(57)【要約】【課題】従来に比べて寿命の長いランナーを提供する。また、従来に比べて補修期間を短縮することが可能なランナーの補修方法を提供する。【解決手段】表面の少なくとも一部に、それぞれ１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚さの下盛り及び上盛りの２層の溶接肉盛を施した、含塵排ガスブロワーのランナーであって、下盛りを施す母材のマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｍが１００〜４００、上盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｕが１０００〜１４００、下盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｌが４５０〜９５０、且つ下盛りのクロム含有量が１０〜３０質量％とされ、上盛りと母材間の厚さ方向の硬度勾配αと上盛りと下盛り間の厚さ方向の硬度勾配βがそれぞれ１８以上３２０以下である。【選択図】図１
2020186699.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の少なくとも一部に、それぞれ１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚さの下盛り及び上盛りの２層の溶接肉盛を施した、含塵排ガスブロワーのランナーであって、
前記下盛りを施す母材のマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｍが１００〜４００、
前記上盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｕが１０００〜１４００、
前記下盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｌが４５０〜９５０、且つ前記下盛りのクロム含有量が１０〜３０質量％とされ、
（１）式で定義される硬度勾配αと（２）式で定義される硬度勾配βがそれぞれ１８以上３２０以下であることを特徴とする含塵排ガスブロワーのランナー。
α＝（Ｈｖｕ−Ｈｖｍ）／［ｔｕ／２＋ｔｌ］          （１）
β＝（Ｈｖｕ−Ｈｖｌ）／［（ｔｕ＋ｔｌ）／２］      （２）
ただし、ｔｕ：前記上盛りの層厚（ｍｍ）、ｔｌ：前記下盛りの層厚（ｍｍ）
【請求項２】
一定期間使用後の請求項１記載の含塵排ガスブロワーのランナーの補修方法であって、
前記下盛りが露出している部位に、請求項１の要件を満足する上盛りの溶接肉盛を施すことを特徴とする含塵排ガスブロワーのランナーの補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、含塵排ガスブロワーのランナー及びその補修方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄プロセスで発生する排ガスは、一般にブロワーによって排出される場合が多い。例えば、鉄鉱石、炭材、及び石灰類を焼結原料に用いて焼結鉱を製造する焼結工程では、焼結原料を焼結機のパレットに装入した後、点火炉で焼結原料表面を点火し、パレットの下方から外気を吸引しながら炭材を酸化させ、酸化時の発熱を利用して鉄鉱石を焼結させることが一般に行われている。パレットの下方には吸気用のウインドボックスが設置され、ウインドボックスの下端部はダクトに接続されている。
パレット上の焼結原料が燃焼することによって発生する焼結機排ガスは、ダクトの途中に設置されている焼結機主排ガスブロワーを作動させることによりウインドボックス内に吸引され、ダクトを介して電気集塵機に導入される。
【０００３】
焼結機主排ガスブロワーのランナー（羽根車）は、粉塵の衝突による摩耗（特に、翼板の先端部は粉塵の衝突が激しい。）や、排気ガス環境起因の腐食による減肉により寿命が決定される。
このような粉塵を含む排ガス（含塵排ガス）に用いる排ガスブロワーのランナーの減肉は、焼結機主排ガスブロワーに限られるものではなく、製鉄プロセスの一例である製銑プロセスや製鋼プロセスにおいても発生する。製銑プロセスの例としては、ブロワーの焼結機排鉱部の排気ブロワー、コークス原料炭の乾燥炉の排ガスブロワー等が挙げられる。また、製鋼プロセスの例としては、転炉ＯＧ設備のブロワー、電気炉集塵設備のブロワー等が挙げられる。製鉄プロセスではないが、石炭ボイラーの排気設備、焼却炉の排気設備でも同様な課題が存在する。
【０００４】
