JPH0349980B2

JPH0349980B2 -

Info

Publication number: JPH0349980B2
Application number: JP58228468A
Authority: JP
Inventors: Mikio Yamanaka; Keiichi Oomura
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1983-12-05
Filing date: 1983-12-05
Publication date: 1991-07-31
Also published as: JPS60121258A

Description

【発明の詳細な説明】

産業上の利用分野本発明は高温の廃ガスから熱を回収し、あるい
は反応用のガスを加熱するために用いられる熱交
換器用鋼材に関する。従来技術および問題点近年エネルギー価格の高騰により製鉄、非鉄金
属、ガラス等の溶融炉、熱処理炉、塵芥焼却炉、
産業廃棄物の高温処理装置等の多量の熱を発生す
る装置においては廃ガスの熱を利用して、熱交換
器で燃焼用の空気や燃料ガスを予熱して炉の熱効
率を向上させることが通常行われる。また各種の
プラントで反応用のガスを加熱する装置として熱
交換器が使われているが、この場合も最近では燃
料費の節減のために熱源として硫黄分の多い重油
や廃油等の低価格のものが好んで使用される。こ
のような熱交換器にあつては燃料や被処理物に含
まれるＳ、Cl、Ｃ、Ｐ、Na、Ｋ等の単体又は化
合物に起因する各種の高温腐食や各種の高温腐食
や侵食が材料の損傷を速める。このため、従来の
熱交換器では、ステンレス鋼便覧（昭和49年417
頁）などで知られるフエライト系耐熱ステレス鋼
のシクロマル（Cr−Si−Al鋼）が使用されるこ
とが多かつた。このシクロマルは比較的耐高温腐
食性は良好であるものゝフエライト系ステンレス
鋼の本質的な欠点として高温強度が低く、材料温
度が高くなると部材の強度不足による変形が激し
くなるため材料温度は850℃以下に規制する必要
があり、このため被加熱ガスの温度を700℃以上
にすることはできなかつた。したがつて熱源とな
るガス温が高過ぎる場合は空気で希釈して温度を
下げて使用していた。一方高温強度の高いオーステナイト系耐熱ステ
ンレス鋼や合金例えばSUS310Sやインコロイ800
も熱交換器用材として使われるが、これらの材料
の耐高温腐食性は不充分であるため、この場合
は、高温腐食の防止のうえから、前記のような温
度規制が必要であつた。すなわち既存の鋼材では
熱交換器用鋼材として充分な耐高温腐食性と高温
強度の双方を兼ねそなえた材料はなかつた。本発明者らは先に特公昭55−43498号報、特公
昭56−11302号公報などにより耐酸化性の優れた
オーステナイト系ステンレス鋼の提案を行つてい
る。これらの鋼材は高温の酸化性雰囲気中では優
れた耐酸化性を示し、且つオーステナイト鋼とし
ての高い高温強度を示すものゝ、熱交換器のよう
に腐食性の物質が鋼材表面に付着したり、雰囲気
中の酸素量が充分でない場合に浸炭や窒化を生じ
易く、これが鋼材の耐高温腐食性を劣化させ、熱
交換器に使用した場合に不都合の生じるケースも
多くみられた。発明の構成・作用本発明者らはかかる実状に鑑み、熱交換器用材
として適する材料の検討を更に進めた結果以下の
組成のものが熱交換器用材料としてきわめて優れ
ていることを知見した。すなわち本発明の第１のものは重量％で、Ｃ：0.2％以下 Si：２％以下 Mn：３％以下 Cr：９〜25％ Ni：12〜45％ Al：５％超〜８％を含み、夫々で0.1％以下のCa、Ｙ、希土類元素
を１種又は２種以上含み金属組織が主としてオー
ステナイト相であることを特徴する熱交換器用鋼
材である。また本発明の第２のものは第１のものに加え
て、５％以下のMo、５％以下のＷ、10％以下の
Coの１種又は２種以上を合計で15％以下含むも
のである。更に本発明の第３、第４のものは第
１、第２のものに加えて夫々５％以下のCuを含
むものである。以下に本発明を詳細に説明する。まず本発明において成分を前記の如く限定した
理由を述べると、Ｃはオーステナイト系ステンレス鋼においてオ
ーステナイト相を安定化し、常温・高温の強度を
確保するのに必要であるが、0.2％を超えると熱
間加工性や常温での加工性・靭性が劣化するので
上限を0.2％とした。 Siは通常の耐熱鋼においては耐酸化性の向上に
役立つが、本発明鋼においてはAl₂O₃皮膜の形成
により耐酸化性を維持するのでSiの添加は特に必
要としないばかりか2.0％を超えてSiが存在する
とSiO₂層がAl₂O₃皮膜の形成を妨げるためその上
限を2.0％とした。 Mnはオーステナイト形成元素であるが、3.0％
を超えて添加すると耐酸化性が劣化するうえ硬く
なり過ぎるのでその上限を3.0％とした。 CrはAl₂O₃皮膜の安定な形成と密着性の確保に
必要不可欠な元素でそのために９％以上の添加を
必要とする。しかながら25％を超えて添加すると
材料の靭性が劣化するうえ、使用中脆化も促進さ
れるのでその上限を25％とした。 Niは金属組織をオーステナイト相とするため
に必要な基本元素で、CrやAlの添加量が本発明
成分の下限値であつても最低12％の添加を必要と
する。しかしながら45％を越えると熱間加工性も
劣化するうえ高価になるので、成分範囲を12〜45
