JPS6029448A - 高温粒子エロ−ジョン環境用鋼 - 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】 本発明は、高温粒子エロージョンの発生する環境下で使
用する高温粒子エロージョン環境用鋼に関する。

燃料燃焼ボイラー、流動床反応器、石炭のガス化、液化
装置等に代表される高温エネルギー装置は最近のエネル
ギー事情を反映して石炭利用技術として注目されている
。例えば、燃料燃焼ボイラーにあっては、従来は石油利
用が主体であったが、今日では代替エネルギー利用の必
要性が認識された結果、石炭利用が増大する傾向となっ
ている。しがし、かがる高温エネルギー装置にあっても
装置設計は石油利用のときの設計思想により行われてお
り、石炭利用となったときの問題点は十分には未だ解決
されてぃないのが現状である。すなわぢ、上述の燃料燃
焼ボイラー、例えば、石炭火力ボイラーにおいても従来
の石油火力ボイラーと同様の材料構成にて製作されてい
る。ところが、石炭火力ボイラーにおいては、石油火力
ボイラーと異なり、ボイラー内部で固形のアッシュ分が
タリン力−となって落下したり、フライアッシュとして
燃焼ガス流中に浮遊したりしているため、石炭火力ボイ
ラーを構成するボイラーチューブは、高温で著しいエロ
ージョン損傷を受’ｉする。このような問題は、当業者
にも良く認識されているが、高温粒子によるエロージョ
ン挙動がまだ明らかでなく、材料的な対策もほとんどな
く、経験上設計的な対処、たとえば流速の低減、プロテ
クターの取り付は等の対策が行われているにすぎない。

しかし、このように設計的に対処しても、流速等を制限
した場合にも予想以上に流速の速い偏流部ができたり、
また、プロテクターを用いた場合にもプロテクター自身
の損傷が早く、実際上、役立たなかったりするケースが
報告されている。

ところで、例えばボイラーチューブとしては約４５０℃
以下では炭素鋼、約４５０〜６００　’Ｃの温度範囲で
は低合金鋼が一般的には用いられている。また、ＪＩＳ
３０４鋼、同３２１．３４７．３１６鋼等の１８−８系
オーステナイトステンレス鋼が、さらにはインコロイ８
００．３１０等の高合金鋼が用いられることもある。な
お、高温材、例えば耐熱材としてのフェライトステンレ
ス鋼が用いられることもある。

しかしながら、これらはいずれも耐高温粒子エロージョ
ンを考慮したものではなく、経験的に使用されているに
過ぎない。そして、すでに述べたようにこれらの材料は
いずれも耐高温粒子エロージヨン性を改善するには十分
ではないか、あるいは多少の改善がみられたにしても高
価な材料であったりして、従来技術の問題点解決には十
分でない。ちなみに、ボイラーチューブ用に使われる前
述の炭素鋼および低合金鋼はフェライトを主組織として
、その中にパーライトが分散した金属組織を有しており
、またフェライトステンレス鋼は云うまでもなくフェラ
イトを主組織として、その中に炭化物が均一に析出した
金属組織を有している。また１８−８系オーステナイト
ステンレス鋼およびインコロイ等は高価な材料である。

ところで、一方、従来にあってもこすれ摩耗等の耐摩耗
性用にあるいは耐食用に各種の材料が開発・提案されて
いるが、上述のような耐高温粒子エロージョン用として
特に開発された材料あるいは方法はない。

なお、こすれ摩耗等は、普通、物体と物体が往復あるい
は回転接触する際に起こるもので、一方、エロージョン
は固体粒子が高速で物体に衝突し減肉を起こすものであ
って、両者は機構が本質的に異なる。

とくに高温でのエロージョン現象についてはほとんど研
究が進んでいないのが現状である。したがって、耐こす
れ摩耗性と耐高温粒子エロージヨン性との間には現象的
に共通性あるいは関連性はなく、従来技術において、耐
高温粒子エロージヨン性に対する知見は存在しないとい
って良い。

すでに述べたように、高温粒子によるエロージョン損傷
を防止する材料的対策はほとんどないのが現状であるが
、材料的対策があれば、たとえば上述のような石炭火力
ボイラー製作上にも設計に余裕が生じ、またプロテクタ
ー材質の適正判断ができるなどの効果が大きく、さらに
はそのような材料的対策があれば、ボイラー内のガス流
の平均流速の増大が可能となり、装置の小型化、熱効率
の向上などの利益も期待できる。さらに一般の高温エネ
ルギー装置の普及という点から安価な材料の出現が期待
されている。