これらの設備においては、大気中に排ガスを放散する前に所定の規制値以下となるように排ガス中の粉塵（煤煙）濃度が低減される。しかし、規制値以下ではあるが０．７ｍｇ／ｍ３以上の粉塵が排ガスに含まれる場合があり、このような含塵排ガスがブロワーのランナーの減肉の原因となっている。
そのため、含塵排ガスブロワーのランナー（以下、単に「ランナー」と呼ぶことがある。）などの摩耗部品には、金属肉盛等を用いた耐摩耗性向上が従来から種々検討されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、衝撃を受ける部分に母材よりも耐浸食性及び耐摩耗性の高い肉盛溶接層を有する部材を適用した水車及びその製造方法が開示されている。
また、特許文献２には、表面の少なくとも一部に、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏの内の少なくとも１種類を含む金属とクロム炭化物とを含む第１溶射皮膜と、Ｎｉ，Ｃｒ，Ｃｏの内の少なくとも１種類を含む金属とタングステン炭化物とを含む第２溶射皮膜を被覆した水車ランナーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２−２３０９６８号公報
【特許文献２】特開平９−３０３２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１記載の技術によれば、相応の寿命向上は期待できるが、ビッカース硬さが３００〜７００であるため耐摩耗性が不十分である。また、溶接方法がプラズマ溶射に限定されており、より簡便な方法で羽根の補修ができることが望まれる。
一方、特許文献２記載の技術の場合、第２溶射皮膜のビッカース硬さが１０００以上あり耐摩耗性は十分確保されるが、耐摩耗性向上の肉盛方法として溶射を採用しているため、膜厚は１．０ｍｍ程度が上限となり、長寿命化に限界がある。また、４００℃以上６５０℃以下の温度で１時間以上３０時間以下の予熱が必要であるため、現場での補修は困難である。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、従来に比べて寿命の長いランナーを提供することを目的とする。また、従来に比べて補修期間を短縮することが可能なランナーの補修方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、第１の発明は、表面の少なくとも一部に、それぞれ１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚さの下盛り及び上盛りの２層の溶接肉盛を施した、含塵排ガスブロワーのランナーであって、
前記下盛りを施す母材のマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｍが１００〜４００、
前記上盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｕが１０００〜１４００、
前記下盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｌが４５０〜９５０、且つ前記下盛りのクロム含有量が１０〜３０質量％とされ、
（１）式で定義される硬度勾配αと（２）式で定義される硬度勾配βがそれぞれ１８以上３２０以下であることを特徴としている。
α＝（Ｈｖｕ−Ｈｖｍ）／［ｔｕ／２＋ｔｌ］          （１）
β＝（Ｈｖｕ−Ｈｖｌ）／［（ｔｕ＋ｔｌ）／２］      （２）
ただし、ｔｕ：前記上盛りの層厚（ｍｍ）、ｔｌ：前記下盛りの層厚（ｍｍ）
【００１０】
本発明では、図１に示すように、上盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｕを上盛りの層厚の１／２箇所で代表させ、下盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｌを下盛りの層厚の１／２箇所で代表させる。また、母材のマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｍは母材表面で代表させる。このように想定すると、上盛りと母材間の厚さ方向の硬度勾配αは（１）式、上盛りと下盛り間の厚さ方向の硬度勾配βは（２）式で表される。
【００１１】
一般に、溶接肉盛や溶射等によりランナーの耐摩耗性を向上させることができる。しかし、単にランナーの最表層の硬度を上げた場合、表層に亀裂が入りやすくなるだけでなく、亀裂が進展・成長するという知見を本発明者らは得ている。
