JPS6033182B2 - How to select austenitic steel with excellent erosion resistance at high temperatures - Google Patents

How to select austenitic steel with excellent erosion resistance at high temperatures

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JPS6033182B2
JPS6033182B2 JP10246181A JP10246181A JPS6033182B2 JP S6033182 B2 JPS6033182 B2 JP S6033182B2 JP 10246181 A JP10246181 A JP 10246181A JP 10246181 A JP10246181 A JP 10246181A JP S6033182 B2 JPS6033182 B2 JP S6033182B2
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less
austenitic steel
steel
temperature
high temperatures
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尚男 冨士川
宏文 牧浦
善明 志田
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Nippon Steel Corp
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Sumitomo Metal Industries Ltd
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、石炭火力ボィラ、石炭液化、ガス化装置な
どの構造部材として使用されるオーステナィト鋼で、特
に高温でェロージョンを起す可能性のある環境下での使
用に際して、すぐれた耐ェロージョン性を示すオーステ
ナィト鋼の選定方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates to austenitic steel used as structural members of coal-fired power boilers, coal liquefaction, gasification equipment, etc., especially when used in environments where erosion may occur at high temperatures. This invention relates to a method for selecting austenitic steel that exhibits excellent erosion resistance.

近年のェネルギ事情の変化により石油に代って再び石炭
が使用される煩向にあり、例えば石炭火力ボィラや石炭
液化ガス化装置などの稼動数ないし研究の増加に見られ
る通りである。
Due to changes in the energy situation in recent years, there is a tendency to use coal instead of oil again, as can be seen in the increase in the number of operations and research on coal-fired power boilers, coal liquefaction gasifiers, etc., for example.

一方、これら石炭火力ボイラ、石炭液化、ガス化装置は
、いずれも従来の石油火力ボィラなどと同様の材料構成
にて製作されており、したがって材料面に関しては石炭
利用に当っての考慮がはらわれておらず、このため例え
ば石炭火力ボィラの50000以上となる過熱器や再熱
器などの部材の製造にはJIS−SUS304日,31
餌,321日,および347日が使用され、また石炭液
化、ガス化装置では18一8系を中心とするオ−ステナ
イト鋼が使用されている。
On the other hand, these coal-fired boilers, coal liquefaction, and gasification equipment are all manufactured with the same material composition as conventional oil-fired boilers, so there are no considerations in terms of materials when using coal. For this reason, for example, JIS-SUS 304, 31 is required for manufacturing parts such as superheaters and reheaters, which are 50,000 or more for coal-fired boilers.
Feed, 321 days, and 347 days are used, and austenitic steel, mainly 18-8 series, is used in coal liquefaction and gasification equipment.

このように現存の石炭火力ボィラや石炭液化、ガス化装
置などにおいては、材料面に関して石油使用の場合に準
じた設計がなされているにすぎず、石炭利用の場合に独
自に生じる石炭微粉末や石炭燃焼灰分などの固体粒子を
含有する高温ェロージョン環境にさらされる場合に、そ
の構成部材が如何なる高温耐ェロージョン性を示すもの
なのか確実に把握されておらず、ましてや、これらに関
する材料面での研究や方策は立てられていないのが現状
であり、わずかに設計面からプロテクタの使用等の対策
が行なわれているにすぎない。
In this way, existing coal-fired boilers, coal liquefaction, and gasification equipment are designed based on the materials used when using oil; It is not known with certainty what kind of high-temperature erosion resistance the constituent members exhibit when exposed to a high-temperature erosion environment containing solid particles such as coal combustion ash, and there is still no research on these materials. At present, no measures have been taken to protect against this problem, and only a few measures have been taken from a design perspective, such as the use of protectors.

