JPH06254666A - 耐浸炭性にすぐれた二層耐熱鋳鋼管の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 石油化学工業用反応管等として有用な耐浸炭
性の改良された二層積層構造を有する鋳造管の製造法。 【構成】 遠心力鋳造により、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱
鋳鋼からなる外層を形成し、ついで上記耐熱鋳鋼と同じ
成分系で、Ｓｉ含有量が３〜４％である耐熱鋳鋼からな
る内層を形成する。外層を形成する耐熱鋳鋼の好ましい
組成は、Ｃ：０．３５〜０．７５％、Ｓｉ：２．５％以
下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：３３〜３７％、Ｃｒ：２４
〜２８％、残部実質的にＦｅ（所望によりＦｅの一部
は、Ｎｂ，Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉ，その他の元素で置換され
る）からなり、内層の耐熱鋳鋼は、Ｓｉ含有量が３〜４
％に調整されている以外は、外層金属と同じ組成を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、石油化学工業における
炭化水素の熱分解・改質反応用管等として使用される耐
浸炭性にすぐれた耐熱鋳鋼管の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素類の熱分解・改質反応用管、例
えばエチレンクラッキングチューブは、管内を流通する
ナフサ等を高温・高圧（温度：約７５０〜１０５０℃，
圧力：約１０Kgｆ／ｃｍ² 以下）の条件下に熱分解させ
る反応器である。従来より、その反応管材料として、Ａ
ＳＴＭ規格ＨＰ４５材（０．４炭素−２５Ｃｒ−３５Ｎ
ｉ−Ｆｅ）、ないしこれにＮｂ、Ｗ、Ｍｏ等の元素を添
加したＨＰ改良材が使用されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記反応用管の実使用
においては、管内の反応系から固形炭素が析出し、析出
した炭素は、管内面に付着し高温熱影響下に管壁内部に
拡散侵入（浸炭）する。浸炭の発生は管材質の劣化（延
性の低下等）を引き起こし、管体の脆化による割れ発生
の原因となる。近時は反応操業の効率化・生産性の向上
等の要請から、温度約１０８０℃を越える高温操業が一
般化しつつある。前記ＨＰ材は、約９００〜１０５０℃
の温度域で使用される管材料であり、それを越える温度
域では耐浸炭性の不足を免れない。その改良材（Ｎｂ、
Ｍｏ，Ｗ等を含有）についても、１０８０℃を越える高
温領域における耐浸炭性の低下は大きく、近時の高温操
業に十分対処し得るものとはいえない。本発明は上記に
鑑みてなされたものであり、近時の高温操業条件に耐え
得る改良された耐浸炭性を有する耐熱鋳鋼管の製造方法
を提供するものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の耐熱鋳鋼管の製
造方法は、遠心力鋳造により、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱
鋳鋼からなる外層を形成し、ついで上記耐熱鋳鋼と同じ
成分系で、Ｓｉ含有量が３〜４％である耐熱鋳鋼からな
る内層を形成することを特徴としている。本発明による
二層耐熱鋳鋼管は、好ましくはその外層が、Ｃ：０．３
５〜０．７５％、Ｓｉ：２．５％以下、Ｍｎ：２％以
下、Ｎｉ：３３〜３７％、Ｃｒ：２４〜２８％、残部実
質的にＦｅ、もしくはＦｅの一部が、Ｎｂ、Ｗ、Ｍｏ、
Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｂ等の元素群から選ばれる１種ない
し２種以上の元素で置換された耐熱鋳鋼からなり、内層
は、Ｓｉの含有量が３〜４％である点を除いて、上記外
層のそれと同じ成分組成を有する耐熱鋳鋼からならる。

【０００５】

【作用】本発明により製造される二層耐熱鋳鋼管は、そ
の内層が高Ｓｉ含有耐熱鋳鋼で形成されていることによ
り高度の耐浸炭性が確保され、またその外層がＦｅ−Ｃ
ｒ−Ｎｉ系耐熱鋳鋼で形成されていることにより、高温
・高圧操業に耐える高温クリープ特性、高温強度等が保
証される。二層積層管の実使用においては、外層と内層
とが異種材料であることに起因する熱応力の発生が問題
となるものであるが、本発明により製造される二層耐熱
鋳鋼管の外層と内層とは、Ｓｉ含有量を除いて、その基
本成分系を共通にする耐熱鋳鋼であるため、両層間の歪
み応力の発生が少なく、このことは実使用過程における
管体の熱変形や割れの発生を抑制防止し、高温・高圧お
よび温度・圧力変化が繰り返される苛酷な実使用条件下
での管体の安定な使用とその耐久性を高めることを可能
にする。また、本発明により製造される耐熱鋳鋼管は、
外層と内層とが、Ｓｉ含有量を除いて、その基本成分系
を共通にする耐熱鋳鋼であるから、遠心力鋳造作業にお
いては、外層となるＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱鋳鋼の溶製
工程において、その外層と内層の両層の鋳造に必要な量
の耐熱鋳鋼を溶製することとすれば、遠心力鋳造におい
てその溶湯の一部を使用して外層を形成した後、その残
余の耐熱鋳鋼溶湯に、Ｓｉを追加してＳｉ含有量を内層
耐熱鋳鋼の組成に調整したうえ、内層の鋳造を行うこと
により、目的とする二層鋳鋼管を得ることができ、従っ
て２種の耐熱鋳鋼の溶解精錬操業を反復実施する必要も
ない。

