(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物の表面にｍａｓｓ％で、Ｃｒ：１５％以下、Ｆｅ：８％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｂ：１〜３％、Ｓｉ：１．５〜６％、Ｗ：２％以下、Ｃ：１％以下、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値が１．７０Ｊ／ｃｍ２以上の材料を１００〜２０００μｍの厚さに粉末式溶射法にて皮膜形成後、皮膜形成領域を１２２３〜１３５３Ｋの温度に１秒以上保持し、皮膜表面硬さをＨＲＣスケールで２０以上とした保護皮膜を形成したことを特徴とする水冷式鉄鋼製構造物。
【請求項２】
構造物の表面にｍａｓｓ％で、Ｃｒ：１５％以下、Ｆｅ：８％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｂ：１〜３％、Ｓｉ：１．５〜６％、Ｗ：２％以下、Ｃ：１％以下、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値が１．７０Ｊ／ｃｍ２以上の材料を粉末式溶射法により、膜厚：５０〜１０００μｍの皮膜を形成後、さらにｍａｓｓ％で、Ｃｒ：９〜２５％、Ｆｅ：５％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｍｏ：４％以下、Ｂ：１．５〜５％、Ｓｉ：２〜５％、Ｃ：０．４〜１．２％、残部が実質的にＮｉからなる材料を５０〜１０００μｍの厚さで１層以上を粉末溶射法にて皮膜成形後、皮膜形成領域を１２２３〜１３５３Ｋの温度に１秒以上保持し、最表層の皮膜表面硬さをＨＲＣスケールで３０〜６５とした保護皮膜を形成したことを特徴とする水冷式鉄鋼製構造物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温排ガスやダストによる高温摩耗および高温腐食に曝される水冷式鉄鋼製構造物、例えば、製鋼工場転炉排ガス冷却設備のスカート、下部フードボイラー等の耐摩耗性、耐腐食性を向上させた水冷式鉄鋼製構造物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製鋼工場の転炉においては、転炉排ガスを集めて集塵機６に導くために、図４に示すように、転炉１の上部にスカート２、下部フードボイラー３、ボイラー４およびダクト５が設けられている。これらの構造物は、転炉吹錬時高温のガスに曝されるため、鉄鋼製の水冷構造となっている。また、これらの構造物は、溶鋼および副原料として投入される各種鉱石から発生する高温のダストによる著しいエロージョン摩耗を受け、また、鉱石から発生する硫黄、塩素、フッ素などの腐食性ガスおよび高温酸化による高温腐食、さらに間欠的吹錬の繰り返しによる熱応力疲労を受ける。このため、構造物が穴明きや亀裂入りして構造物から冷却水が漏れ出すと、高温の溶鋼と水が反応して水蒸気爆発を起こし、重大災害につながる可能性がある。
【０００３】
このような災害が発生する前に、設備（操業）を停止して、修復工事を行う必要がある。災害の発生を防止するために、次のような技術が提案されている。
【０００４】
特公平４−８００８９号は、耐摩耗性、耐亀裂性の向上を目的とした転炉ＯＧフードチューブを提案している。これは、フードチューブの表面に、Ｃ  ：０．０３〜０．３％、Ｓｉ  ：０．２〜１．２％、Ｍｎ：０．３〜２．６％、  Ｎｉ：０．１〜６．０％、  Ｃｒ  ：８．０〜１５．０％、Ｍｏ：０．０５〜４．０％、  Ｖ：０．１〜３．０％、残部  Ｆｅを含む金属を、被覆厚みが０．５〜１．５ｍｍとなるよう溶射肉盛りしたものである：技術▲１▼。
【０００５】
特開平７−１８３２０号は、耐ダストエロージョン性の向上を目的とした保護層を形成した転炉排ガスフード用冷水式スカートを提案している。これは、冷水式スカートの内側表面に、炭化物サーメットからなるアンダーコート層および耐酸化性合金からなるトップコート層によって構成された保護層を形成したものである：技術▲２▼。
【０００６】
特開平９−２３５６６３号は、耐腐食性と耐エロージョン性の向上を目的とした複合溶射被覆部材を提案している。これは、鉄鋼製基材の表面に、ＳｉＯ２  とＡｌ２Ｏ３を骨材として含みかつクロム酸と燐酸を媒体とするスラリーを塗布―乾燥して得られる多孔状無機質皮膜を有し、その無機質皮膜上にはクロム酸とリン酸を主成分とするシール剤を塗布もしくはスプレーした後、これを加熱焼成して得られるガラス質酸化クロム被膜を有するものである：技術▲３▼。