かくして、本発明の目的とするところは、高温エネルギ
ー装置における高温粒子によるエロージョンに対する優
れた抵抗性を示す高温粒子エロージョン環境用材料を提
供することである。

さらに、本発明の別の目的は、上述のような高温粒子に
よるエロージョンに対する優れた抵抗性を示す安価な高
温粒子エロージョン環境用材料を提供することである。

ここに、本発明者らは、フェライト鋼の組織改善は熱処
理等により可能であるため、添加成分等高価な材料を必
要とせずにその組織改善が可能であることに着目し、耐
高温粒子エロージヨン性と金属組織との関連を究明した
ところ、特定の金属組織を出現させることにより上述の
ような目的が達成することを知見し本発明を完成した。

すなわち、本発明者らの知見によれば、フライト系鋼も
しくは炭素鋼Ｇこおいてフェライト含有量が多くなると
、耐高温粒子エロージヨン性が著しく劣化することが分
かった。特に、フェライト量が４０体積％を越えて存在
する場合、その劣化には著しいものがある。一方、ヘイ
ナイトあるいはマルテンサイトもしくはそれらの焼戻し
組織は、耐高温粒子エロージヨン性を改善することも併
せて知見された。

したがって、本発明の特徴とするところは、フェライト
系鋼もしくは炭素鋼においてフェライト含有量を４０体
積％以下、可及的少量、好ましくは実質上ゼロにすると
ともに、残りをマルテンサイト、ヘイナイトあるいばそ
れらの焼戻し組織とすることにより、耐高温粒子エロー
ジヨン性を改善し、特に高温粒子エロージョン環境用と
することにある。

よって、本発明の要旨とするところば、その１態様にあ
っては； 重量％で、 ｃ：ｏ、ｏ２〜０．５％、　Ｓｉ：０．１〜１．０％、
Ｍｎ　：　０．２〜２．０％、　Ｃｒ　：　０．３〜２
０．０％、Ｍｏ　：　０．２〜２．５％、 残部Ｆｅおよび不可避不純物 から成る組成ををするとともに、フェライト含有量を４
０体積％以下に制限し、残部はマルテンサイト、ヘイナ
イトあるいはそれらの焼戻し組織からなる金属組織を有
する、高温粒子エロージョン環境用鋼である。所望によ
り、２．０％以下のＮｉおよび／またはＴｉ、　Ｖ、　
Ｎｂ、　Ｗの少なくとも１種を合計で１．５％以下を含
有していてもよい。

また、本発明の要旨とするところは、その別の態様にあ
っては； 重量％で、 Ｃ：０．１０〜０．５％、　Ｓｔ　：　０．１〜１．０
％、Ｍｎ　：　０．２〜２．０％、 残部Ｐｅおよび不可避不純物 から成る組成を有するとともに、フェライト含有量を４
０体積％以下に制限し、残部はマルテンサイト、ベイナ
イトあるいはそれらの焼戻し組織からなる金属組織を有
する、高温粒子エロージョン環境用鋼である。

本発明において金属組織を上記のように限定した理由は
次の通り。

フェライト相： 本発明においてはフェライト含有量は４０体積％以下に
制限されるが、合金鋼および炭素鋼のいずれにあっても
４０体積％を越えてフェライト相が存在する場合、耐高
温粒子エロージヨン性の改善は十分ではない。したがっ
て、本発明にあってはフェライト含有量は４０体積％以
下の可及的少量に制限するが、好ましくは１５％以下、
さらに好ましくは実質上フェライト含有量はゼロとする
。後述する実施例の示すデータからも明らかなようにフ
ェライト含有量の減少に伴って耐高温粒子エロージヨン
性は除々に改善される。

このようにフェライト含有量が４０体積％以下に制限さ
れた金属組織の残部は、マルテンサイトもしくはベイナ
イトまたはそれらの焼戻し組織である。これらは、いず
れも、焼入れもしくは焼入れ・焼戻しの熱処理により容
易に生成させ得る。これらの組織はいずれも耐高温粒子
エロージヨン性に対し、十分な抵抗性を示すものであり
、所望の機械的特性および意図する用途に応じて、適宜
選択すれば良い。