【０００６】本発明の二層耐熱鋳鋼管の外層を形成する
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱鋳鋼は、従来公知のＨＰ４５材
の相当する成分組成を有し、内層を形成する耐熱鋳鋼
は、外層の耐熱鋳鋼のＳｉを増量した組成を有してい
る。その外層および内層の耐熱鋳鋼の成分限定理由は次
のとおりである。 Ｃ：０．３〜０．８％ Ｃは、オーステナイト基地の安定化や、Ｃｒ，Ｍｏ等の
炭化物の形成による分散析出強化作用により高温・高圧
操業に対する高温クリープ破断強度を得るために、少な
くとも０．３％を必要とする。しかし、その量が多くな
ると、Ｃｒ炭化物等の過剰析出により、鋼の延性や熱疲
労特性の劣化をきたすので、０．８％を上限とする。

【０００７】Ｓｉ：２．５％以下（外層耐熱鋳鋼） ：３〜４％（内層耐熱鋳鋼） Ｓｉは、合金溶製工程での溶湯の脱酸・および流動性改
善を目的として添加される元素である。この効果を得る
ための添加量は２．５％までで十分である。本発明の二
層管の外層を形成する耐熱鋳鋼については、溶湯の脱酸
・流動性改善の点から、２．５％以下とする。他方、Ｓ
ｉは、その増量により、鋼の耐浸炭性を高める効果を有
する。そこで本発明は、耐浸炭性を要求される管壁内面
について、Ｓｉの増量による浸炭抵抗性を強化し、温度
約１１００℃以上の高温操業条件に耐え得る改良された
浸炭抵抗性を確保するために、内層の耐熱鋳鋼のＳｉ含
有量を３％以上とする。添加増量により耐浸炭性は増大
するが、反面においてＳｉの増量は鋼の延性や、構造材
料として必要な溶接性の劣化を伴うので、４％を上限と
する。

【０００８】Ｍｎ：２％以下 Ｍｎは、脱酸・脱硫元素として添加される。そのための
添加量は２％までで十分である。また、それを越えても
効果の増加はないので、２％以下とする。

【０００９】Ｃｒ：２４〜２８％ Ｃｒは、鋼の高温強度、耐酸化性を高め、また浸炭抵抗
性を改善する元素である。温度約１１００℃以上の高温
操業に対するＣｒ添加効果を十分なものとするために、
２４％以上の添加を必要とし、その増量に伴つて効果を
増す。しかし、その量があまり多くなると、高温使用過
程で、Ｃｒ炭化物の過剰析出による鋼の時効延性の低下
をきたすので、２８％を上限とする。

【００１０】Ｎｉ：３３〜３７％ Ｎｉは、安定なオーステナイト基地を形成し、鋼の高温
強度、耐酸化性を高める。温度１１００℃以上の高温使
用下でのこれらの効果を確保するためには、３３％以上
の添加を必要とし、添加増量によりその効果を増すが、
３７％までで十分であり、それを越える添加は経済性を
損なう。

【００１１】本発明の二層耐熱鋳鋼管を形成する外層お
よび内層の耐熱鋳鋼は、所望により、上記諸元素と共
に、Ｎｂ，Ｗ．Ｍｏ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ａｌ，Ｂ等から選ば
れる１種ないし２種以上の元素を含有する。 Ｎｂ：１〜１０％ Ｎｂは、鋼の結晶粒界に共晶炭化物を形成し、鋼の粒界
破壊抵抗性を強め、高温クリープ破断強度を高める。ま
た、溶接割れ抵抗性の改善の奏効する。この効果は１％
以上の添加により得られる。しかし、多量に添加する
と、延性の低下、耐酸化性の劣化を生じるので、１０％
を上限とする。

