JPS61143523A

JPS61143523A - 地熱タ−ビン用ロ−タの製造方法

Info

Publication number: JPS61143523A
Application number: JP26440384A
Authority: JP
Inventors: Masaru Yamamoto; 優山本; Hide Amamiya; 雨宮　秀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-12-17
Filing date: 1984-12-17
Publication date: 1986-07-01

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】［発明の技術分野］本発明は地熱井から得られる蒸気および（またＦｉ）熱
水を作動媒体とする地熱タービン用ロータの製造方法に
関する。

［発明の技術的背景とその問題点］地熱タービンを駆動するのに利用される媒体である地熱
蒸気や熱水にげ、火山性の腐食性ガス（Ｈ，８等）やＣ
ｒ、　５ｏ４−その他の各種イオンが多量に含有されて
おり、またそのｐＨが低い友め。

これらの環境下で使用されるタービンｗｂｘ機器には耐
腐食性に優れた材料が用いられている０このうち、高速
回転体であって最も高い信頼性を必要とされるロータに
は、従来からＮｉを含まないＣｒ　−Ｍｅ−Ｖ系鋼が使
用されている。このＣｒ　−Ｍ。

−Ｖ系鋼は一般に高温強度が優れているため、高温用タ
ービン材料として使用されることが多いが、他方耐食性
にも優れているので、地熱タービンの如く蒸気温度が高
々２００℃程度のものにおいても多く使用されている。

ところが上記Ｃｒ　−Ｍｏ−Ｖ系鋼は高温強度、とりわ
けクリープラブチャ強度が優れている反面、低温での靭
性に乏しく、延性脆性破面遷移温度（５０％ＦＡＴＴ）
は通常８０〜１２０℃の高い値を示す。したがって蒸気
温度が低い地熱タービンのロータとしてＣｒ　−Ｍｏ−
Ｖ系鋼を使用すると、十分な靭性が得られず信頼性に欠
けるという問題が生ずる。

そこでこの一種の靭性向上をはかるべく、従来より熱処
理時の焼入れ温度を下げるなどの試みが行われているが
、それによっても５９　％　ＰＡＴＴはせいぜい５０〜
６０℃程度にしかならない。地熱タービンの出口蒸気温
度は沁℃前後であるから、上記ＦＡＴＴｔｊ未だ十分な
水準に達していない。

また、　Ｃｒ　−Ｍｏ−Ｖ系鋼が靭性に劣るのは、この
鋼種の本来的な性質であると同時に、造塊時に生じる成
分偏析がその傾向を助長していることも知られている。

特にＰ、８．Ａｓなど不純物の偏析は鋼を脆化させるば
かりでなく、腐食環境下では鋼の局部的な溶解をもたら
す原因となり、応力腐食割れ（８ＣＣ）感受性を高める
ため、この点からも偏析の防止が望まれている０［発明の目的］本発明は上記の点に鑑みなされたもので、耐食性を維持
しつつ、靭性と耐応力腐食割れ性に優れた地熱タービン
用ロータの製造方法を提供することを目的とする。

［発明の概要コ本発明は、Ｃｒ　−Ｍｏ−Ｖ系鋼材をエレクトロスラグ
再溶解して造塊する工程と、得られた鋼塊を鍛造成形し
てタービンロータ形状索体とする工程と。

該タービンロータ形状素体を９２０〜１０５０℃の範囲
の温度に加熱して焼入れし、ついで６００〜７５０℃の
範囲の温度で焼戻しする工程とからなる地熱タービン用
ロータの製造方法である。

ここで上記Ｃｒ　−Ｍｏ−Ｖ系鋼材は、重量バーセント
で、Ｃ０．１５〜０，３５％　、　８１　０．５％以下
、　Ｍｎ　１．０％以下、　Ｏｒ　０．５　＝　２．０
　％以下、　Ｍｏ　ｏ、ａ　−１，５％、Ｖｏ、１〜０
．３５　％　、これに必要に応じＢ　０．００１〜０．
０１０チ、或は全体で０．０１〜０．３０％のＮｂおよ
び（または）　Ｔａに０．０１−０．１０％のＮ、残部
Ｆｅおよび付随的不純物よりなるものが適している。