次に、本発明において鋼組成を前述のように限定した理
由について説明する。

Ｃ： Ｃは鋼の焼入れ性を得るに必要な基本元素で、本発明の
目的とする組織を得るために重要である。

炭素鋼では、０．１０％以上、合金鋼では０．０２％以
上の含有が望ましい。Ｃ含有量は高い程、高温粒子エロ
ージョン抵抗性の改善効果を発揮するが、０゜５％を越
えると加工成形に困難が生じ、また、エロージョン抵抗
性の向上もあまり大きくならないので、上限を０．５％
に制限する。

Ｓｉ　： Ｓｉは鋼の脱酸を目的に添加され、０．１％以上の添加
で有効であり、一方、１．０％を越えると加工性等が低
下する。

Ｍｎ＝ Ｍｎは鋼の熱間加工性を確保するために添加されるが、
鋼の焼入れ性向上にも寄与する。そのため０゜２％以上
の添加が必要であるが、２．０％を越えて添加すると鋼
の高温性能（例：耐食性）が低下する。

Ｃｒ： Ｃｒは鋼の高温耐食性、高温強度を得るために重要な元
素で、使用条件に応じ０．３％以上添加されるが、０．
３％以上の添加で耐高温粒子エロージヨン性向上に効果
を現す。しかし、２０％を越えて添加すると、靭性、製
造性が低下するので、上限を２０％とする。

Ｍｏ： Ｍｏは鋼の高温強度および焼入れ性向上に有効で使用条
件に応じ０．２％以上添加されるが、０．２％以上の添
加で耐高温粒子ユロージョン性向上に有効である。しか
し、Ｍｏは高価でもあり、また高温耐食性が劣化するこ
とから２．５％を越えた量の添加は好ましくない。

Ｎｉ： Ｎｉはとくに必要な元素ではないので、故意に添加せず
ともよいが、鋼の焼入れ性の向上に有効である。この効
果は、０．０５％以上で発揮されるが、高価な元素でも
あり２．０％以下に限定する。

Ｔｉ、　Ｖ、Ｎｂ、、Ｗ： これらの元素は鋼の高温強度および耐高温粒子エロージ
ヨン性向上に有効な元素で、使用条件に応じ、また必要
に応じて添加するのが望ましい。しかし、合計で１．５
％を越える量の添加は、その効果が飽和してしまうこと
もあって、好ましくない。

このように本発明によれば、従来のフェライト組織のフ
ェライト系鋼および炭素鋼について焼入れ焼戻しという
比較的安価な熱処理のみでその耐高温粒子エロージヨン
性が著しく改善されるのであり、その利益は大きい。

なお、本発明により得られる鋼は、管として用いること
は勿論、板材としても利用できる。さらにプロテクター
材として一部前述の高温エネルギー装置に利用すること
もできる。また、管材として用いた場合、長時間高温強
度が要求される用途においてはそのすぐれた高温特性か
ら二重管の外管として用いても良い。

次に、本発明を実施例によってさらに詳述するが、それ
らは単に本発明の説明のために示すものであって、これ
によって本発明が何ら制限されるものでないことば理解
されるべきである。

大施狙 第１表に示す組織を有する各供試鋼より６鶴厚の熱間圧
延板を得、次いで各種熱処理条件を変化せしめることに
より異なる金属組織をもったいくつかの試験材を調製し
た。各試験材の含有フェライト量は組織観察により測定
した。

このようにして得た各試験材より３龍（厚）×２０龍（
幅）Ｘ３０ｍｍ（長さ）の試験片を切り出し、第２表に
示す条件で高温粒子エロージョン試験を行った。

上記高温粒子エロージョン試験は、ブラスト式エロージ
ョン試験装置を用いて行った。すなわち、固体粒子（本
例は平均粒径的１５μｍの石炭燃焼灰および平均粒径的
１２０μｍの人造珪砂を用いた）とガスとを別々に３５
０℃あるいは６５０℃に加熱し、それらを内径４ｍｍの
ノズルの入口で混合し、そのノズル内で加速後、やはり
間しく上記の試験温度に保った試験片に衝突させた。試
験片に衝突させるときのガス流速は５０ｍ／秒で、それ
ぞれの場合について１時間にわたって合計５５０ｇの固
体粒子を上記試験表面に衝突させた。

試験後、各試験片の中央に形成した城内部分を表面粗さ
針により測定し最大の減肉量を測定し各試験材の高温粒
子エロージョンに対する抵抗性を評価した。得られた結
果を前述のフェライト含有量のデータとともに第３表に
まとめて示す。

なお、第３表に示すフェライト含有量に関して各組織の
フェライト以外は、いずれもマルテンサイト、ヘイナイ
トの単独あるいは混合、あるいはそれらの焼戻された組
織となっている。