【００１２】Ｗ：５％以下 Ｗは、オーステナイト基地を固溶強化すると共に、Ｃの
拡散を抑制し、浸炭抵抗性を高める効果を有する。この
効果を得るための添加量は５％までで十分であり、それ
を越えると、鋼の延性を害する。

【００１３】Ｍｏ：２〜１５％ Ｍｏは、耐浸炭性の改善に有効な元素である。その効果
は２％以上の添加により得られる。その増量に伴い高温
強度も向上するが、１５％を越えると、延性の低下が大
きく、また耐酸化性の低下をきたす。

【００１４】Ｔｉ：０．０２〜０．５％ Ｔｉは、高温域でのＣｒ炭化物の凝集粗大化を抑制遅延
してクリープ破断強度を改善する。また、Ａｌと複合添
加される場合には、Ａｌとの相乗効果として耐浸炭性を
高める。この効果は０．０２％以上の添加により得られ
るが、Ｔｉの多量添加は、酸化物系介在物の増量に伴う
鋼の強度低下を招く原因となるので、０．５％以下とす
る。

【００１５】Ｚｒ：０．０１〜０．２％ Ｚｒは、高温強度、殊に熱衝撃特性の改善に奏効する元
素である。その効果は０．０１％以上の添加により得ら
れる。しかし、多量に添加すると、酸化物の多量の生成
により、鋼の清浄度を害するので、０．２％を上限とす
る。

【００１６】Ｂ：０．０５％以下 Ｂは、結晶粒界を強化し、高温クリープ破断強度の向上
に寄与する。しかし、多量に添加すると、溶接性を悪く
するので、０．０５％以下とする。

【００１７】Ａｌ：０．０２〜１％ Ａｌは、高温域において、鋼の表面に酸化膜（アルミ
ナ）を生成し、Ｃの侵入（浸炭）を抑制する効果を有す
る。また、その酸化皮膜の生成により耐酸化性も強化さ
れる。この効果は、０．０２％以上の添加により現れ
る。しかし、多量に添加すると、室温伸び特性の低下、
溶接性の低下を招くので、１％を上限とする。

【００１８】Ｐ、Ｓ等の不純分は通常の溶製技術上不可
避的に混入する範囲内の量、例えば０．０４％以下の
Ｐ、０．０４％以下のＳが存在しても本発明の趣旨は損
なわれない。

【００１９】本発明の二層耐熱鋳鋼管の外層と内層を構
成する耐熱鋳鋼は、外層に比べ内層のＳｉの含有量が高
い点を除いて、両者は基本成分系を共通にしている。従
って、外層の耐熱鋳鋼の溶製工程において、外層と内層
の両層の鋳造に必要な量の鋳鋼溶湯（成分組成は外層耐
熱鋳鋼相当）を溶製し、溶解炉からその溶湯の一部（外
層の鋳造に必要な量）を出湯してこれを外層鋳造用とす
る一方、溶解炉内の残湯にはＳｉを追加投与してその組
成を高Ｓｉの内層耐熱鋳鋼相当組成に調整したうえ、各
溶湯を順次遠心力鋳造に供して外層および内層を鋳造す
ることにより、目的とする二層耐熱鋳鋼管を得ることが
できる。

【００２０】

【実施例】

〔１〕供試管の制作 高周波溶解炉により、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系耐熱鋳鋼（Ａ
ＳＴＭ ＨＰ４５相当材）を溶製する。溶解炉から、溶
湯の一部を出湯し、これを外層鋳造用とし、炉中の残湯
はＳｉを添加し所定の組成に調整してこれを内層鋳造用
とする。上記外層鋳造用溶湯および内層鋳造用溶湯を遠
心力鋳造に供し、二層管を鋳造した。管サイズ（機械加
工後）：外径１４０ｍｍ，外層厚７ｍｍ，内層厚３ｍ
ｍ，長さ５２０ｍｍ。この二層鋳造管（発明例）を供試
管１とする。上記供試管の外層および内層の各耐熱鋳鋼
の化学組成は下記のとおりである。 外層耐熱鋳鋼の化学組成（ｗｔ％） Ｃ：０．４６，Ｓｉ：１．１０，Ｍｎ：０．４５，Ｐ：
０．０１２，Ｓ：０．００８，Ｃｒ：２５．１０，Ｎ
ｉ：３４．８８，Ｎｂ：１．１４，Ｗ：０．８２，Ｍ
ｏ：０．５２．Ｆｅ：Ｂａｌ。内層耐熱鋳鋼の化学組成（ｗｔ％） Ｃ：０．４５，Ｓｉ：３．５７，Ｍｎ：０．４３，Ｐ：
０．０１２，Ｓ：０．００８，Ｃｒ：２５．０７，Ｎ
ｉ：３４．８５，Ｎｂ：１．１５，Ｗ：０．８１，Ｍ
ｏ：０．５１，Ｆｅ：Ｂａｌ。