そこで、本発明者等は、上述のような観点から、特に石
炭微粉末や石炭燃焼灰分などの固体粒子を含有する高温
ェロージョン環境下で使用されるオーステナィト鋼部材
に着目し、かかる高温ェロージョン環境下ですぐれた耐
ェロージョン性を示すオーステナィト鋼を選定すべく研
究を行なった結果、前記の環境下で使用されるオーステ
ナィト鋼を、■ C:0.5%以下,N:0.2%以下
,Si:1.0以下,Mn:2%以下,Ni:7〜35
%,Cr:16〜28%を含有し、さらに必要に応じて
TjおよびNbのうちの1種または2種:1%以下を含
有し、残りがFeと不可避的不純物からなる組成を有す
るオーステナィト鋼(以下オーステナィト鋼Aという)
、および(Bー C:0.5%以下,N:0.2%以下
,Si:0.8%以下,Mn:10〜22%,Cr:4
〜15%,Mo:4%以下,Ni:5%以下を含有し、
残りがFeと不可避的不純物からなる組成(以上重量%
、以下%はすべて重量を示す)を有するオーステナィト
鋼(以下オーステナィト鋼Bという)、のいずれかとす
ると共に、使用温度Tにおいて経験式:16000/T
(ただしTは絶対温度で表わした使用温度)によって求
められた値以上の耐力または降伏応力(単位:k9f/
磯)をもったオーステナィト鋼に選定すると、この結果
のオーステナィト鋼は、特に上記の固体粒子を含有する
高温ェロージョン環境下ですぐれた耐ェロージョン性を
示すという知見を得たのである。
Therefore, from the above-mentioned viewpoint, the present inventors focused on austenitic steel members that are used in high-temperature erosion environments that contain solid particles such as fine coal powder and coal combustion ash. As a result of conducting research to select austenitic steel that exhibits excellent erosion resistance in : 1.0 or less, Mn: 2% or less, Ni: 7 to 35
%, Cr: 16 to 28%, and optionally one or two of Tj and Nb: 1% or less, with the remainder consisting of Fe and inevitable impurities. (hereinafter referred to as austenitic steel A)
, and (B-C: 0.5% or less, N: 0.2% or less, Si: 0.8% or less, Mn: 10-22%, Cr: 4
~15%, Mo: 4% or less, Ni: 5% or less,
The remainder consists of Fe and unavoidable impurities (more than % by weight)
, below all percentages indicate weight) (hereinafter referred to as austenitic steel B), and at the operating temperature T, the empirical formula: 16000/T
(However, T is the operating temperature expressed in absolute temperature.) Proof strength or yield stress (unit: k9f/
By selecting an austenitic steel with a certain amount of solid particles, it was found that the resulting austenitic steel exhibits excellent erosion resistance, especially in a high-temperature erosion environment containing the above-mentioned solid particles.

この発明は上記知見にもとづいてなされたものであって
、以下に上記オーステナィト鋼AおよびBの成分組成お
よび耐力(または降伏応力)を上記の通りに限定した理
由を説明する。
This invention has been made based on the above findings, and the reason why the composition and proof stress (or yield stress) of the austenitic steels A and B are limited as described above will be explained below.

1 オーステナィト鋼Aの成分組成 ta} C
,Cはオーステナィト安定化並びに鋼の強度向上のため
に重要な元素であって、その含有量が多いほど有効であ
るが、0.5%を越えて含有させると加工性の冷化が著
しくなることから、その上限値を0.5%と定める。
1 Composition ta of austenitic steel A} C
, C is an important element for stabilizing austenite and improving the strength of steel, and the higher the content, the more effective it is, but when it is included in excess of 0.5%, the workability deteriorates significantly. Therefore, the upper limit is set at 0.5%.

‘b} N NもCと同様にオーステナィトを安定化 し、かつ鋼の強度を高める作用をもつが、0.2%を越
えた含有になると同様に加工性が低下するようになるこ
とから、その上限値を0.2%と定めた。
'b} N Like C, N also has the effect of stabilizing austenite and increasing the strength of steel, but if its content exceeds 0.2%, the workability similarly decreases. The upper limit was set at 0.2%.

‘c} SiSiには脱酸作用があるので不可欠の元素
であるが、1.0%を越えた含有は脱酸の面からは意味
がないことから、その上限値を1.0%と定めた。
'c} SiSi is an essential element because it has a deoxidizing effect, but since its content exceeding 1.0% is meaningless from the viewpoint of deoxidizing, the upper limit is set at 1.0%. Ta.

