(57)【要約】【課題】  割れが発生しにくく、優れた耐摩耗性を有する赤熱コークス搬送バケット用ライナー材を提供すること。【解決手段】  Ｃ：０．３５−０．４２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８０−１．２０ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０−０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｃｒ：４．８０−５．５０ｗｔ％、Ｍｏ：１．２０−１．６０ｗｔ％、Ｖ：０．５０−１．１０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材とする。【選択図】図２
2018031045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．３５−０．４２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８０−１．２０ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０−０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｃｒ：４．８０−５．５０ｗｔ％、Ｍｏ：１．２０−１．６０ｗｔ％、Ｖ：０．５０−１．１０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材。
【請求項２】
Ｃ：０．３５−０．４２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８０−１．２０ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０−０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｃｒ：４．８０−５．５０ｗｔ％、Ｍｏ：１．２０−１．６０ｗｔ％、Ｖ：０．５０−１．１０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる金属溶湯を鋳造後、７００℃−１１００℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／分で冷却することを特徴とする、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コークス炉から窯出された高温の赤熱コークスを受け取りコークス乾式消火設備まで運搬するバケットの内側ライナーに使用される、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材及びその製造方法に関する。
より詳しくは、Ｖを多く含有し、残部にＦｅ及び不可避的不純物を含む金属溶湯を鋳造後、７００−１０５０℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／時間で冷却することにより製造される、赤熱コークスの落下による衝撃に強く、赤熱コークス接触後の摺動に対する優れた耐摩耗性を有する、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コークスとは、石炭を乾留して炭素部分だけを残した燃料のことであり、この乾留のために使用される炉はコークス炉と呼ばれる。
コークス炉の部材は、衝撃や摩耗から保護するためにその表層部にライナーが貼り付けられている。
例えば、コークス炉から窯出しされたコークスをその後コークス乾式消火設備へ搬送するためのコークスバケットは、その内面にライナーが設けられている。このライナーは、赤熱コークスの落下による衝撃や接触後の摺動による摩耗からバケットの内面を保護している。
【０００３】
赤熱コークス搬送バケット用ライナー材として、従来から球状黒鉛鋳鉄が使用されている。球状黒鉛鋳鉄は、組織中の黒鉛の形を球状にして強度や延性を改良した鋳鉄であるため、その優れた耐摩耗性及び耐衝撃性（耐割れ性）から使用されている。
しかし、窯出しされた赤熱コークスの温度は１０００℃を超えるため、球状黒鉛鋳鉄をバケット用ライナー材に用いたとしても割れが生じやすく、摩耗も激しいため、使用できる期間が短く頻繁に交換する必要があるという問題点を有する。
【０００４】
球状黒鉛鋳鉄の他にも、様々なバケット用ライナー材がこれまでに開発されている。
例えば、特許文献１には、高温環境下における耐摩耗性を確保しつつ、安価な高温耐摩耗材が開示されている。
具体的には、組成をＣ：０．２−０．５ｗｔ％、Ｓｉ：０．２−１．５ｗｔ％、Ｍｎ：１６−２４ｗｔ％、Ｃｒ：１２−２０ｗｔ％、Ｎ：０．１−０．５ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる高温耐摩耗材をライナー材に用いている。つまり、高価なＮｉを含有しないものとすることで、安価に製造可能であり、Ｍｎの含有量を増やすことで、高温摩耗性を確保することができることが記載されている。
