JPH0751888A - 高温、高濃度硫酸用高Ｓｉ含有ステンレス鋼溶接ワイヤ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】重量％で、Ｃ：０．０８％以下と、Ｓｉ：５．
０〜８．０％と、Ｍｎ：２．０％以下と、Ｎｉ：１０〜
３５％と、Ｃｒ：１０〜２５％と、Ｃｕ：０．５〜３．
０％、Ｍｏ：０．２〜２．０％、及びＰｄ：０．００５
〜１．０％からなる群から選択された１種以上と、残部
Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つＣｒ，Ｍｏ，Ｓ
ｉ及びＮｉ含有量が（１）式を満たす高温、高濃度硫酸
用高Ｓｉ含有ステンレス鋼溶接ワイヤ。 −２≦Ｃｒ(%) ＋Ｍｏ(%) ＋３×Ｓｉ(%) −Ｎｉ(%) −
１４＜２０…（１） 【効果】溶接時の高温割れもなく、９５％硫酸中におい
ては６５〜１００℃、９８％硫酸中では１５０〜２２０
℃の環境で良好な耐食性を有し、かつ延性に優れた溶接
部が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、硫酸製造プラントの
乾燥塔、吸収塔等の装置材料として有用な、延性、耐高
温割れ性ならびに高温、高濃度硫酸中での耐食性に優れ
た高Ｓｉ含有ステンレス鋼の溶接ワイヤに関する。

【０００２】

【従来の技術】接触式硫酸製造法で重要となる吸収、乾
燥、冷却工程において、装置材料は一般的に、濃度９５
〜９９％、温度６５〜１２０℃の硫酸環境に曝される。
本材料としては、従来、耐酸レンガを内張りした炭素
鋼、Ｃｒ鋳鉄、高Ｓｉ鋳鉄、ステンレス鋼、高Ｎｉ合金
等が使用されている。しかし、耐酸レンガでは長時間使
用すると目地より硫酸が浸透し、外側の炭素鋼が腐食さ
れる問題がある。また、鋳鉄では装置の設計上、制限を
受けるばかりでなく、内部欠陥が多いためメインテナン
スにも難がある。一方、ステンレス鋼及び高Ｎｉ合金は
構造用材料として適しているが、ＳＵＳ３１６Ｌ等の汎
用ステンレスでは上記環境に耐えず、また、ＵＮＳ Ｎ
１０２７６等の高Ｎｉ合金でも１００℃以上の温度では
使用できない。

【０００３】一般に乾燥塔での操業環境は、濃度９５
％、温度６５℃程度の硫酸中であるが、配管類の一部に
おいては１００℃程度まで温度が上昇することもある。
さらに、９８％硫酸環境である吸収塔は、現状１００〜
１２０℃で操業されているが、温度を上げることにより
操業効率の向上を図ることが可能となるため、１５０℃
以上での使用に耐える材料が必要とされている。

【０００４】上記環境での使用を目的としたステンレス
鋼として、特開昭５２−４４１８号公報及び特開平２−
２９０９４９号公報には、ステンレス鋼のＳｉ含有量を
高めることにより、９５％及び９８％のいずれの硫酸濃
度においても高温まで良好な耐食性が得られると開示さ
れている。

【０００５】しかし、高Ｓｉ含有ステンレス鋼ではＳｉ
含有量の増加にともない、硬い（ＨＶ：５００〜１００
０）金属間化合物等の脆化相が生成する。特に、溶接金
属では偏析が著しいため、この脆化相が増加し延靭性は
極端に低下する。また、Ｎｉ−Ｓｉ系金属間化合物は低
融点であるため、溶接時にクレーター部等で高温割れが
発生し易い。

【０００６】このため、特開昭５２−４４１８号公報及
び特開平２−２９０９４９号公報では、高Ｓｉ含有ステ
ンレス鋼の溶接材料として、Ｎｉ当量をコントロールす
ることにより延靭性及び耐高温割れ性を改善する方法が
開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】特開昭５２−４４１８
号公報及び特開平２−２９０９４９号公報によるもので
は、上記した溶接部の延靭性、耐高温割れ性が全く考慮
されていない。一方、特開昭５２−４４１８号公報及び
特開平２−２９０９４９号公報によるものは、耐硝酸用
として発明されたものであり、上記環境では十分な耐食
性を有しておらず、また、溶接部の延性は未だ十分とは
いえず、曲げ加工等が困難である。

