、管内面にクラックが生じる原因となる。
圧操業下に、熱サイクルによる引張応力と圧縮応力が繰
返し作用する。その熱サイクルは比較的緩慢であるが、
長期使用過程において、熱応力の反復による疲労が進
み、管内面にクラックが生じる原因となる。
【０００６】反応管の熱疲労は、直管部分に比し、ベン
ド管の部分に生じ易い。直管と異なってベンド管の製造
には、遠心力鋳造法を適用することができないので、置
き注ぎ鋳造法によらざるを得ず、置き注ぎ鋳造で、引け
巣等の鋳造欠陥を防ぎ、健全な鋳造品質を得るには、管
壁を肉厚に設計しなければならないからである。また、
実使用過程で、管内の反応系から析出する固形炭素は、
直管部分よりもベンド管の内面に沈着し易く、その付着
堆積層により、管の内部と外部との間の伝導伝熱が阻害
されることも上記熱疲労を促進する一因となる。
ド管の部分に生じ易い。直管と異なってベンド管の製造
には、遠心力鋳造法を適用することができないので、置
き注ぎ鋳造法によらざるを得ず、置き注ぎ鋳造で、引け
巣等の鋳造欠陥を防ぎ、健全な鋳造品質を得るには、管
壁を肉厚に設計しなければならないからである。また、
実使用過程で、管内の反応系から析出する固形炭素は、
直管部分よりもベンド管の内面に沈着し易く、その付着
堆積層により、管の内部と外部との間の伝導伝熱が阻害
されることも上記熱疲労を促進する一因となる。
【０００７】反応管の熱疲労が進むと、クラックを生じ
管体破壊の事故を招く原因となる。反応管の耐用寿命の
向上・安定化を図るには、高温クリープ強度、耐熱性、
耐浸炭性等のほか、熱疲労強さにもすぐれていることが
必要である。従来の反応管用耐熱鋳鋼は高温クリープ強
度や耐浸炭性等の点では満足し得るものの、熱疲労強さ
の点で改良すべき余地が残されている。本発明は上記に
鑑みてなされたものである。
管体破壊の事故を招く原因となる。反応管の耐用寿命の
向上・安定化を図るには、高温クリープ強度、耐熱性、
耐浸炭性等のほか、熱疲労強さにもすぐれていることが
必要である。従来の反応管用耐熱鋳鋼は高温クリープ強
度や耐浸炭性等の点では満足し得るものの、熱疲労強さ
の点で改良すべき余地が残されている。本発明は上記に
鑑みてなされたものである。
【０００８】
【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：0.03％以上、0.1％未満、Ｓｉ：0.5〜３
％、Ｍｎ：５％以下、Ｃｒ：23〜39％、Ｎｉ：35〜60
％、Ｎｂ：0.2〜２％、およびＴｉ：0.01〜0.5％、Ｚ
ｒ：0.01〜0.5％、Ａｌ：0.02〜0.6 ％のいずれか１種
もしくは２種以上の元素、残部実質的にＦｅからなる化
学組成を有している。本発明の耐熱鋳鋼の成分限定理由
は次のとおりである。
鋳鋼は、Ｃ：0.03％以上、0.1％未満、Ｓｉ：0.5〜３
％、Ｍｎ：５％以下、Ｃｒ：23〜39％、Ｎｉ：35〜60
％、Ｎｂ：0.2〜２％、およびＴｉ：0.01〜0.5％、Ｚ
ｒ：0.01〜0.5％、Ａｌ：0.02〜0.6 ％のいずれか１種
もしくは２種以上の元素、残部実質的にＦｅからなる化
学組成を有している。本発明の耐熱鋳鋼の成分限定理由
は次のとおりである。
【０００９】Ｃ：0.03％以上、0.1％未満 Ｃは鋳造凝固時に、Ｎｂ等と結合し粒界に共晶炭化物を
形成して粒界破壊抵抗性を高め、クリープ破断強度の向
上に寄与する。また、オーステナイト地に固溶したＣは
高温使用過程で、炭化物を形成して基地中に分散析出し
クリープ破断強度を高める。この効果を得るために0.03
％を下限とする。添加増量により効果を増すが、その反
面、高温使用過程で炭化物の過剰析出による延性の低下
をきたす。この時効延性の低下により室温伸びが小さく
なると、溶接補修施工における溶接性が低下する。この
ため0.1％未満とする。
形成して粒界破壊抵抗性を高め、クリープ破断強度の向
上に寄与する。また、オーステナイト地に固溶したＣは
高温使用過程で、炭化物を形成して基地中に分散析出し
クリープ破断強度を高める。この効果を得るために0.03
％を下限とする。添加増量により効果を増すが、その反
面、高温使用過程で炭化物の過剰析出による延性の低下
をきたす。この時効延性の低下により室温伸びが小さく
なると、溶接補修施工における溶接性が低下する。この
ため0.1％未満とする。
【００１０】Ｓｉ：0.5 〜３％ 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、高温使用時に、部材表面にＳｉＯ2
の被膜を形成する。そのＳｉＯ2被膜は浸炭防止効果を