【０００５】
特許文献２には、高温環境下で優れた耐摩耗性、耐割れ性を発揮し、且つ安価な高温耐摩耗材が開示されている。
具体的には、Ｃ：０．２−０．５ｗｔ％、Ｓｉ：０．２−１．５ｗｔ％、Ｍｎ：１０−２４ｗｔ％、Ｃｒ：１２−２０ｗｔ％、Ｎｉ：４．０ｗｔ未満、Ｎ：０．１ｗｔ％未満を含有し、残部がＦｅ及び不可避的元素からなる高温耐摩耗材をライナー材として用いている。鋳造時にＮを添加しないことで、完成品に対するＮの検査を省略し、安価な高温耐摩耗材を実現し、他の合金元素の含有量を所定の範囲に限定することで特許文献１に記載の発明と同等な耐摩耗性、耐割れ性を発揮できるものとしたと記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１および特許文献２記載の発明品は従来のライナー材として使用されることの多かった球状黒鉛鋳鉄よりは添加する合金量が多く、球状黒鉛鋳鉄よりコストアップになることは避けられないことは明白である。
特許文献２記載の発明は特許文献１記載の発明よりも製造時のＮの検査を省略することで相対的に容易・安価に製造可能であるものの、耐衝撃性、機械的強度、硬度は従来のものと同等なものである（特許文献１及び２の実施例参照）。耐衝撃性や耐摩耗性が従来通りであれば、特許文献２記載の発明品は特許文献１と同じように頻繁にバケットライナーを交換する必要があり、容易に製造できたことにより製造コストを抑制できたとしても結果的にバケットライナーとしての使用コストを大幅に抑えることは難しい。
よって、ライナーの交換頻度の低い耐久性に優れたライナー材が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２１５５４号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８１３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、Ｖを多く含有し、残部にＦｅ及び不可避的元素を含む金属溶湯を鋳造後、７００−１０５０℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／時間で冷却することにより製造される、耐久性に優れた赤熱コークス搬送バケット用ライナー材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る発明は、Ｃ：０．３５−０．４２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８０−１．２０ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０−０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｃｒ：４．８０−５．５０ｗｔ％、Ｍｏ：１．２０−１．６０ｗｔ％、Ｖ：０．５０−１．１０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的元素からなることを特徴とする、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材に関する。
【００１０】
請求項２に係る発明は、Ｃ：０．３５−０．４２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８０−１．２０ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０−０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｃｒ：４．８０−５．５０ｗｔ％、Ｍｏ：１．２０−１．６０ｗｔ％、Ｖ：０．５０−１．１０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的元素からなる金属溶湯を鋳造後、７００−１０５０℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／時間で冷却することを特徴とする、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材の製造方法に関する。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係る発明によれば、従来の赤熱コークス搬送バケット用ライナー材よりも多くＶを含有することで、優れた耐摩耗性を有する赤熱コークス搬送バケット用ライナー材とすることができる。