{d)Mn Mnには脱酸作用のほかに、オーステナィトを安定化す
る作用があるが、2%を越えて含有させてもより一層の
向上効果は現われないことから、その上限値を2%と定
めた。
{d) Mn Mn has the effect of stabilizing austenite in addition to its deoxidizing effect, but even if it is contained in an amount exceeding 2%, no further improvement effect will be obtained, so the upper limit value has been set at 2%. It was determined that

‘eー Ni その含有量が7%未満ではオーステナィトを安定的に確
保することができず、一方35%を越えた含有はオース
テナィト化のためには意味がないことから、その含有量
を7〜35%と定めた。
'e-Ni If the content is less than 7%, it is not possible to stably secure austenite, while if the content exceeds 35%, it is meaningless for austenitization. It was set at 35%.

{f)Cr Crには高温での耐酸化性を向上させる作用があるが、
その含有量が16%未満では前記作用に所望の効果が得
られず、一方28%を越えて含有させると加工性が劣化
するようになることから、その含有量を16〜28%と
定めた。
{f) Cr Cr has the effect of improving oxidation resistance at high temperatures,
If the content is less than 16%, the desired effect cannot be obtained, while if the content exceeds 28%, the processability deteriorates, so the content was set at 16 to 28%. .

(g) TiおよびNb TiおよびNbには、鋼中のCおよびNと結合して析出
物を形成することにより鋼を強化し、かつ耐ェロージョ
ン性を向上させる均等的作用があるので、より一層の強
度および耐ェロージョン性が要求される場合に必要に応
じて含有されるが、1%を越えて含有させてもより一段
の向上効果はなく、むしろ鋼の清浄度が溶接性などが低
化するようになることから、その上限含有量を1%と定
めた。
(g) Ti and Nb Ti and Nb combine with C and N in the steel to form precipitates, thereby strengthening the steel and improving erosion resistance. It is included as necessary when strength and erosion resistance are required, but even if it is added in excess of 1%, there is no further improvement effect, and rather the cleanliness of the steel deteriorates, such as weldability. Therefore, the upper limit content was set at 1%.

0 オーステナィト鋼Bの成分組成 {aー C,N,Si これらの元素の限定理由は上記のオーステナイト鋼Aと
同じである。
0 Composition of austenitic steel B {a- C, N, Si The reasons for limiting these elements are the same as those for austenitic steel A described above.

{b} Mn オーステナィト鋼Bはオーステナイト鋼AにおけるNj
をMnに代えて高価なNiの節減をはかったものである
が、Mn含有量が10%未満ではオーステナィトを安定
的に確保することができず、一方22%までの含有でオ
ーステナィト鋼の安定化は十分なので、その含有量を1
0〜22%と定めた。
{b} Mn Austenitic steel B is Nj in austenitic steel A
However, if the Mn content is less than 10%, austenite cannot be stably secured, whereas if the Mn content is up to 22%, the austenitic steel cannot be stabilized. is sufficient, so its content is reduced to 1
It was set at 0 to 22%.

{c)Cr Crには特に高温での耐酸化性を向上させる作用がある
が、その含有量が4%未満では前記作用に所望の効果が
得られず、一方15%を越えて含有させてもより一層の
耐酸化性向上効果は現われないことから、その含有量を
4〜15%と定めた。
{c) Cr Cr has the effect of improving oxidation resistance, especially at high temperatures, but if its content is less than 4%, the desired effect cannot be obtained; on the other hand, if it is contained in excess of 15%, Since the effect of further improving oxidation resistance does not appear, its content is set at 4 to 15%.

{d} Mo Moは高温強度を高めるのにきわめて有効な元素である
が、4%を越えて含有させても含有量の割りには高温強
度改善効果が小さく、高価な元素であることも考慮して
、その上限値を4%と定めた。
{d} Mo Mo is an extremely effective element for increasing high-temperature strength, but even if it is contained in an amount exceeding 4%, the effect of improving high-temperature strength is small relative to the content, and it should also be considered that it is an expensive element. The upper limit was set at 4%.