【０００８】そこで、特開平５−１０４２８２号公報に
おいて、Ｐｄを適量添加することによりＳｉ含有量を低
減しても高温高濃度硫酸中における耐食性が良好で、且
つ曲げ加工性に優れた溶接材料が提案された。しかし、
この溶接材料も耐高湿割れ性の観点からは十分とは言え
ず、クレーター部で割れが発生することもある。

【０００９】この発明は上記のような従来技術における
問題を解決するためになされたもので、高Ｓｉ含有ステ
ンレス鋼の成分範囲を規定することにより、９５％硫酸
中においては１００℃まで、９８％硫酸中では１５０℃
以上の環境で良好な耐食性を有し、かつ溶接部の延性と
耐高温割れ性に優れたステンレス鋼溶接ワイヤを得るこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記したような従来技術
における課題は、その組成が重量％で、Ｃ：０．０８％
以下と、Ｓｉ：５．０〜８．０％と、Ｍｎ：２．０％以
下と、Ｎｉ：１０〜３５％と、Ｃｒ：１０〜２５％と、
Ｃｕ：０．５〜３．０％、Ｍｏ：０．２〜２．０％、及
びＰｄ：０．００５〜１．０％からなる群から選択され
た１種以上と、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、
且つＣｒ，Ｍｏ，Ｓｉ及びＮｉ含有量が（１）式を満た
すことを特徴とする高温、高濃度硫酸用高Ｓｉ含有ステ
ンレス鋼溶接ワイヤにより解決される。 −２≦Ｃｒ(%) ＋Ｍｏ(%) ＋３×Ｓｉ(%) −Ｎｉ(%) −１４＜２０ …（１）

【００１１】

【作用】以下に、この発明のステンレス鋼溶接ワイヤの
成分添加理由、成分限定理由を述べる。Ｃは含有量が多
くなると炭化物を形成し、耐食性を劣化させるため、そ
の上限値は０．０８％とする。

【００１２】Ｓｉは高温、高濃度硫酸中での耐食性を著
しく向上させる成分であるが、上記環境で良好な耐食性
を得るには、５．０％以上含有する必要がある。また、
８．０％を超えて添加すると多量の金属間化合物の生成
により、ワイヤ用素材の鋳造時に凝固割れが発生する。
したがって、Ｓｉ含有量は５．０〜８．０％とする。

【００１３】Ｍｎは脱酸作用を有する成分であり、オー
ステナイト生成元素でもある。しかし、その含有量が
２．０％を超えると耐食性が劣化する。したがって、Ｍ
ｎ含有量の上限値は２．０％とする。

【００１４】Ｎｉはオーステナイト組織を得るのに必須
の成分であり、含有量が１０％未満ではδフェライトや
金属間化合物等の脆化相が多くなり延性を劣化させる。
また、Ｃｒ，Ｍｏ及びＳｉ含有量の増加にともないＮｉ
含有量も多くする必要があり、詳細は後述する。ただ
し、その含有量を過多にするとコスト高になるばかりで
なく、Ｎｉ−Ｓｉ系低融点化合物の形成により溶接時に
高温割れが発生し、また、溶接ワイヤの製造も不可能と
なるため、上限値は３５％とする。

【００１５】Ｃｒはステンレス鋼の一般的な耐食性に対
して最も重要な元素であり、高Ｓｉ含有ステンレス鋼に
おいては、その含有量を１０％以上とする必要がある。
一方、高温高濃度硫酸中での耐食性もＣｒ含有量の増加
にともない向上するが、２５％を超えると耐食性に及ぼ
す効果は飽和する。また、Ｃｒ含有量が多くなると脆化
相の析出が促進される。したがって、Ｃｒ含有量は１０
〜２５％とする。

【００１６】Ｃｕは９５％硫酸中での耐食性向上に有効
な成分であることを発明者らは見出した。特にその効果
は、温度が高くなるほど顕著となるが、含有量が０．５
％未満では発揮されない。また、３．０％を超えて添加
しても耐食性に及ぼす効果は飽和するので、Ｃｕ含有量
は０．５〜３．０％とする。

【００１７】Ｍｏは９５％硫酸中での耐食性向上に有効
な成分であることを発明者らは見出したが、含有量が
０．２％未満ではその効果が発揮されない。また、２．
０％を超えて添加しても耐食性に及ぼす効果は飽和し、
かつ含有量の増加にともない脆化相の形成が促進される
ので、上限値は２．０％とする。

【００１８】Ｐｄは硫酸中での耐食性向上に有効な成分
であることを発明者らは見出した。しかし、その含有量
が０．００５％未満ではその効果が発揮されず、また、
１．０％を超えて添加しても耐食性に及ぼす効果は飽和
し、コスト高となる。したがって、Ｐｄ含有量は０．０
０５〜１．０％とする。