【０００７】
また、転炉排ガス冷却設備の構造物に、ＪＩＳ  Ｈ  ８３０３  に規定されているニッケル自溶合金４種を適用した例がある：技術▲４▼。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の技術には次のような問題がある。
【０００９】
技術▲１▼は、基材と溶射皮膜の密着機構が機械的な投錨効果を主としているため、溶射粒子の結合性や基材との付着が十分でなく、剥離し易い。
【００１０】
技術▲２▼は、施工費用が高価であり、また、耐エロージョン性が十分でない。
【００１１】
技術▲３▼は、施工対象物の形状に制約があり、また、耐剥離性と耐摩耗性が十分でない。
【００１２】
技術▲４▼は、耐摩耗性および耐腐食性は向上するが、硬さが高すぎるため熱疲労性応力腐食割れが皮膜表面から発生し、この割れが基材（鋼管）に進展するという問題がある。
【００１３】
本発明は上記の問題を解消し、耐剥離性、耐摩耗性、耐腐食性および耐熱疲労性応力腐食割れ性に優れた保護皮膜を形成した水冷式鉄鋼構造物を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を以下の構造物によって達成する。
【００１５】
請求項１の構造物は、構造物の表面にｍａｓｓ％で、Ｃｒ：１５％以下、Ｆｅ：８％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｂ：１〜３％、Ｓｉ：１．５〜６％、Ｗ：２％以下、Ｃ：１％以下、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値が１．７０Ｊ／ｃｍ２以上の材料を１００〜２０００μｍの厚さに粉末式溶射法にて皮膜形成後、皮膜形成領域を１２２３〜１３５３Ｋの温度に１秒以上保持し、皮膜表面硬さをＨＲＣスケールで２０以上とした保護皮膜を形成した水冷式鉄鋼製構造物である。
【００１６】
請求項２の構造物は、構造物の表面にｍａｓｓ％で、Ｃｒ：１５％以下、Ｆｅ：８％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｂ：１〜３％、Ｓｉ：１．５〜６％、Ｗ：２％以下、Ｃ：１％以下、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値が１．７０Ｊ／ｃｍ２以上の材料を粉末式溶射法により、膜厚：５０〜１０００μｍの皮膜を形成後、さらにｍａｓｓ％で、Ｃｒ：９〜２５％、Ｆｅ：５％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｍｏ：４％以下、Ｂ：１．５〜５％、Ｓｉ：２〜５％、Ｃ：０．４〜１．２％、残部が実質的にＮｉからなる材料を５０〜１０００μｍの厚さで１層以上を粉末溶射法にて皮膜成形後、皮膜形成領域を１２２３〜１３５３Ｋの温度に１秒以上保持し、皮膜表面硬さをＨＲＣスケールで３０〜６５とした保護皮膜を形成した水冷式鉄鋼製構造物である。
【００１７】
上記構造物によれば、保護皮膜の緻密化が達成され耐腐食性が向上し、鉄鋼基材と皮膜の合金化により密着力が高まり、耐剥離性が向上する。さらに、皮膜中の硬質成分の析出により皮膜表面硬さが確保され、耐摩耗性が向上する。また、熱疲労性応力腐食割れの発生も防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に説明する。図４は、転炉排ガス冷却設備を示す側面図である。転炉吹錬時に転炉１から排出される高温の排ガスは、スカート２、フードボイラー３、ボイラー４、ダクト５を経由して集塵機６に導入される。スカート２、フードボイラー３およびボイラー４は、水冷式鉄鋼構造物で構成されており、図１または図２に示すような断面に形成されている。図１は、水冷管１１の一方の外面にフィン１２を形成させたもの（フィン付き半円チューブと呼称）であり、図２は、水冷管１１の中心外面にフィン１２を形成させたもの（センターフィン円形チューブ）である。そして、このような水冷式鉄鋼構造物のガス通過側の壁面に以下に述べるような方法で、保護皮膜１３または保護皮膜１３ａ，１３ｂ，１３ｃが形成される。
【００１９】
先ず、水冷式鉄鋼構造物のガス通過側壁面にブラスト処理を施し、表面のスケール、汚れを除去して、溶射皮膜が剥離しないような粗面を形成する。以降、各成分の％は、ｍａｓｓ％を意味する。