{e} Ni Niには耐酸化性を向上させる作用があるが、5%を越
えた含有は、Mnによる代替効果が減ずることになるこ
とから、その上限値を5%と定めた。
{e} Ni Ni has the effect of improving oxidation resistance, but if the content exceeds 5%, the substitution effect by Mn will be reduced, so the upper limit was set at 5%.

m耐力 上記の成分組成を有するオーステナィト鋼AおよびBに
関し、このオーステナィト鋼のもつ特性と、高温ェロー
ジョン環境を構成する各種の要因との関係について種々
の面から検討を加えていった結果、これらオーステナィ
ト鋼のもつ耐力または降伏応力と、高温ェロージョン環
境の雰囲気温度、すなわち使用温度との間には特別な相
関関係があることを見出し、さらにこの関係について検
討を加えていった結果、前記オーステナィト鋼Aおよび
Bの耐力または降伏応力(k9f/桝)≧型凶。
Regarding austenitic steels A and B having the above-mentioned compositions, we investigated the relationship between the characteristics of these austenitic steels and the various factors that constitute the high-temperature erosion environment from various aspects, and found that these austenitic steels We discovered that there is a special correlation between the yield strength or yield stress of steel and the atmospheric temperature in a high-temperature erosion environment, that is, the operating temperature.As a result of further investigation into this relationship, we found that the austenitic steel A And the proof stress or yield stress of B (k9f/square) ≧ type failure.

(ただしTは絶対温度で表わした使用温度)を満足した
場合に、前記オーステナィト鋼AおよびBは上記の特に
固体粒子を含有する高温ェロージョン環境下ですぐれた
耐ェロージョン性を示すことが経験的に結論づけられた
のである。つぎに、この発明の方法を実施例により具体
的に説明する。実施例 通常の溶解法および鍛造法によりそれぞれ第1表に示さ
れる成分組成および耐力をもった本発明オーステナィト
鋼1〜6および比較鋼1〜3を製造し、これらの各種鋼
より試験片を取出し、これらの試験片を用いて、温度:
500,650,75000(したがって、それぞれ、
豊空o=2o‐6,・7‐3,15.6となる)にて、
固体粒子として平均粒蚤:100〜150仏mを有する
JIS7号人造マナし、砂を、キャリアガスとしてAr
ガスを使用し、65m/秒の流速で前記試験片に20o
の衝突角にて1時間吹付けての条件で高温ェロージョン
試験を行ない、各試験片における最大ェロージョン深さ
を測定した。
(where T is the service temperature expressed as an absolute temperature), it has been empirically shown that the austenitic steels A and B exhibit excellent erosion resistance especially in the above-mentioned high-temperature erosion environment containing solid particles. It was concluded. Next, the method of the present invention will be specifically explained using examples. Examples Austenitic steels 1 to 6 of the present invention and Comparative steels 1 to 3 having the compositions and yield strength shown in Table 1 were produced by ordinary melting and forging methods, and test pieces were taken from these various steels. , using these test pieces, the temperature:
500, 650, 75000 (therefore, respectively,
Toyosora o = 2o-6, 7-3, 15.6),
JIS No. 7 artificial manure with an average grain size of 100 to 150 m as solid particles, sand as a carrier gas, and Ar as a carrier gas.
Using gas, the specimen was heated at 20oC at a flow rate of 65m/sec.
A high-temperature erosion test was conducted under the conditions of spraying at an impact angle of 1 hour for 1 hour, and the maximum erosion depth of each test piece was measured.

この測定結果を第1表に合せて示した。第1表 (注)oy:耐 力(b9f/柵) D:最大ェロージョン深さ(〃m) 第1表に示される結果から、本発明鋼は比較鋼にくらべ
各試験温度で極めて良好な耐ェロージョン性を示すこと
が分る。
The measurement results are also shown in Table 1. Table 1 (Note) oy: Proof strength (b9f/fence) D: Maximum erosion depth (〃m) From the results shown in Table 1, the steel of the present invention has extremely good resistance at each test temperature compared to the comparative steel. It can be seen that it exhibits erosion properties.