【００１９】また、本発明者らは、溶接時の耐高温割れ
性、及び溶接後熱処理後の溶接金属の延性と第二相との
関係を詳細に検討した結果、高温割れ防止のためにはδ
フェライトを生成させる必要があり、一方、延性は脆化
相の体積率が１５％以上になると著しく低下することが
明らかとなった。さらに、溶接材料の成分と溶接金属に
おける第二相との関係を調査した結果、δフェライトを
生成し、且つ脆化相の体積率を１５％未満とするには、
溶接材料のＣｒ，Ｍｏ，Ｓｉ，Ｎｉ含有量が（１）式を
満たす必要があることを見出した。したがって、Ｃｒ，
Ｍｏ，Ｓｉ及びＮｉ含有量は上記の限定に加えて、
（１）式を満たす範囲とする。 −２≦Ｃｒ(%) ＋Ｍｏ(%) ＋３×Ｓｉ(%) −Ｎｉ(%) −１４＜２０ …（１） なお、上記成分範囲の鋼は、常法に従って、溶鋼内に所
定の添加成分を母合金または単体の形で添加することに
より成分調整される。

【００２０】

【実施例】本発明に係る実験例および実施例について説
明する。 実験例１ 溶接材料及び母材用として、表１に示す化学成分の５０
ｋｇインゴットを用意した（試料番号のうち試料番号２
〜５，７〜９，１１〜１４，１７，１８のインゴットは
本発明範囲の成分、他は本発明範囲外の成分である）。
このインゴットを１０５０℃×１０ｈｒ均熱後、１２ｍ
ｍ^t 鋼板に圧延した。母材用鋼板の２種類には、１１０
０℃の固溶化熱処理を施し、溶接構造用として十分な延
靭性を有するものとした。また、溶接材料には１２ｍｍ
^t 鋼板を冷間圧延で３ｍｍ^t まで圧延し、３ｍｍ角棒に
加工した。この表１に示す組合せの溶接棒、母材を用い
てＴＩＧによる突合せ溶接を行い、溶接継手を作成し
た。なお、開先形状はルート高さ：１ｍｍ、ベベル角
度：４５°のＶ開先とし、溶接条件は１５０Ａ×１１Ｖ
×１０ｃｍ／ｍｉｎで、多層溶接をした（初層は裏波溶
接）。溶接時の高温割れは目視及びＸ線透過法により調
査し、下記サンプルは割れの無い部位より採取した。こ
の溶接継手に対し、１０５０℃の後熱処理を行い、曲げ
試験片（ＪＩＳＺ３１２２）を溶接線直角方向から採取
するとともに、溶接金属表層より腐食試験サンプル（３
^t ×１５^w ×５０^l ）を採取した。試料番号１６〜２１
の鋼を溶接材料に用いた継手の溶接金属表層からは、さ
らに孔食電位測定（ＪＩＳ Ｇ０５７７）用サンプルも
採取した。曲げ試験は曲げ半径Ｒ＝２ｔ（ｔ：母材厚）
で実施した。ただし、８％を超えるＳｉ含有量の試料番
号２２の鋼では、鋳込みままのインゴット全体に割れが
発生していたため、圧延はできなかった。

【００２１】図１及び図２に、９５％，１００℃及び９
８％，１５０℃硫酸中での耐食性と溶接材料のＳｉ含有
量との関係を示す。図１及び図２によれば本環境では５
％以上のＳｉ含有により、腐食速度が著しく低下するこ
とがわかる。

【００２２】図３に、９５％，１００℃硫酸中での耐食
性及び３．５％ＮａＣｌ中での孔食電位と溶接材料のＣ
ｒ含有量との関係を示す。図３によればＣｒ含有量が１
０％未満になると、Ｓｉ含有量が８％程度であっても孔
食電位は著しく低下することがわかる。また、硫酸中で
の耐食性はＣｒ含有量の増加にともない向上するが、２
５％を超えると腐食速度は一定になることが理解され
る。

【００２３】図４及び図５に、９５％，１００℃硫酸中
での耐食性と溶接材料のＣｕ含有量及びＭｏ含有量との
関係を各々示す。図４及び図５によればＣｕを０．５％
以上、あるいはＭｏを０．２％以上添加すると、９５
％，１００℃硫酸中での腐食速度は著しく低下する。し
かし、その含有量がＣｕでは３％、Ｍｏでは２％を超え
ると腐食速度は一定になることがわかる。

