JP4742314B2 - 耐熱鋳鋼、焼却炉及び焼却炉の火格子 - Google Patents

Description

本発明は、耐食性のある耐熱鋳鋼、その耐熱鋳鋼を用いた焼却炉及び焼却炉の火格子に関する。

ストーカ焼却炉等の火格子を始めとする焼却炉部材は、高温強腐食環境下において使用されているが、昨今のダイオキシン類の発生抑制・熱回収効率向上・発電効率向上などの観点からより高温で燃焼させることが求められており、焼却炉部材はより厳しい腐食環境にて使用される傾向にある。

このような焼却炉部材等をはじめとする耐熱鋳鋼として、Ｆｅ-Ｃｒ-Ｎｉ-Ｃ系の合金である耐熱鋳鋼（たとえばＪＩＳ ＳＣＨ２あるいはＳＣＨ１３）が知られている。これらの合金は、高温酸化と共に塩化腐食や硫化腐食などが同時に生じる激しい腐食環境下で使用されると、腐食により材料損傷が引起こされる。したがって、高温の腐食環境下で使用される火格子等にこれらの合金を使用する場合、定期的に炉を停止し、比較的短期間で火格子等焼却炉部品を交換するか、または冷却による延命化などが図られている。

また、発明者らは、高温強腐食性環境中での耐熱鋳鋼の腐食挙動について調査し、耐熱鋳鋼の粒界に析出したＣｒ炭化物の粒界腐食を起因とし結晶粒界の脱粒が生じ、激しい減肉に至る事を見出した。この粒界腐食を抑えるために、合金中に適量のＮｂを添加する事によりＣｒ炭化物をＮｂ炭化物に置換できるようにし、Ｃｒ炭化物の粒界腐食を抑制し耐食性が向上する事を明らかにしている（特許文献１参照）。

図１には、ＳＣＨ２（ＪＩＳ Ｇ５１２２）を用いた腐食試験結果を示す。ここに示されるように、７００℃以上においては粒界腐食が支配的であるため、適量のＮｂが添加された耐熱鋳鋼は、冷却が出来ない高温域で優れた耐食性を発揮することがわかる。

特開２００３−３２８０９０号公報

上述した火格子等の定期的な交換は、焼却炉を使用し続けるためには必要な作業である。しかしながらこれらは焼却炉を停止して行なうため、焼却炉の稼働率が低下し、焼却と熱回収及び発電ができない期間が発生する。また、部品交換は焼却炉内部に人が入る必要があることから、ダイオキシン暴露への対応が必要となる。以上のように火格子等焼却炉部品の交換作業は、焼却炉のランニングコストの増加や作業労働負荷の増大につながり、それらを行う頻度はできるだけ少なくすることが望まれる。

水冷却等の冷却による延命化では、火格子構造が複雑になると共に、火格子表面を過度に冷却した場合、温度の低下を招き、燃焼効率悪化につながる恐れがある。

また、発明者らが、既に明らかにしたＮｂあるいはＷを適量添加することを特徴とする合金（特開２００３−３２８０９０号公報）は、粒界腐食を抑制して耐食性を向上させる特徴を有するため、特に粒界腐食が支配的な高温域で優れた耐食性を発揮する。しかし、更なる研究の結果、図１に示されるように、６００℃以下では粒界などの優先的な腐食よりもむしろ、粒界および母材を問わず一様に腐食が進行する全面腐食が支配的となることを見出した。実際の焼却炉での使用を考えると、温度が高温で一定である事は珍しく、場所や条件によっては、むしろ６００℃以下の低温域である場合も考えられるため、低温域で支配的である全面腐食に対しての耐食性も求められる。

また、一般的な鋳鋼では希土類元素を添加して耐食性を向上させることがあるが、希土類元素は高価である。また、Ｎを添加し素地をオーステナイト化させると共に硬くすることもあるが、素地がオーステナイト化すると、緻密なＦＣＣ（面心立方格子）構造となるためマトリックス中のＣｒ拡散速度が低下し、耐食性が低下してしまう。

そこで、本発明は、粒界腐食性と共に全面腐食に優れた効果のある耐熱鋳鋼、その耐熱鋳鋼を用いた焼却炉及び焼却炉の火格子を提供することを目的とする。

本発明の耐熱鋳鋼は、質量％で、Ｃを0.1〜0.5％、Ｓｉを0.5〜5.0％、Ｍｎを0％より多く2.0％以下、Ｎｉを0％より多く4％以下、Ｃｒを20〜35％、Ｍｏを0.4％より多く10％以下、Ｎｂを0.1〜5.0％とし、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなることを特徴とする耐熱鋳鋼である。