【００２１】比較例として、上記供試管１の外層耐熱鋳
鋼と同一成分組成の耐熱鋳鋼からなる単層管を鋳造した
（管サイズは上記と同一）。これを供試管２とする。

【００２２】〔２〕高温浸炭試験 各供試管より、試験片を切出し、管の内面側を試験面と
して固体浸炭剤（デグサＫＧ３０）に埋め込む。これ
を、温度８５０℃に加熱し、同温度から３０時間を要し
て１１５０℃に加熱昇温し、１８時間保持した後、降温
するヒートパターンを１７回反復実施する。試験後、試
験面から０．５ｍｍ、および５ｍｍの深さ位置より切り
粉を採取し、Ｃ量を化学分析し、浸炭によるＣ増量を求
めた。表１にその分析結果を示す。表中、Ａは、試験面
からの深さ０．５ｍｍの位置の浸炭によるＣ増加量、Ｂ
は深さ５ｍｍの位置のＣ増加量である。同表より、高Ｓ
ｉ耐熱鋳鋼からなる内層を有する発明例の供試管１は、
比較材２（ＨＰ４５相当材の単層管）に比べ、耐浸炭性
に優れていることがわかる。

【００２３】

【表１】 浸炭量，％ Ａ Ｂ 供試管１（発明例） ０．７４ ０ 供試管２（比較例） ３．０５ ０．２５

【００２４】

【発明の効果】本発明方法により得られる二層耐熱鋳鋼
管は、その内層が高Ｓｉ含有耐熱鋳鋼で形成されている
ことにより、炭化水素類の熱分解・改質反応用管とし
て、従来の耐熱鋳鋼管を凌ぐ高度の浸炭抵抗性を有して
いる。また、その外層が、高Ｃｒ−高Ｎｉ系耐熱鋳鋼で
形成されていることにより、高温・高圧操業に耐え得る
高温特性が確保される。本発明により製造される二層耐
熱鋳鋼管は、改良された高温材料特性により、石油化学
工業用反応管として近時の高温操業において従来の耐熱
鋳鋼製反応管を凌ぐ安定した使用が可能であり、耐久性
の向上、メンテナンスの軽減、反応操業の効率化等に寄
与するものである。また、本発明の二層耐熱鋳鋼管の遠
心力鋳造においては、外層と内層とが、基本成分組成を
共通にする耐熱鋳鋼が使用されるので、外層を鋳造する
ための耐熱鋳鋼と内層を鋳造するための耐熱鋳鋼との溶
解操業を独立した２つの工程として行う必要がなく、溶
解操業コストが大幅に節減される。しかも、本発明によ
る二層耐熱鋳鋼管は、その基本化学組成が同じであるの
で、二層構造でありながら、実使用過程における熱歪応
力の発生が少なく、温度変化が繰り返される使用条件下
においても、熱変形や、亀裂等を生じ難く安定な使用が
確保される。本発明により製造される耐熱鋳鋼管は、上
記用途に限定されず、例えば鉄鋼製品熱処理炉のラジア
ントチューブ等としても有用である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 遠心力鋳造により、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ系
   耐熱鋳鋼からなる外層を鋳造し、ついで上記耐熱鋳鋼と
   同じ成分系で、Ｓｉ含有量が３〜４％である耐熱鋳鋼か
   らなる内層を鋳造することを特徴とする耐浸炭性にすぐ
   れた二層耐熱鋳鋼管の製造方法。
2. 【請求項２】 外層が、Ｃ：０．３５〜０．７５％、Ｓ
   ｉ：２．５％以下、Ｍｎ：２％以下、Ｎｉ：３３〜３７
   ％、Ｃｒ：２４〜２８％、残部実質的にＦｅ、もしくは
   Ｆｅの一部が、１〜１０％のＮｂ，５％以下のＷ，２〜
   １５％のＭｏ，０．０２〜０．５％のＴｉ，０．０１〜
   ０．２％のＺｒ，０．０５％以下のＢ，０．０２〜１％
   のＡｌから選ばれる１種ないし２種以上の元素で置換さ
   れた耐熱鋳鋼からなり、内層は、Ｓｉ含有量が３〜４％
   である以外は上記外層の耐熱鋳鋼と同じ組成を有する耐
   熱鋳鋼からなることを特徴とする請求項１に記載の耐浸
   炭性にすぐれた二層耐熱鋳鋼管の製造方法。