具体的には、ＶはＣとの結合力が大きく極めて安定な炭化物を形成し、かつ基地のフェライト安定化元素であるため、Ｖを０．５０−１．１０ｗｔ％で添加するとフェライトが安定して存在するため、Ｖ添加により高温での圧縮強度を高める効果がある。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、従来の赤熱コークス搬送バケット用ライナー材よりも多くＶを含有し、且つ金属溶湯を鋳造後、７００−１０５０℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／時間で冷却することで、耐衝撃性及び耐摩耗性に優れた赤熱コークス搬送バケット用ライナー材を製造することができる。
具体的には、ＶはＣとの結合力が大きく極めて安定な炭化物を形成し、かつ基地のフェライト安定化元素であるため、Ｖを０．５０−１．１０ｗｔ％で添加するとフェライトが安定して存在するため、Ｖ添加により、赤熱コークス搬送バケット用ライナーの使用条件の急速加熱下での高温圧縮強度を高める効果がある。
さらに、従来の赤熱コークス搬送バケット用ライナー材（球状黒鉛鋳鉄）は鋳造後熱処理することなく鋳放しのままで使用されることが多く、特許文献１（特に段落［００１８］）及び特許文献２（特に段落［００２５］）記載の発明は、１１００℃に加熱後水冷により急冷する水靭処理を施して作成するものである。これに対し、本願発明は７００−１０５０℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／時間で徐々に冷却すること（いわゆる焼きなましを行うこと）で、基地フェライト化させ、鋳造時の内部のひずみを取り除き、組織を軟化させ、展延性を向上させるという効果を奏する。組織が軟らかくなることで、赤熱コークスが落下しても割れが生じにくくなり、かつ硬いバナジウム炭化物が分散することで耐摩耗性を付与するものである。
よって、耐久性に優れた使用寿命の長い赤熱コークス搬送バケット用ライナー材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例と比較例の合金の組成を示す図である。
【図２】本発明の実施例（Ａ）と比較例（Ｂ）のコークス接触面組織の比較を示す図である。
【図３】本発明の実施例と比較例の急速加熱下での高温圧縮強度の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
１．各合金元素の含有量
以下、本発明に係る赤熱コークス搬送バケット用ライナー材の好適な実施形態について、詳細に説明する。
本実施形態の赤熱コークス搬送バケット用ライナー材は、Ｃ：０．３５−０．４２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８０−１．２０ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０−０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｃｒ：４．８０−５．５０ｗｔ％、Ｍｏ：１．２０−１．６０ｗｔ％、Ｖ：０．５０−１．１０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的元素からなることを特徴とする、赤熱コークス搬送バケット用ライナー材である。
【００１５】
本実施形態の赤熱コークス搬送バケット用ライナー材に含有させる各元素について以下に説明する。
Ｃは、高温強度及び耐摩耗性の向上に有効な元素であり、本実施形態の合金においては、優れた高温圧縮強度を発現する要因のＶＣ系炭化物を金属組織中に生成・分散するのに必要な元素である（詳しくは以下のＶについての説明参照）。
Ｃの含有量の下限は０．３５ｗｔ％、好ましくは０．３７ｗｔ％、より好ましくは０．３９ｗｔ％であり、上限は０．４２ｗｔ％、好ましくは０．４１ｗｔ％、より好ましくは０．４０ｗｔ％である。Ｃの含有量が上記下限未満であると、必要な強度及び耐摩耗性を確保できなくなるおそれがある。一方、Ｃの含有量が上記上限を超えると、靱性が低下するおそれがあり、靱性不足による割れが生じる可能性がある。
【００１６】
Ｓｉは、溶解時の酸化防止と脱酸、及び鋳造時の湯流れを良好にして鋳造性を確保する効果を奏する。また、フェライト安定化作用を有し、フェライト消失温度を上昇させ高温強度を高める効果を奏する。
Ｓｉの含有量の下限は０．８０ｗｔ％、好ましくは０．８５ｗｔ％、より好ましくは０．９０ｗｔ％であり、上限は１．２０ｗｔ％、好ましくは１．１０ｗｔ％、より好ましくは１．００ｗｔ％である。Ｓｉの含有量が上記下限未満であると、必要な湯流れの良さ、鋳造性、耐熱性を確保できなくなるおそれがある。一方、Ｓｉの含有量が上記上限を超えると、靱性が低下するおそれがあり、靱性不足による割れが生じる可能性がある。
【００１７】
Ｍｎは、脱酸作用を有し、オーステナイトを安定化させ、耐食性や耐熱性、靱性を向上させる効果を奏する。