％とした。次に本発明鋼材においては５％超〜８％のAl
を含有することが最大の特徴である。すなわち前
記のSUS310Sやインコロイ800のようなオーステ
ナイト系ステンレス鋼では高温でCr₂O₃を主体と
する皮膜が鋼表面に生成されるのに対し、このよ
うな高Al含有鋼材とすることによつてAl₂O₃と主
体とする皮膜が高温で生成される。Cr₂O₃を主体
とする皮膜はかなりの量の酸化鉄を含み熱交換器
で問題となる腐食性物質に対する耐高温腐食性が
充分でないが、上記の如くAl₂O₃を主体とする皮
膜は鋼材に少量含まれる後述のCa、Ｙ、希土類
元素の１種以上の効果も加わつてその耐高温腐食
性はきわめて良好で熱交換器に使用された場合に
熱源ガスとともに飛来する種々の腐食性物質に対
して容易には侵されない。この場合本発明鋼材の
表面に前記のように耐高温腐食性の優れたAl₂O₃
皮膜を形成するためにはAlは５％超の添加が必
要であるので下限を５％超とした。しかしながら
８％を超えて添加すると鋼の靭性・延性が著しく
劣化するのでその上限を８％とした。 Ca、Ｙ、希土類元素はいずれも本発明鋼にお
いてその１種又は２種以上を添加することによつ
て熱間加工性とAl₂O₃皮膜の安定性の改善に効果
があるが、これらの元素は0.1％を超えて添加す
ると、かえつて熱間加工性をそこなうのでその上
限を0.1％とした。また、ここでいう希土類元素
（REM）とは原子番号57〜71番のランタニド系元
素を指す。以上が本発明鋼材の具体的成分であるが本発明
においては、このほか高温強度とクリープ強度を
さらに向上せしめるためにMo、Ｗ、Coの１種以
上を、またさらに耐露点腐食性の改善を期待して
Cuを添加することできる。まずMo、Ｗ、Coはいずれも高温強度とクリー
プ強度の改善に効果があるが高価でもあり、
Mo、Ｗについては夫々で５％、Coについては10
％、合計で15％を超えて添加してもその効果はそ
れほど増さないので上記の如く上限を設定した。 Cuは熱交換器の温度が下がつたときの耐露点
腐食性を向上させるために添加するが、5.0％を
超えて添加すると熱間加工性や高温靭性が急速に
劣化するのでその上限を5.0％とした。また本発明鋼材においてはその金属組織が主と
してオーステナイト相であることを重要な骨子の
一つとするものである。即ちオーステナイト相を
主体とする組織とするのはこれによつて従来多用
されてきたフエライト系ステンレス鋼のシクロマ
ルに比べてその高温強度が高く、高温で変形しに
くくなるからである。すなわち、1000℃でのシク
ロマルの耐力は約１Kg／mm²であるのに対し、本発
明鋼においてはオーステナイト相を主体とするこ
とによつてＣ含有量の低いものすなわち比較的高
温強度が低いものでも、耐力は５Kg／mm²以上とな
り、この値はシクロマルの700℃での耐力に相当
する。かゝる成分・組織を有する本発明鋼材を熱交換
器に使用した場合には、SUS310Sのようなオー
ステナイト系ステンレス鋼を使用した場合の高温
腐食からの温度制約と、シクロマルを使用した場
合の高温変形からの温度制約の両者が緩和される
結果、熱交換器の伝熱面の温度を従来のものより
100〜300℃高くすることができ、より高効率の熱
交換器を提供することが可能になる。なお本発明鋼の金属組織は主としてオーステナ
イト相であることは前述の通りであるが、熱交換
器用部材としての設計応力から許される範囲内で
β相（NiAl）の析出相を含むデルタフエライト
相を40％まで含むことができる。但し特に常温で
の加工性や高温強度を重視する場合はデルタフエ
ライト相の上限を10％とすることが望ましい。次に実施例により本発明の効果をさらに具体的
に説明する。実施例１第１表に示すＡ〜Ｓの各成分（重量％）の鋼を
25Kgの真空溶解により溶製し、鋼塊の一部をを鍛
造、熱延、焼鈍の工程を過て７mm厚の熱延中板に
仕上げた。機械加工により5^t×30^w×500^lの試験片
をこの中板から切り出し、一端に8〓の穴をあけ、
ガラス溶融炉の煙道に27日間つるし、自重による
伸びとガラス原料からくるNa₂O、K₂Oまた燃料
中のＳとこれらが反応して生じたNa₂SO₄、
K₂SO₄等の付着溶融塩による耐高温腐食性を調べ
た。試験片をつるした場所のガス温は900〜1000
℃で平均で960℃で、酸素濃度は４〜６％である。
第２表にこれらの結果を示すが、クリープ伸びは
試験による試料の長手方向の伸び長さを試験前の
試験片の長さ500mmに対する100分率で示した。高
温腐食による重量減は試験後に軽くサンドブラス
トをかけてスケールを除去し試験前後の試験片の
重量変化を試験前の試験片の表面積で除したもの
である。但し、Ｂのシクロマルは、全体として30
％以上伸びたうえ、つり下げ穴の周辺部で異常に
伸びて破断・脱落したため諸データーの採取はで
きなかつた。一方SUS310Sとインコロイ800は、
クリープ伸びについては１％前後の小さな伸びを
示すにとゞまつたが、ガラス原料から来る塩によ
る高温腐食減量が大きく、板厚にして２〜３mmも
損耗していた。これに対して本発明鋼材はいずれ
もクリープ伸びはSUS310Sと同等又はそれ以下
で、ガラス原料による高温腐食量もSUS310Sに
比較してはるかに少なかつた。このことは本発明
鋼材がこのような苛酷な環境にあつても熱交換器
用鋼材として、伝熱面の温度を900〜1000℃にと
つても充分に使用に耐えることを示す。