本発明は上記低合金耐熱鋼であるＣｒ　−Ｍｏ−Ｖ系鋼
にエレクトロスラグ再溶解（以下５ｍ５Ｒ＆と称す。）
法を施工し、ロータ形状化しｔ後特定の熱処理を施すこ
とにより、Ｏｒ　−Ｍｏ−Ｖ系鋼本来の優れた耐食性を
損うことなく、靭性と耐応力腐食割れ性の向上を実現し
友ものである。

本発明の各工程につき、さらに詳述する。　。

対象とするＣｒ　−Ｍｏ−Ｖ系鋼材は、通常の手法に従
って所望の組成成分に調製され、ＦＪＡＲ溶解に適した
電極形状に鋳造される。しかして、これを電極としてＢ
８Ｒ溶解を行なって造塊すれば、得られる鋼塊に＃′ｉ
、通常・の凝固時に見られるＰ、　８．　Ａｓなどの偏
析が生じることもなく、シ友がって靭性と耐応力腐食割
れ性が改善される。このようにＢＳＲ法は組織を均質化
する上で重要な工程であり％またかかる工程を経てはじ
めて以下の熱処理が高い効果を示すのである０上記Ｂ１１法によって得た鋼塊を通常の手法で鍛造成形
してタービンロータ形状索体とし、これに次の熱処理を
施す。まず９２０〜１０５０℃の範囲の温度に加熱して
焼入れする。この焼入れ温度が９２０℃よりも低いと鋼
中の炭窒化物を十分固溶させて均質な組織を得ることが
難しく、逆に１０５０℃より高いと結晶粒が粗大化して
靭性の低下を招く。シかしてかかる温度から焼入れした
後、６００〜７５０℃の範Ｈの温度で焼戻しする。焼戻
し温度は、６００℃未満では十分な靭性が得られず、ま
た７５０℃よりも高いと引張強さが低下する。

上記一連の工程を経て得られた地熱タービン用ロータは
、耐食性がよく、また優れた靭性と耐応力腐食割れ性を
示すため、比較的低温でありながら強い腐食環境に曝さ
れる地熱タービンに好適である。

次に本発明の方法を適用するに適したＣｒ−Ｍｏ−Ｖ系
鋼材の組成成分の限定理由について述べるＯＣ：　０．
１５〜０．３５チＣσ引張強さを確保するために必要な元素で、０．１５
〜未満では所望の特性が得られず、また０、３５チを超
えると靭性の低下を招くので上記範囲とするＯＳｉ　：　０，５チ以下Ｓｌｄ脱酸剤として添加される元素であるが、過剰の添
加はインゴットの成分偏析を助長して靭性の低下を招く
ので上記範囲とする。

Ｍｎ　：　１．Ｑ％以下Ｍｎ　ｉｊ　Ｓｉと同様に脱酸剤として作用する元素で
あるが、過剰の添加は靭性低下を招くので、この範囲と
するＣＣｒ　：　０．５〜２．０　’％Ｃｒは鋼塊の焼入れ性を向上し、耐食性１強度な高める
のに必要な元素であり、含有量が０．５％未満ではその
効果が十分ではなく、着た２、０％を超えると靭性な低
下させるので上記範囲とする。

Ｍｏ　：　０．３〜１．５％Ｍｏは引張強度を高めるために必要な元素であるが０．
３〜未満ではその効果が十分ではなく、また１、５チを
超えると組織中にフェライト相を生成して靭性の低下を
招くので上記範囲とする。