Ｍｎの含有量の下限は０．３０ｗｔ％、好ましくは０．３３ｗｔ％、より好ましくは０．３５ｗｔ％であり、上限は０．５０ｗｔ％、好ましくは０．４５ｗｔ％、より好ましくは０．４０ｗｔ％である。Ｍｎの含有量が上記下限未満であると、オーステナイトを安定化させる作用や、必要な耐食性、耐熱性、靱性が得られなくなるおそれがある。一方、Ｍｎはオーステナイト安定化作用を有し、フェライト消失温度を低下させるため、上記上限を超えると、高温強度を低下させるおそれがある。
【００１８】
Ｎｉは、耐食性、耐熱性及び靱性を向上させる作用を有する。
Ｎｉの含有量の上限は０．５０ｗｔ％、好ましくは０．４７ｗｔ％、より好ましくは０．４５ｗｔ％である。Ｎｉはオーステナイト安定化作用を有し、フェライト消失温度を低下させるため、Ｎｉの含有量が上記上限を超えると、高温強度を低下させるおそれがある。
【００１９】
Ｃｒは、固溶して基材の強度を増加させ、炭化物を形成し高温強度を高くする効果を有する。さらに、フェライト安定化作用を有し、フェライト消失温度を上昇させ、高温強度を高くする。
Ｃｒの含有量の下限は４．８０ｗｔ％、好ましくは４．９０ｗｔ％、より好ましくは５．００ｗｔ％であり、上限は５．５０ｗｔ％、好ましくは５．４０ｗｔ％、より好ましくは５．３０ｗｔ％である。Ｃｒの含有量が上記下限未満であると、必要な高温強度とフェライト安定化作用が得られなくなるおそれがある。一方、上記上限を超えると結晶粒界に粗大なクロム炭化物が偏析するため靱性が低下するおそれがある。
【００２０】
ＭｏはＶと同様にフェライト安定化作用を有する炭化物生成元素である。
Ｍｏの含有量の下限は１．２０ｗｔ％、好ましくは１．２５ｗｔ％、より好ましくは１．３０ｗｔ％であり、上限は１．６０ｗｔ％、好ましくは１．５５ｗｔ％、より好ましくは１．５０ｗｔ％である。Ｍｏの含有量が上記下限未満であると、十分なフェライト安定化作用が得られなくなるおそれがある。一方、上記上限を超えると、基地固溶温度が低いＭｏ６Ｃ炭化物が増加し、その結果基地固溶温度の高いＶＣ系炭化物が減るため、高温圧縮強度を低下させるおそれがある。
【００２１】
Ｖは、炭素と結合してバナジウムと炭素とが原子比で１対１のＶＣ系炭化物を形成する。このＶＣ系炭化物は、バナジウムと炭素との結合が他の炭化物に見られるような共有結合ではなく、イオン結合性も有しているので、ＶとＣの結合力が大きく、極めて安定であり、高温まで分解せず残存する。
加えて、Ｖはフェライト安定化元素であり、フェライト消失温度を上昇させるため、高温までフェライトが安定して存在する。ＶＣ系炭化物と残存するフェライトは、高温で主たる基地であるオーステナイトとは結晶構造が異なる異相となり、塑性変形を担う転移の移動・増殖を抑制する働きを有する。このような条件下で塑性変形を生じさせるにはより高い応力を必要とする。このことから、Ｖ添加により高温圧縮強度を高くする効果がある。
Ｖの含有量の下限は０．５０ｗｔ％、好ましくは０．６０ｗｔ％、より好ましくは０．７０ｗｔ％であり、上限は１．１０ｗｔ％、好ましくは１．００ｗｔ％、より好ましくは０．９０ｗｔ％である。Ｖの含有量が上記下限未満であると、ＶＣ系炭化物生成量が減少して高温圧縮強度が低下するおそれがある。一方、上記上限を超えると、結晶粒界に粗大なＶＣ系炭化物が偏析するために靱性が低下するおそれがある。
【００２２】
不可避的元素は、各元素とも０．０５ｗｔ％以下である。
例えば、Ｓは、Ｍｎと結合してＭｎＳとなるので、Ｓの過度の含有は靱性を劣化させる。このため、Ｓは、０．０３ｗｔ％以下とすることが望ましい。また、Ｐは、０．０４ｗｔ％以下とすることが望ましい。Ｓ及びＰは、ここでは不可避的元素として位置づける。
【００２３】
２．鋳造後の熱処理工程及び冷却工程
本発明の赤熱コークス搬送バケット用ライナー材は、Ｃ：０．３５−０．４２ｗｔ％、Ｓｉ：０．８０−１．２０ｗｔ％、Ｍｎ：０．３０−０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０．５０ｗｔ％以下、Ｃｒ：４．８０−５．５０ｗｔ％、Ｍｏ：１．２０−１．６０ｗｔ％、Ｖ：０．５０−１．１０ｗｔ％を含有し、残部がＦｅ及び不可避的元素からなる金属溶湯を鋳造後、７００−１０５０℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／時間で冷却することで製造される。
【００２４】
このように、熱処理後徐冷する操作、いわゆる焼きなましを行うことで、本発明の赤熱コークス搬送バケット用ライナー材を基地フェライト化させ、鋳造時の内部のひずみを取り除き、組織を軟化させ、展延性を向上させることができる。組織が軟らかくなることで、赤熱コークスが落下しても割れが生じにくくなり、且つ硬いバナジウム炭化物が分散することが耐摩耗性を付与する。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明に係る赤熱コークス搬送バケット用ライナー材に関する実施例を示すことにより、本発明の効果をより明確なものとする。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００２６】