更に、本発明鋼は、比較鋼にくらべ耐力が高いことも明
らかであり、これら耐力値の範囲について温度をパラメ
ータに示すと第1図の如くになる。第1図からも、土筆
型0の線を境に本発明鋼と比較鋼とが明瞭に分かれるこ
とが明らかである。上述のように、この発明によれば、
高温ェロ−ジョン環境、特に石炭微粉末や石炭燃焼灰分
などの固体粒子を含有する雰囲気において、構成部材と
して使用されるオーステナィト鋼部村を、成分組成およ
びその使用温度の両面から選定すると、この結果のオー
ステナィト鋼部材はすぐれた高温耐ェロージョン性を示
すようになるなど工業上有用な効果がもたらされるので
ある。
Furthermore, it is clear that the steel of the present invention has a higher yield strength than the comparative steels, and the range of these yield strength values with respect to temperature as a parameter is shown in FIG. From FIG. 1, it is clear that the steel of the present invention and the comparative steel are clearly separated by the line 0 of the clay type. As mentioned above, according to this invention,
When selecting austenitic steel to be used as a component in a high-temperature erosion environment, especially in an atmosphere containing solid particles such as fine coal powder or coal combustion ash, based on both its composition and the operating temperature, this The resulting austenitic steel member exhibits excellent high-temperature erosion resistance and other industrially useful effects.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、各試験温度における本発明鋼および比較鋼の
耐力を比較したグラフである。 髪/図
FIG. 1 is a graph comparing the yield strength of the present invention steel and comparative steel at each test temperature. hair/figure

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 高温でエロージヨンを起す可能性のある環境下でオ
ーステナイト鋼を使用するに際して、前記オーステナイ
ト鋼として、(a) C:0.5%以下,N:0.2%
以下,Si:1.0%以下,Mn:2%以下,Ni:7
〜35%,Cr:16〜28%,Fe及び不可避的不純
物:残り、 (b) C:0.5%以下,N:0.2%以下,Si:
1.0%以下,Mn:2%以下,Ni:7〜35%,C
r:16〜28%,Ti及びNbの1種以上:1%以下
, Fe及び不可避的不純物:残り、 (c) C:0.5%以下,N:0.2%以下,Si:
0.8%以下,Mn:10〜22%,Cr:4〜15%
,Mo:4%以下,Ni:5%以下, Fe及び不可避的不純物:残り、 のいずれかの組成(以下重量%)を有し、かつ使用温度
Tにおいて経験式:1600/T(ただし、Tは絶対温
度で表わした使用温度)によつて求められた値以上の耐
力または降伏応力(単位:kgf/mm^2)をもつた
オーステナイト鋼を選定することを特徴とする、高温で
の耐エロージヨン性にすぐれたオーステナイト鋼の選定
方法。
[Claims] 1. When using austenitic steel in an environment where erosion may occur at high temperatures, the austenitic steel contains (a) C: 0.5% or less, N: 0.2%
Below, Si: 1.0% or less, Mn: 2% or less, Ni: 7
~35%, Cr: 16~28%, Fe and inevitable impurities: remainder, (b) C: 0.5% or less, N: 0.2% or less, Si:
1.0% or less, Mn: 2% or less, Ni: 7-35%, C
r: 16-28%, one or more of Ti and Nb: 1% or less, Fe and unavoidable impurities: the remainder, (c) C: 0.5% or less, N: 0.2% or less, Si:
0.8% or less, Mn: 10-22%, Cr: 4-15%
, Mo: 4% or less, Ni: 5% or less, Fe and unavoidable impurities: the remainder, and has the following composition (hereinafter referred to as weight %), and at the operating temperature T, the empirical formula: 1600/T (however, T Erosion resistance at high temperatures is characterized by selecting an austenitic steel with a proof stress or yield stress (unit: kgf/mm^2) greater than the value determined by the operating temperature (expressed in absolute temperature). How to select austenitic steel with excellent properties.
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