【００２４】図６に、９５％，１００℃及び９８％，２
２０℃硫酸中での耐食性と溶接材料のＰｄ含有量との関
係を示す。図６によれば９５％，１００℃及び９８％，
２２０℃硫酸中での耐食性は、０．００５％以上のＰｄ
添加により向上することがわかる。しかし、その含有量
が１．０％を超えると腐食速度は一定になる。

【００２５】図７に、溶接時の高温割れ及び継手の曲げ
試験による割れの有無と溶接材料の成分との関係を示
す。図７によれば（２）式で表せるＡの値が−２未満で
は高温割れが発生し、また、２０を越えると曲げ試験で
割れが発生することがわかる。

【００２６】 Ａ＝Ｃｒ(%) ＋Ｍｏ(%) ＋３×Ｓｉ(%) −Ｎｉ(%) −１４ …（２） 実施例１ 表２に示す化学成分の溶接ワイヤ（１．２ｍｍφ）及び
母材板（１５ｍｍ^t ）を用いてＭＩＧ溶接により溶接継
手を作成した。開先形状は表面側が深さ８ｍｍ、裏面側
が深さ５ｍｍで、ベベル角度を４５°とし、溶接条件は
１９０Ａ×２８Ｖ×２５ｃｍ／ｍｉｎで、両面多層溶接
をした。実験例１と同様、溶接時の高温割れは目視及び
Ｘ線透過法により調査し、溶接継手に対し、１０５０℃
の後熱処理を行い、曲げ試験片及び腐食試験サンプルを
採取した。

【００２７】上記サンプルの高温割れ、曲げ試験での割
れの有無及び高温高濃度硫酸中での腐食速度を表３に示
す。表３によれば、本発明の溶接ワイヤを用いた溶接で
は高温割れの発生もなく、継手の溶接金属は９５％，６
５及び１００℃硫酸、９８％，１５０℃以上の硫酸中で
良好な耐食性を有し、延性にも優れていることが理解さ
れる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、溶接
時の高温割れもなく、９５％硫酸中においては６５〜１
００℃、９８％硫酸中では１５０〜２２０℃の環境で良
好な耐食性を有し、かつ延性に優れた溶接部が得られる
効果がある。したがって、硫酸製造プラントの乾燥塔、
吸収塔等の溶接構造用材料に高Ｓｉ含有ステンレス鋼の
適用が可能となる。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実験例１による鋼の溶接金属の９５
％，１００℃硫酸中での耐食性と溶接材料のＳｉ含有量
との関係を示す図。

【図２】実験例１による鋼の溶接金属の９８％，１５０
℃硫酸中での耐食性と溶接材料のＳｉ含有量との関係を
示す図。

【図３】同じく実験例１による鋼の溶接金属の９５％，
１００℃硫酸中での耐食性及び３．５％ＮａＣｌ中での
孔食電位と溶接材料のＣｒ含有量との関係を示す図。

【図４】実験例１による鋼の溶接材料の９５％，１００
℃硫酸中での耐食性と溶接材料のＣｕ含有量との関係を
示す図。

【図５】同じく実験例１による鋼の溶接材料の９５％，
１００℃硫酸中での耐食性と溶接材料のＭｏ含有量との
関係を示す図。

【図６】実験例１による鋼の溶接金属の９５％，１００
℃及び９８％，２２０℃硫酸中での耐食性と溶接材料の
Ｐｄ含有量との関係を示す図。

【図７】同じく実験例１による鋼の溶接時の高温割れ及
び継手の曲げ試験における割れの有無と溶接材料の成分
との関係を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 泰男 東京都千代田区丸の内一丁目１番２号 日 本鋼管株式会社内 (72)発明者 江原 隆一郎 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 中本 英雄 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 山田 義和 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 吉田 康之 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 長野 肇 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｃ：０．０８％以下と、Ｓ
   ｉ：５．０〜８．０％と、Ｍｎ：２．０％以下と、Ｎ
   ｉ：１０〜３５％と、Ｃｒ：１０〜２５％と、Ｃｕ：
   ０．５〜３．０％、Ｍｏ：０．２〜２．０％、及びＰ
   ｄ：０．００５〜１．０％からなる群から選択された１
   種以上と、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなり、且つ
   Ｃｒ，Ｍｏ，Ｓｉ及びＮｉ含有量が（１）式を満たすこ
   とを特徴とする高温、高濃度硫酸用高Ｓｉ含有ステンレ
   ス鋼溶接ワイヤ。 −２≦Ｃｒ(%) ＋Ｍｏ(%) ＋３×Ｓｉ(%) −Ｎｉ(%) −１４＜２０ …（１）