＜赤熱コークス搬送バケット用ライナー材の製造＞
（実施例１−３）
図１に示す組成の実施例１−３の合金を鋳造した。
鋳造後、７００−１０５０℃で３−１０時間熱処理し、室温までの冷却速度１０℃−１００℃／時間で冷却した。これらを実施例１−３とした。
【００２７】
（比較例１）
ＴＳＲ２１（栗本鐵工所製）を比較例１とした。比較例１は図１に示す組成の金属溶湯を注湯して得られた鋳放し品を、下記の条件で熱処理し、必要なサイズに切断して試験片を作成した。
（熱処理条件）
加熱温度：１１００℃
加熱速度：１００℃／時間
保持時間：５．５時間
冷却方法：水冷（スクリュー攪拌）
【００２８】
（比較例２）
ＫＭ１６ＩＭ（栗本鐵工所製）を比較例２とした。比較例２は特許文献１に記載の高温耐摩耗材であり、図１に示す組成の金属溶湯を注湯して得られた鋳放し品を、下記の条件で熱処理し、必要なサイズに切断して試験片を作成した。
（熱処理条件）
加熱温度：１１００℃
加熱速度：１００℃／時間
保持時間：５．５時間
冷却方法：水冷（スクリュー攪拌）
【００２９】
（比較例３）
ＪＩＳ  Ｇ５５０２に規定されている  球状黒鉛鋳鉄ＦＣＤ４５０を比較例３とした。図１に示す組成の金属溶湯を鋳造後、鋳放しのままで使用した。
【００３０】
前記実験例と比較例の材料に対して、その性能を確認するための各種試験を行った。
＜コークス接触面の観察＞
実施例１及び比較例１を大手製鉄所の北九州の工場の高炉に使用されるコークス製造用乾燥炉からの赤熱コークス搬送用バケットライナー材として１８ヶ月間実操業で使用した。それらの使用後表面の組織構造を顕微鏡下で観察した。
その結果を図２に示す。
【００３１】
実施例１及び比較例１は、高温下にさらされる前は酸化被膜を有しておらず、高温下にさらされて初めて酸化皮膜が形成される。
図２（Ａ）が示すように、実施例１は表面に酸化皮膜が残存している。このことは高温での使用環境下に形成される表面酸化皮膜が、コークスが落下した後も残存していることを示している。これに対し、図２（Ｂ）が示すように、比較例１は使用後表面に酸化皮膜が認められない。これは高温での使用中に形成される表面酸化皮膜と基地の密着性が低く、赤熱コークス落下時に脱落したものと考えられる。
【００３２】
以上より、実施例１の方が比較例１よりも酸化皮膜の基地密着性に優れ、かつ酸化皮膜が緻密であることを意味する。基地密着性に優れた酸化皮膜が形成されることにより、その後の酸化が抑制される結果となり、使用中の基地の酸化による肉厚減少が少なくなり、使用寿命の延長につながる。また、この酸化皮膜は硬さが高く、コークス落下時の摩耗も少なくなると容易に推測される。
【００３３】
＜急速加熱下での高温圧縮強度＞
実施例１−３及び比較例１−２を下記の試験条件で１１００℃まで加熱し（比較例３については９００℃まで加熱し）、続いて圧縮応力を負荷して塑性変形が始まる直前の高温圧縮降伏強さを調べた。
（試験条件）
試験装置：富士電波工機株式会社製、熱間加工再現試験装置（サーモメカマスターＺ）
試料形状：８ｍｍφ×１２ｍｍ長さ
加熱方法：高周波加熱
加熱温度：１１００℃（比較例３のみ９００℃）
昇温時間：６０秒
１１００℃到達から圧縮荷重を加えるまでの時間：２秒
変形速度：０．１ｍｍ／秒
変形量：２．４ｍｍ
この圧縮荷重を加えている間の荷重と歪を記録し、応力−歪曲線を得て、圧縮降伏応力を算出した。算出に当たっては弾性変形から塑性変形へ移行する直前の応力値を圧縮降伏応力値とした。
比較例３は球状黒鉛鋳鉄であるため融点が１１５０℃と低く、１１００℃での高温圧縮試験が困難であること、及び実際の使用上限温度が一般的に９００℃前後であることを考慮して９００℃を試験温度とした。実施例１および比較例１−２は鋼であるためその融点は約１３５０℃以上であるので、試験温度を１１００℃とした。
結果を図３に示す。
【００３４】
以上より、実施例１−３は比較例１−３よりも圧縮降伏強度が高いことを意味する。つまり、実施例１−３の方が比較例１−３よりも組織が柔らかく、割れが生じにくいライナー材になることを示す。
これは、実施例１−３にはＶが添加され、及び／又は熱処理後徐冷する、いわゆる焼きなましを行ったことに起因すると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明である赤熱コークス搬送バケット用ライナー材は、コークス炉から窯出しされたコークスをその後コークス乾式消火設備へ搬送するためのコークスバケットの内面に配置されるライナーの材料として好適に利用される。
【符号の説明】
【００３６】
１    赤熱コークス搬送バケット用ライナー材
２    酸化皮膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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