有する。この効果は0.5％以上の添加により得られる。
しかし、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。
効果を有するほか、高温使用時に、部材表面にＳｉＯ2
の被膜を形成する。そのＳｉＯ2被膜は浸炭防止効果を
有する。この効果は0.5％以上の添加により得られる。
しかし、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。
【００１１】Ｍｎ：５％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。添加増量に
より効果を増すが、５％をこえる添加の利益はなく、却
って耐酸化性の低下を招く。このため、５％を上限とす
る。
することにより、溶接性の向上に奏効する。添加増量に
より効果を増すが、５％をこえる添加の利益はなく、却
って耐酸化性の低下を招く。このため、５％を上限とす
る。
【００１２】Ｃｒ：23〜39％ 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。1000℃をこえる高温使用におけるこれ
らの効果を確保するためには、少なくとも23％の添加を
必要とする。添加増量に伴ってその効果を増すが、あま
り多くすると、高温使用過程でのＣｒ炭化物の過剰析出
により、時効延性の低下を招くので、39％を上限とす
る。
向上に奏効する。1000℃をこえる高温使用におけるこれ
らの効果を確保するためには、少なくとも23％の添加を
必要とする。添加増量に伴ってその効果を増すが、あま
り多くすると、高温使用過程でのＣｒ炭化物の過剰析出
により、時効延性の低下を招くので、39％を上限とす
る。
【００１３】Ｎｉ：35〜60％ Ｎｉは、Ｃｒ、Ｆｅ等と共にオーステイナト地を形成す
る元素であり、組織の安定化、耐酸化性の改善効果を有
する。また、高温域でのＣｒ炭化物の安定性を高め、時
効延性の低下を抑制する効果を有するほか、合金表面の
酸化被膜を安定化し、耐浸炭性の向上に寄与する。これ
らの効果を得るために下限量を35％とする。添加増量に
よりその効果を増すが、60％までで十分であり、それ以
上の添加は経済性を損なう。
る元素であり、組織の安定化、耐酸化性の改善効果を有
する。また、高温域でのＣｒ炭化物の安定性を高め、時
効延性の低下を抑制する効果を有するほか、合金表面の
酸化被膜を安定化し、耐浸炭性の向上に寄与する。これ
らの効果を得るために下限量を35％とする。添加増量に
よりその効果を増すが、60％までで十分であり、それ以
上の添加は経済性を損なう。
【００１４】Ｎｂ：0.2 〜２％ Ｎｂは粒界に共晶炭化物を形成し、粒界破壊抵抗性を高
めクリープ破断強度の向上に寄与する。その効果は0.2
％以上の添加により現れる。しかし、多量添加に伴い却
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、２％を上限とする。
めクリープ破断強度の向上に寄与する。その効果は0.2
％以上の添加により現れる。しかし、多量添加に伴い却
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、２％を上限とする。
【００１５】Ｔｉ：0.01〜0.5％ Ｔｉは高温域でのＣｒ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クリープ破断強度の低下をきたす
ので、0.5％を上限とする。
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クリープ破断強度の低下をきたす
ので、0.5％を上限とする。
【００１６】Ｚｒ：0.01〜0.5％ Ｚｒはオーステナイト地の固溶強化により、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増す。しかし、0.5％
をこえると、合金の清浄度が悪くなり却ってクリープ破
断強度の低下をきたす。このため、0.5％を上限とす
る。
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増す。しかし、0.5％
をこえると、合金の清浄度が悪くなり却ってクリープ破
断強度の低下をきたす。このため、0.5％を上限とす
る。
【００１７】Ａｌ：0.02〜0.6％ Ａｌは高温域において合金表面に保護皮膜を形成し、高
温耐酸化性を高めるほか、浸炭雰囲気からのＣの侵入を
防止する。この効果を得るには0.02％以上を必要とす