各元素の添加割合をこのように定めた理由を以下に説明する。Ｃは従来合金ではＣｒ炭化物を形成し粒界腐食を促進するため耐食性の観点からは少ない方が望ましいが、炭化物形成により高温強度を向上させると共に、鋳造性を向上させるため、一定量の添加が不可欠である。0.1％未満の添加では前記所望の効果が得られず、0.5％を超えると炭化物の形成が過剰となり、粒界腐食が激しくなるため、その含有量を0.1〜0.5と定めている。好ましくは0.1〜0.35％、更に好ましくは0.25〜0.35％である。

Ｓｉは溶湯に対して強力な脱酸作用を発揮すると共に、鋳造性を向上させる作用があり、0.5％以上の添加でその効果が顕著になる。しかし過剰に添加すると材料の靱性が低下し、5％を超える添加では著しい靱性低下が生じる。そのため含有量を0.5〜5.0％と定めている。好ましくは0.5〜3.0％、更に好ましくは0.5〜1.0％である。

Ｍｎは脱酸作用と共に脱硫剤としても作用し、さらに鋳造性を向上させるが、多量の添加は耐高温酸化性の低下を招くため、その耐食性悪化の影響が顕著ではない2％以下を含有量としている。好ましくは１％以下の含有である。

Ｃｒは高温耐食性向上のためには不可欠な元素である。雰囲気の酸素と反応し、合金表面に腐食に対して保護的なCr₂O₃皮膜を形成し母材の腐食を抑制する。合金表面に均一なCr₂O₃皮膜を形成するためには20％以上添加が必要であるが、35％を超える添加により靱性が著しく劣るσ相が形成され、材料の靱性が悪化する可能性がある。そのため含有量を20〜35％に限定している。より好ましい範囲は25〜30％である。

Ｎｉは多量の添加により素地をオーステナイト化させる。オーステナイト系はフェライト系に比べ合金中の拡散速度が遅く、母材の耐高温酸化性が劣る。また高温腐食による母材の組織変化により合金表面にＮｉが濃縮し表面がオーステナイト化する場合があるが、この様な合金表面のオーステナイト化しない4％以下を添加量と定めている。好ましくは0.8〜1.5％である。

Ｍｏは全面腐食温度域での耐全面腐食性を向上させる役割があり、0.4％より多い添加でその効果が現れる。ただしＭｏ自身は耐酸化性に劣るため過剰添加は耐食性を悪化させ、10％を超えると従来合金よりも耐食性が悪化する。そのため10％を添加の上限と定めている。好ましい範囲は1〜7％，より好ましい範囲は2〜6％である。

Ｎｂは、合金中に固溶すると共に炭化物を形成し粒界に析出し、連続的なＣｒ炭化物の切断やＣｒ炭化物に置換わる事により耐粒界腐食性を向上させる。連続的なＣｒ炭化物を切断し、耐食性を向上させるためには0.1％を以上の添加が必要であるが、過剰添加により全てのＣｒ炭化物がＮｂ炭化物に置換され逆に耐食性が悪化するため、耐食性が悪化しない5％を上限と定めている。経済性を考慮すると添加量が少ない方が好ましく、好ましい範囲は0.2〜2.0％、より好ましくは0.5〜1.5％である。

また、本発明の耐熱鋳鋼は、Ｍｏを2〜6％、Ｎｂを0.5〜3％、Ｃｒを25％より多く30％以下であるとすることができる。この組成は、幅広い温度域で耐食性に優れる組成である。Ｍｏは耐全面腐食性改善に対しより効果的な2％以上添加するが、耐高温酸化性を勘案して上限値を6％に留めている。Ｎｂは耐粒界腐食性向上のためのより好ましい範囲である0.5〜1.5％に限定している。耐食性向上元素であるCrの組成範囲は25より多く30％以下としている。

本発明の焼却炉は、本発明の耐熱鋳鋼を部材の一部として用いた焼却炉である。代表的な高温の強腐食性環境として焼却炉が挙げられ、特に都市ごみ焼却炉の場合、燃料中に塩素が高濃度で含まれるため極めて厳しい腐食環境となる。この様な強腐食環境において、本発明の耐熱鋳鋼は優れた耐食性を発揮する事が可能である。

本発明の焼却炉の火格子は、本発明の耐熱鋳鋼を用いた焼却炉の火格子である。本発明の耐熱鋳鋼を用いることにより過剰な冷却を必要とせずに火格子を延命化させる事が可能となる。