「第１実施の形態（請求項１に該当）の保護皮膜の場合」
ブラスト処理した粗面に、Ｃｒ：１５％以下、Ｆｅ：８％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｂ：１〜３％、Ｓｉ：１．５〜６％、Ｗ：２％以下、Ｃ：１％以下、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値が１．７０Ｊ／ｃｍ２以上の材料を粉末式溶射法により、膜厚：１００〜２０００μｍの皮膜を形成する。
【００２０】
上記の粉末式溶射法としては、燃焼炎を用いたフレーム式溶射法、超音速フレーム溶射法および電気エネルギーを用いたプラズマ溶射法が適用できる。
【００２１】
皮膜形成後、形成した皮膜と基材表面近傍を１２２３〜１３５３Ｋの温度に１秒以上保持し、皮膜を固液共存状態にして皮膜形成粒子の融合と基材との拡散層を形成させて、皮膜内にＣｒ硼化物やＣｒ炭化物等の硬質成分を析出させる。
【００２２】
かくすれば、保護被膜の緻密化が達成され耐腐食性が向上し、鉄鋼基材と皮膜の界面の合金化により密着力が高まり、耐剥離性が向上する。さらに、皮膜中の硬質成分の析出により皮膜表面硬さが、ＨＲＣスケールで２０以上となり、耐摩耗性が向上する。
【００２３】
加熱温度を１２２３〜１３５３Ｋとするのは、１２２３Ｋ未満の温度は、材料の固相線温度以下であり、被膜と基材の反応が固体拡散反応となり、被膜と鉄鋼基材との付着力が十分でない。また、１３５３Ｋを超える温度では、材料の液相線温度以上となり、皮膜が流動化して構造物表面から流れ出し、均一な皮膜形成ができなくなるからである。
【００２４】
加熱する時間を１秒以上とするのは、１秒未満では、所定の皮膜性能を発揮させることができないからである。加熱方法としては、ガスバーナーによる方法、高周波誘導加熱による方法、雰囲気調整したガス炉または電気炉で加熱する方法がある。しかし、大きさおよび形状に制約がある場合は、加熱する際に、構造物に発生する変形（歪み）を防止または最小にするために、適切な拘束用治具を用いる必要がある。
【００２５】
材料の成分のうち、ＢとＳｉは、合金の融点を下げる作用と溶融時に溶剤の役割を果たし、被膜中の酸化物の除去作用を行う効果があるが、Ｂ：１％未満、Ｓｉ：１．５％未満では前記効果が少なく、Ｂ：３％を超え、Ｓｉ：６％を超えると、過剰の硼化物や金属間化合物の生成により、シャルピー衝撃値の低下を招く。
【００２６】
皮膜の膜厚については、表１に示すように、膜厚が１００μｍ未満の場合、加熱処理により基材からＦｅ成分の希釈や基材へのＣの拡散（浸炭）により、皮膜の硬さが低下して耐摩耗性が著しく低下する。逆に、２０００μｍを超えると、皮膜に発生する内部応力で皮膜の密着性が低くなり、皮膜にクラックが発生し易くなる。さらに、皮膜を加熱する場合、基材との合金層が形成され難くなり膜質の低下を招く、また、コスト面からも必要以上に皮膜厚さを過大にすることは得策ではない。なお、表１に示したシャルピー衝撃値は、表中に示した化学成分の溶射材料を溶融後、鋳造し、ＪＩＳ  Ｚ  ２２０２に規定される３号試験片を製作し、シャルピー衝撃試験機を用いて測定した。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
「第２実施形態（請求項２に該当）の保護皮膜の場合」
上述のブラスト処理した粗面に、Ｃｒ：１５％以下、Ｆｅ：８％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｂ：１〜３％、Ｓｉ：１．５〜６％、Ｗ：２％以下、Ｃ：１％以下、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値が１．７０Ｊ／ｃｍ２以上の材料を粉末式溶射法により、膜厚：５０〜１０００μｍの皮膜で形成後、さらに、Ｃｒ：９〜２５％、Ｆｅ：５％以下、Ｃｕ：４％以下、Ｍｏ：４％以下、Ｂ：１．５〜５％、Ｓｉ：２〜５％、Ｃ：０．４〜１．２％、残部が実質的にＮｉからなる材料を５０〜１０００μｍの厚さで１層以上を粉末溶射法にて皮膜成形する。
【００２９】
膜厚さは前述の理由により、各層の膜厚の合計が１００〜２０００μｍになるようにすることが望ましい。
【００３０】
層構成は、実用上２〜３層で十分である。耐摩耗性が必要な場合は、最表層の表面硬さを高くする必要があり、そのためには、材料成分のうちＮｉ以外で、Ｃｒを９〜２５％、Ｃを０．４〜１．２％、Ｂを１．５〜５％およびＳｉを２〜５％の範囲に制御し、Ｆｅを５％以下、Ｃｕを４％以下、Ｍｏを４％以下にし、１２２３〜１３５３Ｋの温度に１秒以上して、保護皮膜の表面硬さをＨＲＣスケールで３０〜６５にする。