る。しかし、多量の添加は室温延性の低下を招くので、
0.6％を上限とする。
温耐酸化性を高めるほか、浸炭雰囲気からのＣの侵入を
防止する。この効果を得るには0.02％以上を必要とす
る。しかし、多量の添加は室温延性の低下を招くので、
0.6％を上限とする。
【００１８】なお、通常の溶製技術上不可避的に混入す
る不純物はこの種の鋼に許容される範囲内で混在して差
し支えなく、例えば0.03％以下のＰ、0.03％以下のＳの
混在によって本発明の趣旨が損なわれることはない。
る不純物はこの種の鋼に許容される範囲内で混在して差
し支えなく、例えば0.03％以下のＰ、0.03％以下のＳの
混在によって本発明の趣旨が損なわれることはない。
【００１９】
【実施例】高周波誘導溶解炉で溶製した鋳鋼溶湯を、遠
心力鋳造に付して供試管材を得た。管サイズ（機械加工
後）は、外径138 mm、肉厚26mm、長さ380 mm、である。
各供試管材の化学成分組成を表１に示す。表１中、供試
No. １〜５は発明例、No.101〜103 は比較例である。比
較例No.101〜103 のうち、No.101はＨＰ40改良材相当の
例、No.102はＣおよびＮｉ含有量、No.103はＣ含有量が
本発明の規定からはずれている例である。
心力鋳造に付して供試管材を得た。管サイズ（機械加工
後）は、外径138 mm、肉厚26mm、長さ380 mm、である。
各供試管材の化学成分組成を表１に示す。表１中、供試
No. １〜５は発明例、No.101〜103 は比較例である。比
較例No.101〜103 のうち、No.101はＨＰ40改良材相当の
例、No.102はＣおよびＮｉ含有量、No.103はＣ含有量が
本発明の規定からはずれている例である。
【００２０】各供試管材について、高温低サイクル熱疲
労試験、高温クリープ破断試験、酸化試験、浸炭試験、
溶接性試験等を行って表２に示す結果を得た。
労試験、高温クリープ破断試験、酸化試験、浸炭試験、
溶接性試験等を行って表２に示す結果を得た。
【００２１】〔Ｉ〕高温低サイクル熱疲労試験 下記試験条件で破損繰返し数Ｎf(応力範囲が最大応力の
75％に達した時点までの回数) を求める。 試験片形状：中実丸棒、直径10mm 試験温度：1000℃ 全歪範囲（εｔ ）：±0.4 ％ 歪速度 ：10-2％／秒（Ｃ−Ｃ型両振り三角波） 標点距離（Ｇ．Ｌ．）：15mm
75％に達した時点までの回数) を求める。 試験片形状：中実丸棒、直径10mm 試験温度：1000℃ 全歪範囲（εｔ ）：±0.4 ％ 歪速度 ：10-2％／秒（Ｃ−Ｃ型両振り三角波） 標点距離（Ｇ．Ｌ．）：15mm
【００２２】〔ＩＩ〕クリープ破断試験 ＪＩＳ Ｇ ２２７２に規定された引張クリープ試験に
より破断寿命（Ｈｒ）を測定。 試験片形状：断面径８mm、標点距離40mm 試験温度：1038℃、引張応力：3.0 Kgf/mm2
より破断寿命（Ｈｒ）を測定。 試験片形状：断面径８mm、標点距離40mm 試験温度：1038℃、引張応力：3.0 Kgf/mm2
【００２３】〔ＩＶ〕浸炭試験 試験片（Φ12×60ｌ,mm)を固体浸炭剤( デグサＫＧ30）
中に埋覆して加熱し、850 ℃から1150℃まで30Ｈｒを要
して昇温させ、1150℃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：（30
Ｈ＋18Ｈｒ）×７＝336 Ｈｒ）。試験後、試験片表層
（深さ４mmまで）から、切粉を採取し、化学分析により
Ｃ増加量を求めた。
中に埋覆して加熱し、850 ℃から1150℃まで30Ｈｒを要
して昇温させ、1150℃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：（30
Ｈ＋18Ｈｒ）×７＝336 Ｈｒ）。試験後、試験片表層
（深さ４mmまで）から、切粉を採取し、化学分析により
Ｃ増加量を求めた。
【００２４】〔ＶＩ〕溶接性試験 供試管材の管端面にＵ字開先を形成し、ＧＴＡＷ溶接に
よる突合わせ溶接を行い、初層および最終層の割れの有
無をダイチェックにより判定すると共に、溶接部に機械
加工（加工代１mm )を加えて研削面をダイチェックし、
割れの有無を判定した。表２中、「溶接性」欄の○マー
クは割れのないことを表している。 （１）開先形状 開先角度：10°、ルート半径：４mm、ルートギャップ：
1.6mm （２）溶接姿勢 水平下向 （３）溶接棒 WEL TIG 45A （４）溶接電流：90〜140 Ａ，溶接速度5.2 〜11.2cm／
分 （５）肉盛層数：５層
よる突合わせ溶接を行い、初層および最終層の割れの有