以上説明したように、本発明の耐熱鋳鋼によれば、粒界腐食ならびに全面腐食について高い耐食性を示すという効果を奏する。また、本発明の焼却炉及び焼却炉の火格子によれば、高い耐食性のある部材を用いた焼却炉及び焼却炉の火格子を提供することができるという効果を奏する。

本発明の耐熱鋳鋼の性質を調べるために、腐食試験を行った。試験に使用される試験片は、その組成が表１に示されるように、従来材としてＳＣＨ２の合金（試験片０）、比較材としてＮｂを添加し、主にそのＮｂの添加量を変えた３種類の合金（試験片１〜３）、本発明の耐熱鋳鋼としてＮｂとＭｏを添加し、主にそのＭｏの添加量を変えた３種類の合金（試験片４〜６）、及び比較材としてＮｂとＭｏを添加し、そのＭｏを過剰に添加した合金（試験片７）、少ない合金（試験片８）、の計８種類である。これらの合金の試験片は、大気中にて通常の高周波誘導溶解炉を用いて溶解されることによりインゴットとされた後、それぞれのインゴットから切出されることにより作製されている。

試験は、ごみ焼却炉の火格子環境を模擬した条件で５００℃および７００℃で２４時間試験片を保持することにより行った。試験後、断面観察により腐食量を測定した。その測定結果を表２に示す。表２では、最大侵食量がμｍ単位で示され、数値が低いほど耐食性が高いことが表されている。

表２に示されるように、ＳＣＨ２の合金である試験片０に比べ、Ｎｂ添加合金である試験片１〜３は、７００℃での耐食性に優れているが、５００℃では試験片０も試験片１〜３も、耐食性はあまり変わらない結果であった。一方、本発明の耐熱鋳鋼であるＮｂとＭｏの両方を添加した合金の試験片４〜６は、７００℃における耐食性は試験片１〜３と同様優れていると共に、５００℃においても高い耐食性を示している。また、Ｍｏを過剰に添加した試験片７は、試験片４〜６に比べ耐食性を悪化させている。Ｍｏが少ない試験片８では、500℃での耐食性が試験片０に比べると同等もしくは若干優れるが，試験片４〜６に比べ耐食性が劣り、効果が十分ではないことが分る。

したがって、本実施例の試験結果によれば、Ｍｏ添加が耐全面腐食性向上に有効であることがわかる。また、ＭｏとＮｂを同時に添加する事で、耐全面腐食性及び耐粒界腐食性の両方が向上することがわかる。また、発明者らは、特に塩化物を多く含む溶融塩が存在する条件や雰囲気にＨＣｌガスが多量に存在する塩化腐食が生じる環境、又は硫化腐食が生じる環境で耐食性向上に有効である事を見出している。

そのため本発明の耐熱鋳鋼を使用する事により、過度な冷却を行わずに長寿命で信頼性の高い合金を提供する事ができ、さらに全面腐食及び粒界腐食双方に優れるため幅広い温度域で良好な耐食性を発揮する事ができる。例えば、焼却炉の火格子に本発明の耐熱鋳鋼が使用された場合には、過度な冷却により燃焼温度を下げる事無しに長期間に渡りメンテナンスの必要無く使用する事が可能である。また、希土類元素のように高価でないためコストを抑えることができ、実用的である。

以上説明したように本発明の耐熱鋳鋼は、耐腐食性を必要とする環境で利用することができる。特に、塩化腐食や硫化腐食が同時に生じる強腐食環境で有効であり、火格子を始めとする焼却炉部材に使用することができる。なお、焼却炉部材だけでなく、各種ガス化装置、化学プラント及び石油精製プラントその他の高温で操業するプラントに用いることができる。

ＳＣＨ２の耐熱鋳鋼を用いた腐食試験結果を示すグラフである。

Claims (4)

1. 質量％でＣを0.1〜0.5％、Ｓｉを0.5〜5.0％、Ｍｎを0％より多く2.0％以下、Ｎｉを0％より多く4.0％以下、Ｃｒを20〜35％、Ｍｏを0.4％より多く10％以下（ただし、2.5％以下を除く）、Ｎｂを0.1〜5.0％含み、不可避的不純物を除いて残部Ｆｅからなることを特徴とする耐熱鋳鋼。
2. Ｍｏが2〜6％（ただし、2.5％以下を除く）、Ｎｂが0.5〜3％、Ｃｒが25％より多く30％以下であることを特徴とする請求項１に記載の耐熱鋳鋼。
3. 請求項１又は２に記載の耐熱鋳鋼を部材の一部として用いた焼却炉。
4. 請求項１又は２に記載の耐熱鋳鋼を用いた火格子。
   

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