母材に溶接肉盛を施した場合、ランナーの耐摩耗性は向上する。しかし、溶接肉盛の硬度を上げると、母材と肉盛層の硬度差が大きくなり、熱膨張係数等の機械的性質が母材と肉盛層とで大きく異なることになる。その結果、ランナーに引張荷重が作用したり、ランナーが熱膨張する際に、肉盛層に存在する亀裂が進展・成長する。亀裂が進展し、肉盛層が剥離すると、そこから母材の減肉が進行して破損に至る。
【００１２】
このように、単なる摩耗だけではなく、亀裂の進展に起因する肉盛層の剥離による損耗がランナーの寿命を決定する大きな要因であることを本発明者らは発見した。
そこで、本発明では、ランナーの溶接肉盛を上盛りと下盛りの２層とし、上盛りの硬度を高くして耐摩耗性を向上させると共に、上盛りに不可避的に発生する亀裂の進展を抑制することにより上盛り層の剥離を防止する。具体的には、上盛りと母材間の厚さ方向の硬度勾配αと、上盛りと下盛り間の厚さ方向の硬度勾配βをそれぞれ所定の数値範囲内とすることにより、上盛りと下盛りと母材間の硬度変化量や、これに伴う熱膨張係数の変化量を適正値にする。
【００１３】
また、第２の発明は、一定期間使用後の第１の発明に係る含塵排ガスブロワーのランナーの補修方法であって、
前記下盛りが露出している部位に、請求項１の要件を満足する上盛りの溶接肉盛を施すことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る含塵排ガスブロワーのランナーでは、溶接肉盛を上盛りと下盛りの２層とし、上盛りの硬度を高くすると共に、上盛りと母材間の厚さ方向の硬度勾配αと、上盛りと下盛り間の厚さ方向の硬度勾配βをそれぞれ所定の数値範囲内とすることにより、摩耗の進行及び亀裂の進展を抑制する。これにより、従来に比べてランナーの寿命を延ばすことが可能となる。
【００１５】
また、本発明に係る含塵排ガスブロワーのランナーの補修方法では、予熱や後熱を実施せず、上盛り層が剥離して下盛りが露出した箇所にのみ上盛り溶接を施すので、従来に比べて補修工程を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】硬度勾配α、βを説明するための模式図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る焼結機主排ガスブロワーのランナーの斜視図である。
【図３】下盛り及び上盛りの２層の溶接肉盛を施した、ランナーの翼板先端部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
【００１８】
本発明の一実施の形態に係る焼結機主排ガスブロワー（含塵排ガスブロワーの一例）のランナー１０を図２に示す。
ランナー１０は、中心部に軸孔１３を有する円盤状の主板１２と、回転方向に沿って等間隔に配置された複数の翼板１１とを備えている。各翼板１１は弧状に湾曲し、湾曲した一方の端面が主板１２に固着されている。主板１２の軸孔１３にはモータシャフト（図示省略）が嵌挿される。
【００１９】
ランナー１０はケーシング（図示省略）内に収納され、ランナー１０の前方（モータが設置されていない側）に焼結機排ガス１４の吸込口が、ランナー１０の側方に焼結機排ガス１４の吹出口がそれぞれ設けられている。
【００２０】
含塵排ガスである焼結機主排ガスのダスト（煤塵）は、規制値以下ではあるが０．７ｍｇ／ｍ３以上であり、含塵排ガスの中でも比較的濃度が高い（例えば、８．０ｍｇ／ｍ３以上、規制値以下）。
【００２１】
モータ（図示省略）によりランナー１０が回転すると、焼結機排ガス１４が吸込口からケーシング内に吸い込まれる。ケーシング内に吸い込まれた焼結機排ガス１４はランナー１０内に流入し、翼板１１間の隙間からランナー１０外へ流出する。ランナー１０外へ流出した焼結機排ガス１４はケーシング内を回転方向に移動し、吹出口からケーシング外へ排出される。
【００２２】
ランナー１０の表面の少なくとも一部には、それぞれ１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚さの下盛り及び上盛りの２層の溶接肉盛が施されている。
溶接肉盛の厚さが１．５ｍｍ未満であると、長寿命化の効果が小さくなる一方、３．０ｍｍを超えると、溶接の際に表層と内部の温度差により亀裂生成が増長される。
【００２３】
下盛りを施す母材のマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｍは１００〜４００である。母材のマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｍが１００未満であると、母材自体の強度不足が懸念される一方、４００を超えると、母材自体が割れやすくなる。
【００２４】
上盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｕは１０００〜１４００である。上盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｕが１０００未満であると、耐摩耗性が不足する一方、１４００を超えると、亀裂の発生や進展を抑制できない可能性がある。
【００２５】
下盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｌは４５０〜９５０、且つ下盛りのクロム含有量は１０〜３０質量％とされている。上盛り層が剥離して下盛りが露出した際、下盛りの耐摩耗性を確保するため、下盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｌは４５０以上としている。一方、下盛りのマイクロビッカース硬さの平均値Ｈｖｌを９５０以下とすることで、下盛り層における新たな亀裂生成を概ね抑制することができる。
【００２６】
焼結機排ガス等の含塵排ガスは、水分、ＳＯｘ、ＮＯｘを含んでいるため、水分、ＳＯｘ、ＮＯｘ由来の酸が焼結機主排ガスブロワーのランナーに付着する場合がある。上盛り層に亀裂が発生し、亀裂が進展して上盛り層と下盛り層の境界部に到達した場合、上記酸が亀裂を通って境界部を腐食させる場合がある。境界部は、異なる金属が接触しているので腐食が進みやすい。そのため、下盛りにクロムを含有させ、耐腐食性を保つクロム含有量を１０質量%以上とすることにより、境界部の腐食進行を抑制する。クロム含有量の上限値としては、３０質量％程度のものを市中で入手することができる。
【００２７】
なお、上盛りにもクロムを含有させても良い。しかし、焼結機排ガスには粉塵が含まれているため、上盛りは摩耗しやすく、耐腐食性よりは耐摩耗性を優先させるべきと考えられる。故に、上盛りにクロムを含有させることによって上盛りの耐摩耗性が低下するよりは、クロムは少量含有もしくは無添加として上盛りの耐摩耗性を向上させたほうが良い。
【００２８】
上盛りと母材間の厚さ方向の硬度勾配αと、上盛りと下盛り間の厚さ方向の硬度勾配βはそれぞれ１８以上３２０以下とする。なお、硬度勾配αは（３）式、硬度勾配βは（４）式により算出する。
α＝（Ｈｖｕ−Ｈｖｍ）／［ｔｕ／２＋ｔｌ］          （３）
β＝（Ｈｖｕ−Ｈｖｌ）／［（ｔｕ＋ｔｌ）／２］      （４）
ただし、ｔｕ：上盛りの層厚（ｍｍ）、ｔｌ：下盛りの層厚（ｍｍ）
【００２９】
上盛りに発生する亀裂の進展は、上盛りを拘束する下盛りや母材の熱膨張係数によって決定されると考えられる。しかし、熱膨張係数の計測は困難であるため、本発明では、熱膨張係数に概ね符合するマイクロビッカース硬さを代用することにより、材料間の熱膨張係数差を硬度勾配として評価した。なお、上記拘束度合は、肉盛厚さにも影響されることから、拘束度合の評価に硬度勾配を用いることは理に適っていると考えられる。
【００３０】
上述した母材、上盛り、及び下盛りの各マイクロビッカース硬さの平均値、並びに上盛り及び下盛りの各層厚によれば、硬度勾配α及びβの最大値は６３３となるが、硬度勾配が高すぎると、上盛りに対して下盛りや母材の熱膨張係数が過大となる。その結果、高温環境（例えば１２０℃程度）において焼結機主排ガスブロワーのランナーが熱膨張すると、下盛りや母材の膨張代に応じて、上盛りにおいて亀裂が進展しやすくなる。
本発明者らの知見によれば、硬度勾配α及びβを３２０以下とすることで、下盛りや母材の拘束による上盛りの亀裂進展を抑制することができる。
【００３１】
一方、上述した母材、上盛り、及び下盛りの各マイクロビッカース硬さの平均値、並びに上盛り及び下盛りの各層厚によれば、硬度勾配α及びβの最小値は１６となるが、硬度勾配が低すぎる場合、例えば、上盛りと概ね同等な硬さを有する下盛りを配置することとなる。これは、熱膨張係数が上盛りと下盛りで概ね同等となり、下盛りの拘束による上盛りの亀裂進展が抑制できていることとなる。しかし、熱膨張の観点での亀裂進展は抑制されるものの、焼結機主排ガスブロワーの回転振動による亀裂進展も発生しうるため、上盛り層と下盛り層の境界部に亀裂が到達する懸念が残る。上盛り層と下盛り層の境界部に亀裂が到達した際、上盛りと同等の硬さ（靭性）を有する下盛りの場合、下盛り内部への亀裂進展を抑制することが難しくなる。
【００３２】
因って、上盛りに対して下盛りの硬さをある程度低下させること、即ち、硬度勾配に下限値を設けることによって、上盛り層を貫通した亀裂が下盛り内部に進展するのを抑制することができる。本発明者らの知見によれば、硬度勾配α及びβを１８以上とすることで、下盛りや母材の拘束による上盛りの亀裂進展を抑制することができる。
【００３３】