第１表　（至）％） 第２表 （□□□＊　粒子噴出方向と試験片表面とのなす角度第
３表に示す結果からも分かるように、いずれの条件にお
いても本発明に係る鋼は、比較例の場合にくらべて高温
粒子エロージョン抵抗性が極めて向上していることが分
かる。すなわち、高温粒子エロージョン環境下で使用し
てずぐれた抵抗性を示す。

鋼番号３の試験材を使った実験Ｎｏ、４〜６およびＭ１
７．１８について、第３表のデータをフェライト含有量
に対して整理してグラフで添付図面に示すが、本発明に
係る鋼の場合、すなわち、鋼中のフェライ１へ量が４０
体積％以下の場合、４０％を越えた鋼に比較して明らか
な向上が認められることが分かる。

特に、３５０℃の場合よりも、６５０°Ｃというより厳
しい条件下での向上が顕著である。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、高温粒子エロージョン試験における最大減
肉量と鋼中のフェライト含有量との関係を示すグラフで
ある。 出願人　住友金属工業株式会社 代理人　弁理士　広　瀬　章　− ０１０２０３０４０５０６０７０８０９０１００４祠中
フエライトを右警：ｔ４＠乞）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１１重量％で、 Ｃ：　０．０２〜０．５％、　Ｓｉ：０．１〜１．０％
   、Ｍｎ　：　０．２〜２．０％、　Ｃｒ　：　０．３〜
   ２０．０％、Ｍｏ　：　０．２〜２．５％以下、 残部Ｆｅおよび不可避不純物 から成る組成を有するとともに、フェライト含有量を４
   ０体積％以下に制限され、残部はマルテンサイト、ベイ
   ナイトあるいはそれらの焼戻し組織からなる金属組織を
   有する、高温粒子エロージョン環境用鋼。 （２）重量％で、 Ｃ：　０．０２〜０．５％、　Ｓｔ　：　０．１　”１
   ．０％、Ｍｎ　：　０．２〜２．０％、　Ｃｒ　：　０
   ．３〜２０．０％、Ｍｏ　：　０．２〜２．５％、 Ｔｉ、Ｖ、ＮｂおよびＷから選んだ少なくとも１種を合
   計で１．５％以下、 残部Ｆｅおよび不可避不純物 から成る組成を有するととも、に、フェライト含有量を
   ４０体積％以下に制限され、残部はマルテンザイトベイ
   ナイトあるいはそれらの焼戻し組織からなる金属組織を
   有する、高温粒子エロージジン環境用鋼。 （３）重量％で、 Ｃ：０．０２〜０４５％、　Ｓｉ　：　０．１〜１，０
   ％、Ｍｎ　：　０．２〜２．０％、　Ｃｒ　：　０．３
   〜２０．０％、Ｎｉ　：　２．０％以下、Ｍｏ　：　０
   ．２〜２．５％、残部Ｆｅおよび不可避不純物 から成る組成を有するとともに、フェライト含有量を４
   ０体積％以下に制限され、残部はマルテンサイト、ベイ
   ナイトあるいはそれらの焼戻し組織からなる金属組織を
   有する、高温粒子エロージョン環境用鋼。 （４）重量％で、 Ｃ：　０．０２〜０．５％、　Ｓｉ：０．１〜１．０％
   、Ｍｎ　：　０．２〜２．０％、　Ｃｒ　：　０．３〜
   ２０．０％、Ｎｉ　：　２．０％以下、Ｍｏ　：　０．
   ２〜２．５％、Ｔｉ、　Ｖ、　ＮｂおよびＷから選んだ
   少なくとも１種を合計で１．５％以下、 残部Ｆｅおよび不可避不純物 から成る組成を有するとともに、フェライト含有量を４
   ０体積％以下に制限され、残部はマルテンサイト、ベイ
   ナイトあるいはそれらの焼戻し組織からなる金属組織を
   有する、高温粒子エロージョン環境用鋼。 （５）重量％で、 ｃ：ｏ、ｔｏ〜０．５％、　Ｓｉ　：　０．１〜１．０
   ％、Ｍｎ　：　０．２〜２．０％、 残部Ｆｅおよび不可避不純物 から成る組成を有するとともに、フェライト含有量を４
   ０体積％以下に制限され、残部はマルテンサイト、ヘイ
   ナイトあるいはそれらの焼戻し組織からなる金属組織を
   有する、高温粒子エロージョン環境用鋼。