Ｖ　：　０．１〜０．３５　％ ■は引張強さを確保するのに必要な元素で、そのために
は０．１％以上が必要であるが、多量に添加するとＭＯ
と同様にフェライト相を生成して靭性を損うので、この
範囲とするＯＮｂおよび（または）　Ｔａ　：　０．０１　＝　０．
３０　％Ｎｂ、　Ｔａはいずれも鋼塊中に微細な炭窒化
物を析出９分散せしめて引張強度を高めると共に、結晶
粒を微細化して靭性の向上に効果がある元素である。そ
のためには、単独或は両者を合わせて０．０１−以上添
加する必要があるが、０．３０％を超えるとＥ８Ｒ処理
を行なっても粗大な炭窒化物が生成して却って靭性の低
下を招くので上記範囲とする。

Ｎ　：　０．０１〜０．１０　％Ｎは鋼塊中でフェライト相の生成を抑制し、ま九窒化物
を生成して鋼中に分散し靭性・強度の向上に寄与する元
素で、　０．０ｉ％未満の添加ではその効果が十分でな
く、０．１０％を超えるとピンホールやブローホールを
生ずることがあるので、この範囲とする。

Ｂ　：　０．００１〜０．０１０チＢは焼入性を向上し、靭性の同上にも有効な元素である
が％　０．００１％以上添加しなければその効果が顕著
でなく、また０、０１０％を超えると却って靭性が低下
するので上記範囲とする。

なお、上記に含まれないＦｅ以外の付随的不純物とは、
たとえばＰ、Ｓなどであり、通常の冶金的手段により除
くことができない程度の量である。

［発明の実施例］本発明は、以下に述べる実施例についての試験結果によ
り、一層明瞭に理解される。

試験は、タービンロータのモデルを各実施例および比較
例について作製し、これらのモデルから試験片を採取し
て行なったが、各モデルの作製に用いた鋼材の組成成分
を表−１に示す。

上記各組成成分の鋼材をまずアーク炉で溶解し。

実施例１〜５についてはその溶湯をＥｓＲ処理の電極形
状に鋳込み、また比較例１〜３については通常の造塊方
法に従って鋼塊を製造した。上記各実施例については、
鏑込んだ電極用インゴットを用いてＢＳＲ処理を行なっ
た。

しかる後実流側１〜５．比較例１〜３のそれぞれの鋼塊
を鍛造成形してタービンロータ形状素体モデルとし、し
かして夫々のタービンロータ形状素体モデルを９７０℃
に加熱して焼入れ、さらに６７０℃で焼戻しを行なった
。こうして得られたタービンロータ形状素体モデルは直
径８００Ｍの円柱形状のものであり、モデルとして十分
な大きさである。

各タービンロータ形状素体モデルから試験片を採取して
、機械試験および偏析の様子を調べる製品分析を行なっ
た。表−２に機械試験１表−３に製品分析の結果をそれ
ぞれ示すＣなお、表−２における実施例１および比較例
１については、比較のためにタービンロータ形状素体モ
デルの外周部と中心部から試験片を採取して試験に供し
た。

表−２から理解されるように、引彊強さ、伸びについて
は実施例、比較例の間に差は見られないものの、各実施
例は比較例に比べ延性にやや優れ、さらに室温衝撃？Ｉ
Ｎ　、　５０　％　ＦＡＴＴは著しく向上している。ま
た、比較例１に着目するとその中心部と外周部でＦｉ５
０％ＦＡＴＴに大きな差がおるが、実施例１においてＦ
ｉはぼ同程度の値を示しており、この点においても実施
例は優ｔしているということができる。すなわち、実施
例のものにおいては、靭性が優れ、しかもこの靭性は各
部において均質性があるのである。