【００３１】
粉末溶射法、加熱温度、加熱保持時間等の説明は、第１実施形態（請求項１に該当）における内容と同一であるので、省略する。
【００３２】
水冷式鉄鋼製構造物は、全体の組立が完成する前に、本発明による保護皮膜を形成することが好ましく、一般的には、３〜１５本のチューブにより構成したコンポーネントの状態で保護皮膜を形成する。なお、適切な変形防止用拘束治工具を使用し、ガスバーナー加熱を行えば、全体組立後に保護皮膜を形成させることも可能である。
【００３３】
【実施例】
次に、比較例と本発明の実施例について説明する。
「比較例１」
保護皮膜を形成しない下部フードボイラーの水冷式鉄鋼製基材は、約８カ月の使用で最大２ｍｍの管厚減少が発生し、溶接補修等の対策を実施していた。
「比較例２」
自溶合金（ＪＩＳ  Ｈ  ８３０３）ＳＦＮｉ  ４種を５００〜１０００μｍの膜厚で皮膜形成した下部フードボイラーの水冷式鉄鋼製基材は、約８カ月の使用で皮膜に亀裂を生じ、補修を必要とした。
「本発明の実施例１」
図３に示す下部フードボイラーの斜線部に、１４．０２％Ｃｒ、３．８６％Ｆｅ、０．０５％Ｃｕ、２．４１％Ｂ、３．６５％Ｓｉ、０．０３％Ｗ、０．６９％Ｃ、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値１．７５Ｊ／ｃｍ２の材料を３００〜７００μｍの厚さに粉末式溶射法で皮膜形成後、１２４３〜１３５３Ｋの温度に約５秒間保持し、皮膜表面硬さをＨＲＣ４２〜４７にしたものを、転炉排ガス冷却設備に取り付けて約８カ月使用した。
【００３４】
この間、保護皮膜に、皮膜の剥離、摩耗、腐食による基材の露出および熱疲労性応力腐食割れは発生しなかった。
「本発明の実施例２」
図３に示す下部フードボイラーの斜線部に、１０．３８％Ｃｒ、２．２％Ｆｅ、０．０８％Ｃｕ、１．５５％Ｂ、２．９１％Ｓｉ、０．０２％Ｗ、残部が実質的にＮｉからなり、シャルピー衝撃値２．００Ｊ／ｃｍ２の材料を３００〜５００μｍの厚さに粉末式溶射法で皮膜形成後、さらに、１２．２％Ｃｒ、２．４６％Ｆｅ、０．０６％Ｃｕ、２．２３％Ｂ、３．６４％Ｓｉ、０．０３％Ｗ、０．５０％Ｃ、残部Ｎｉからなる材料を３００〜５００μｍの厚さに粉末式溶射法で皮膜形成し、最表層に、１６．５％Ｃｒ、３．２％Ｆｅ、２．０２％Ｃｕ、２．５％Ｍｏ、３．５４％Ｂ、４．６８％Ｓｉ、０．８９％Ｃ、残部が実質的にＮｉからなる材料を３００〜５００μｍの厚さに粉末式溶射法で皮膜形成後、１２４３〜１３５３Ｋの温度に約１０秒間保持し、皮膜表面硬さをＨＲＣ５１〜５８にしたものを、転炉排ガス冷却設備に取り付けて約８カ月使用した。
【００３５】
この間、保護皮膜に、皮膜の剥離、摩耗、腐食による基材の露出および熱疲労性応力腐食割れは発生しなかった。
【００３６】
以上、転炉排ガス冷却設備に本発明の保護皮膜を適用した例を述べたが、同じような環境で使用される他の水冷式鉄鋼製構造に本発明の保護皮膜を適用すれば前記と同様の効果が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の水冷式鉄鋼製構造は、ダスト、地金を含有する高温腐食雰囲気において耐食性、耐摩耗性に優れ、熱疲労性応力腐食割れが発生し難く、耐剥離性に優れた保護皮膜を有するので、構造物の長寿命化が達成できる。これにより、設備の休止時間を短縮でき、または、工場の稼働率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る保護皮膜を形成させたフィン付き半円チューブの断面図である。
【図２】本発明に係る保護皮膜を形成させたセンターフィン円形チューブの断面図である。
【図３】本発明に係る保護皮膜を形成させた下部フードボイラーの斜視図である。
【図４】転炉排ガス冷却設備を示す側面図である。
【符号の説明】
１  転炉
２  スカート
３  下部フードボイラー
４  ボイラー
５  ダクト
６  集塵機
１１  水冷管
１２  フィン
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  保護皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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