【表】

【表】発明の効果本発明合金は以上詳述したように、高温強度と
耐高温腐食性の双方に優れ、上記実施例が示す通
り、本発明はきわめて熱交換効率の高い熱交換器
の製造を可能にするもので、高温炉の省エネルギ
ー率の向上に寄与するところが大きい。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｃ：0.2重量％以下 Si：２重量％以下 Mn：３重量％以下 Cr：９〜25重量％ Ni：12〜45重量％ Al：５％超〜８重量％ Ca、Ｙ、希土類元素の１種又は２種以上：
夫々の元素で0.1重量％以下を含み、金属組織が主としてオーステナイト相で
あることを特徴とする熱交換器用鋼材。２Ｃ：0.2重量％以下 Si：２重量％以下 Mn：３重量％以下 Cr：９〜25重量％ Ni：12〜45重量％ Al：５％超〜８重量％ Ca、Ｙ、希土類元素の１種又は２種以上：
夫々の元素で0.1重量％以下５重量％以下のMo、５重量％以下のＷ、及び
10重量％以下のCoの１種又は２種以上：合計15
重量％以下を含み、金属組織が主としてオーステナイト相で
あることを特徴とする熱交換器用鋼材。３Ｃ：0.2重量％以下 Si：２重量％以下 Mn：３重量％以下 Cr：９〜25重量％ Ni：12〜45重量％ Al：５％超〜８重量％ Ca、Ｙ、希土類元素の１種又は２種以上：
夫々の元素で0.1重量％以下 Cu：５重量％以下を含み、金属組織が主としてオーステナイト相で
あることを特徴とする熱交換器用鋼材。４Ｃ：0.2重量％以下 Si：２重量％以下 Mn：３重量％以下 Cr：９〜25重量％ Ni：12〜45重量％ Al：５％超〜８重量％ Ca、Ｙ、希土類元素の１種又は２種以上：
夫々0.1重量％以下５重量％以下のMo、５重量％以下のＷ、及び
10重量％以下のCoの１種又は２種以上：合計で
15重量％以下 Cu：５重量％以下を含み、金属組織が主としてオーステナイト相で
あることを特徴とする熱交換器用鋼材。