以下余白中坤−津の増日叱→ 第２表から明らかなように、従来ロータ材である比較例
１〜３Ｆｉ引張強度は所望のレベルが得られるものの、
靭性の基準となる５０％延性脆性破面遷移温度（５０％
ＦＡＴＴ）が約７０℃以上と高く、かつ比較例１におい
てはロータ素材の外周部に比して、中心孔部の５９　％
　ＦＡＴＴが高いという不均一さが見られる。これに対
して、同一化学成分であるがエレクトロスラグ再溶解を
施こしたロータ材料の実施例１〜５は、室温衝撃値に優
れ、さらにいずれも５Ｑ　％　ＦＡＴＴが最高でも４２
℃以下と、従来ロータ材に比べ約４０℃向上することが
でき、地熱発電用タービンロータに必要な５０　％　Ｆ
ＡＴＴが５０℃以下の要求を満たし、安全性という面で
着しい向上が得られる。このような均質性は、８４３表
に示す製品分析の結果かられかるように、化学成分上の
とくに不純物元素の部位による成分偏析がＥａＲ法を施
こすことにより＃１とんど生じなくなるという化学成分
上の均質性からもたらされる。さらに、このような化学
組成上の均質性は応力腐食割れ抵抗にも有利である。第
１図はＨ９Ｓ飽和の人工海水中で応力腐食割れ試験を行
なった結果で、割れ長さ率（単位長さ当りの割れ長さ比
）＃−１鋼中の（Ｐ＋８＋Ａｓ）量が高いはと大となる
、すなわち割れやすくなり、従来ロータの比較例１では
部位による割れ感受性に差が生じるが、ＢＡＲ処理ロー
タの実施例１では、割れ感受性が従来ロータ材よりもは
るかに低く、シかも部位による差がない０このようにＢ
ＡＲ処理を施こすと、応力腐食割れ抵抗にも優れる。

［発明の効果コこのように１本発明は比較的低い温度で使用され、厳し
い腐食環境で使用される地熱発電用タービンロータとし
て、高靭性、均質かつ耐応力腐食割れ性に優れた材料を
提供することができ、タービンロータ材の製造方法とし
ての工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は不純物元素の量と割れ長さ率の関係を示す縮図
である。　　・

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材をエレクトロスラグ再溶解
して造塊する工程、得られた鋼塊を鍛造成形してタービ
ンロータ形状素体とする工程、該タービンロータ形状素
体を９２０〜１０５０℃の範囲の温度に加熱して焼入れ
し、ついで６００〜７５０℃の範囲の温度で焼戻しする
工程、とからなる地熱タービン用ロータの製造方法。
（２）Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材は、重量パーセントで、Ｃ
０．１５〜０．３５％、Ｓｉ０．５％以下、Ｍｎ１．０
％以下、Ｃｒ０．５〜２．０％、Ｍｏ０．３〜１．５％
、Ｖ０．１〜０．３５％、残部Ｆｅおよび付随的不純物
よりなる特許請求の範囲第１項記載の地熱タービン用ロ
ータの製造方法。
（３）Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材は、重量パーセントで、Ｃ
０．１５〜０．３５％、Ｓｉ０．５％以下、Ｍｎ１．０
％以下、Ｃｒ０．５〜２．０％、Ｍｏ０．３〜１．５％
、Ｖ０．１〜０．３５％、全体で０．０１〜０．３０％
のＮｂおよび（または）Ｔａ、Ｎ０．０１〜０．１０％
、残部Ｆｅおよび付随的不純物よりなる特許請求の範囲
第１項記載の地熱タービン用ロータの製造方法。
（４）Ｃｒ−Ｍｏ−Ｖ系鋼材は、重量パーセントで、Ｃ
０．１５〜０．３５％、Ｓｉ０．５％以下、Ｍｎ１．０
％以下、Ｃｒ０．５〜２．０％、Ｍｏ０．３〜１．５％
、Ｖ０．１〜０．３５％、Ｂ０．００１〜０．０１０％
、残部Ｆｅおよび付随的不純物からなる特許請求の範囲
第１項記載の地熱タービン用ロータの製造方法。