図３に、ランナー１０の翼板１１の先端部に下盛り１６及び上盛り１７の溶接肉盛を施した例を示す。本例では、翼板１１と同じ材質のプレート１５（母材）を翼板１１と同じ形状に加工し、上述した要件を満たす下盛り１６及び上盛り１７をプレート１５に施した後、翼板１１の先端部に固定している。
なお、翼板１１（母材）に直接、下盛り１６及び上盛り１７を施してもよい。
【００３４】
母材、下盛り、及び上盛りのマイクロビッカース硬さの測定は以下のように行う。
母材は溶接する前の表面、上盛り及び下盛りはそれぞれ溶接した後の表面を対象とし、ＪＩＳ  Ｚ２２４４：２００９「ビッカース硬さ試験−試験方法」に従う方法で測定する。負荷荷重（試験力）は５００ｇとし、各対象物について０．５ｍｍ間隔で１５点測定し、その平均を算出して平均値とする。
【００３５】
上盛り及び下盛りの肉厚測定は以下のように行う。
Ａ．ランナー表面と同形状のプレート（母材）を作成し、肉盛施工後に当該プレートをランナー表面に取り付ける場合
プレート表面に下盛り、上盛りをそれぞれ溶接した後、ノギスやマイクロメーターで厚みを測り、３点の平均値を肉盛厚さとする。その後、当該プレートをランナー表面へ取り付ける。
【００３６】
Ｂ．ランナー（母材）表面に直接溶接肉盛を施工する場合の肉厚測定方法は以下の２通りの方法がある。
（ａ）予め、溶接条件（電流、電圧、溶接速度等）と肉盛厚さとの関係を調べておき、肉盛厚さが既知である溶接条件でランナー表面に肉盛溶接をする方法
（ｂ）超音波距離計で測定する方法
上盛り、下盛り、母材はそれぞれ異なる材質であるため、その境界は超音波で検知でき、肉盛厚さを算出することができる。
【００３７】
ランナー表面に直接溶接肉盛を施工する場合、上記２方法が採用できるが、肉盛素材には炭化物等の超音波透過を阻害するものが含まれる場合があるため、（ａ）の方法が望ましい。
【００３８】
一定期間使用後の焼結機主排ガスブロワーのランナーを補修する場合は、下盛りが露出している部位に、上述した要件を満足する上盛りの溶接肉盛を施せばよい。
【００３９】
以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
【実施例】
【００４０】
本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
表１及び表２に試験結果の一覧を示す。試験条件は以下の通りである。
（ａ）試験片
試験片は、長さ×幅×厚さ＝２００ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの母材とした。試験片の厚さを６ｍｍとしたのは、焼結機主排ガスブロワーのランナーにおいて最も摩耗や亀裂による損傷が多い部位の厚さが６ｍｍであることによる。
試験片の表面に、表１及び表２に記載されている条件でアーク溶接により２層肉盛を施し、試験片Ａを作製した。また、試験片Ａと同じ条件で試験片Ｂを作製した。
検証試験には試験片Ａを使用し、試験片Ｂは試験未実施とし評価の際の比較対象とした。
【００４１】
（ｂ）引張試験
最大９０ｋＮ（３００ＭＰａ）となるように負荷する引張試験を試験片Ａに対して実施した。
試験片の断面（厚さ方向×長さ方向約１０ｍｍ）観察を行って、亀裂長さ上位１０本の平均値である平均亀裂長さＬ（ｍｍ）と、顕微鏡視野（２０倍）で確認できた亀裂密度Ｎ（本／ｍｍ２）を、試験片Ａと試験片Ｂについてそれぞれ測定し、ＬＡ、ＮＡと、ＬＢ、ＮＢとした。
各試験片について、平均亀裂長さＬの評価値を（ＬＡ−ＬＢ）／ＬＡ、亀裂密度Ｎの評価値を（ＮＡ−ＮＢ）／ＮＡとして算出し、平均亀裂長さＬの評価値と亀裂密度Ｎの評価値の両方が０．５以下であれば合格、それ以外であれば不合格とした。
【００４２】
（ｃ）熱膨張試験
１２０℃（実機使用環境）に設定した炉に試験片Ａを２時間入れた後、１時間自然放冷するプロセスを１０回繰り返した。
熱膨張試験の評価は引張試験と同じ方法で行った。
【００４３】
（ｄ）最終評価
引張試験と熱膨張試験の両方に合格した場合○（可）とし、それ以外の場合×（不可）とした。
【００４４】
【表１】
2020186699.tif 000003
【００４５】
【表２】
2020186699.tif 000004
【００４６】
表１より実施例は全て評価が○であった一方、表２より比較例は全て評価が×であったことがわかる。
【符号の説明】
【００４７】
１０：ランナー、１１：翼板、１２：主板、１３：軸孔、１４：焼結機排ガス、１５：プレート（母材）、１６：下盛り、１７：上盛り
【図１】
2020186699.tif 000005
【図２】
2020186699.tif 000006
【図３】
2020186699.tif 000007