無をダイチェックにより判定すると共に、溶接部に機械
加工（加工代１mm )を加えて研削面をダイチェックし、
割れの有無を判定した。表２中、「溶接性」欄の○マー
クは割れのないことを表している。 （１）開先形状 開先角度：10°、ルート半径：４mm、ルートギャップ：
1.6mm （２）溶接姿勢 水平下向 （３）溶接棒 WEL TIG 45A （４）溶接電流：90〜140 Ａ，溶接速度5.2 〜11.2cm／
分 （５）肉盛層数：５層
【００２５】
【表１】
【００２６】
【表２】
【００２７】上記実施例の試験結果から明らかなよう
に、発明例No. １〜５は、従来の代表的耐熱鋳鋼である
ＨＰ40材等を凌ぐ改良された高温熱疲労寿命を有してい
る。また、耐浸炭性、および溶接性等も従来材と同等以
上である。
に、発明例No. １〜５は、従来の代表的耐熱鋳鋼である
ＨＰ40材等を凌ぐ改良された高温熱疲労寿命を有してい
る。また、耐浸炭性、および溶接性等も従来材と同等以
上である。
【００２８】
【発明の効果】本発明の耐熱鋳鋼は、改良された熱疲労
寿命を有し、かつ耐浸炭性や、構造材料として必要な溶
接性も良好である。従って石油化学反応管材料等として
有用であり、高温・高圧環境における信頼性・安定性に
すぐれ、耐用寿命の向上、メンテナンスの軽減等の効果
を得ることができる。
寿命を有し、かつ耐浸炭性や、構造材料として必要な溶
接性も良好である。従って石油化学反応管材料等として
有用であり、高温・高圧環境における信頼性・安定性に
すぐれ、耐用寿命の向上、メンテナンスの軽減等の効果
を得ることができる。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 Ｃ：0.03％以上、0.1％未満、Ｓｉ：0.5
〜３％、Ｍｎ：５％以下、Ｃｒ：23〜39％、Ｎｉ：35〜
60％、Ｎｂ：0.2〜２％、およびＴｉ：0.01〜0.5％、Ｚ
ｒ：0.01〜0.5％、Ａｌ：0.02〜0.6 ％のいずれか１種
もしくは２種以上の元素、残部実質的にＦｅからなる高
温熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18301491A JPH055160A (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 高温熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18301491A JPH055160A (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 高温熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH055160A true JPH055160A (ja) | 1993-01-14 |
Family
ID=16128232
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18301491A Pending JPH055160A (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 高温熱疲労寿命にすぐれた耐熱鋳鋼 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH055160A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0765948A2 (en) * | 1995-09-29 | 1997-04-02 | Kubota Corporation | Heat-resistant Ni-Cr alloy |
-
1991
- 1991-06-26 JP JP18301491A patent/JPH055160A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0765948A2 (en) * | 1995-09-29 | 1997-04-02 | Kubota Corporation | Heat-resistant Ni-Cr alloy |
| EP0765948A3 (en) * | 1995-09-29 | 1997-11-05 | Kubota Corporation | Heat-resistant Ni-Cr alloy |
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