(57)【要約】【課題】ごみ焼却炉内腐食性雰囲気、とりわけ塩化水素ガスと溶融した灰の共存する激しい腐食雰囲気に耐えうる耐食性肉盛材料およびそれを肉盛した新規なごみ焼却炉部材を提供する。【解決手段】ごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材に被覆する耐食性合金としてB：0.5〜1.7％        Si：6〜25％      Cr：≦40％      Fe+Co：≦15％Mo+1／2W：≦20％     C：≦3.0％       Al：≦1％V+Nb+Ta：≦10％      Cu：3.0％        残余Niと不純物からなる合金を用いることにより、以下の効果が得られる。（1） 塩化水素と溶融塩の共存する腐食雰囲気に対して優れた耐食性を有する。（2） 管全厚高合金に比べて、材料費、クラッド加工費ともに安価である。【選択図】図１
2007169733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
B：0.5〜1.7％         Si：6〜25％
Cr：≦40％            Fe＋Co：≦15％
Mo＋1／2W：≦20％
C ：≦3.0％           Al：≦1％ 
V＋ Nb＋Ta：≦10％    Cu：≦3％
残余Niと不純物
からなることを特徴とする耐食被覆用合金。
【請求項２】
前記合金の組成が、B：0.5〜1.7％、Si：6〜25％、残余Niと不純物である請求項１記載の耐食被覆用合金。
【請求項３】
前記Siの成分範囲が、10〜20％であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の耐食被覆用合金。
【請求項４】
前記耐食被覆は、ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガス雰囲気での使用に供される被覆である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の耐食被覆用合金。
【請求項５】
前記耐食被覆は、ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガスと溶融塩が共存する雰囲気での使用に供される被覆である請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の耐食被覆用合金。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の耐食被覆用合金が、普通鋼または低合金鋼もしくはステンレス鋼から成る基材に被覆された構造からなることを特徴とするごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
【請求項７】
前記部材は、前記ごみ焼却炉内に配置されているスーパーヒーターの熱交換チューブである請求項６に記載のごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
【請求項８】
前記部材は、前記ごみ焼却炉内の排気部に配置されているスクリーンチューブである請求項６に記載のごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
【請求項９】
前記部材は、前記ごみ焼却炉の炉壁パネルである請求項６に記載のごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腐食性雰囲気での使用に供される耐食被覆用合金及びこれを被覆した部材に係るものであり、更に詳しくは、ごみ焼却発電システムを構成するボイラやスーパーヒーター内の雰囲気を典型例とする、ごみ焼却炉で生じる腐食性ガス雰囲気で更には溶融塩が共存する雰囲気で優れた耐食性を有する被覆用合金と、それを肉盛などの手法で被覆した部材に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
ボイラ内では、燃焼の種類により多種多様の腐食性ガスが発生する。例えばごみを燃料とするボイラの場合、主たる腐食性ガスは塩化水素である。したがって、このようなボイラ内の部材には、この塩化水素による腐食に耐えうる耐食性が必要である。また、ボイラから送給される水蒸気を更に沸点を超える温度に加熱する（すなわち過熱する）ためのスーパーヒーターの熱交換チューブにおいては、塩化水素ガスによる腐食に加え、ごみの燃焼により発生した灰成分が付着し、雰囲気温度が灰の融点を超える部位では、付着灰が溶融し溶融塩を生成するが、この溶融塩が部材の構成元素と反応し、激しい損耗を起こす。よって、このような溶融塩腐食に耐えうる耐食性が必要となる。
【０００３】
かかる観点から、ごみ焼却炉内で用いるパイプ等の部材にはNi基やFe基の超合金製のものが好適であるが、部材全体をこのような高合金で形成するとコストが著しく高くなるため、たとえば管の外層のみを高合金などの耐食材にして、内層は普通鋼材、低合金鋼材、ステンレス鋼材など（以下、「鋼材」という）とした、いわゆるクラッド部材が常用されている。
従来のクラッド部材には次のようなものがある。
（1） 鋼材に高耐食性のセラミクス（例えばアルミナ）をプラズマやHVOFなどで溶射した構造
（2） 普通鋼管に高耐食性の肉盛材料（例えばインコネル625など）を溶接肉盛した肉盛構造
（3） 鋼材にNi基などの自溶合金を溶射等によって付着させ、更に溶融処理を施して緻密な無気孔層とした肉盛構造
（1）は特許文献１に開示されている。
（2）は特許文献２に開示されている。
（3）は特許文献１と３に開示されている。
（1）のセラミック溶射の問題点は、
1. 溶射による弱い接合であり、また外層の溶射層と内層の普通鋼管の熱膨張率が大きく異なるため熱応力によるクラックの発生や剥離の危険性が高く、
2. 溶射層内は気孔を内包するポーラスな状態であり、塩化水素ガスや溶融塩が溶射層内に侵入し、内層の普通鋼管を激しく腐食する危険性を伴うことである。
（2）の溶接肉盛の問題点は、
1. 例えば長尺のパイプでは大きな曲りが生じるなど、大入熱起因の大きな歪が生じやすく、これを防ぐために施工コストが嵩み、
2. 溶接肉盛では、内層の普通鋼管と肉盛層の境界部分で普通鋼管成分と肉盛成分の希釈層が形成されるため、所定成分の肉盛層を所定厚さに形成するためには、希釈層の厚さの分、余計に肉盛する必要があり、この結果コストが高くなり、
3. 特にインコネル625を代表とする超合金の溶接肉盛では材工ともにコストが高い、ことである。
（3）の溶射溶融肉盛の問題点は、被覆材料である自溶合金自体の耐食性がアルミナやインコネルには及ばず、特に、スーパーヒーターのような厳しい用途における耐久性が不足することである。
【０００４】
【特許文献１】特開平10−170194号公報
【特許文献２】特開平8−103867号公報
【特許文献３】特開2000−329304号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気、とりわけ塩化水素ガスと溶融塩の共存する激しい腐食性雰囲気に耐えうる耐食性被覆材料とこれを被覆した新規なごみ焼却炉部材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の課題は下記1〜9の手段によって解決することができる。
すなわち、
1．B：0.5〜1.7％         Si：6〜25％
Cr：≦40％            Fe＋Co：≦15％
Mo＋1／2W：≦20％
C ：≦3.0％           Al：≦1％ 
V＋ Nb＋Ta：≦10％    Cu：≦3％
残余Niと不純物
からなることを特徴とする耐食被覆用合金。
2．前記合金の組成が、B：0.5〜1.7％、Si：6〜25％、残余Niと不純物である請求項１に記載の耐食被覆用合金。
3．前記Siの成分範囲が、10〜20％であることを特徴とする前記1〜2のいずれか1項に記載の耐食被覆用合金。
4．前記腐食性雰囲気が、ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガス雰囲気である前記1〜3のいずれか1項に記載の耐食被覆用合金。
5．前記腐食性雰囲気が、ごみ焼却炉で生じる塩化水素を含む腐食性ガスと溶融塩が共存する雰囲気である前記1〜3のいずれか1項に記載の耐食被覆用合金。
6．前記1〜3のいずれか1項に記載の耐食被覆用合金が、普通鋼あるいは低合金鋼もしくはステンレス鋼から成る基材に被覆された構造からなることを特徴とするごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
7．前記部材は、前記ごみ焼却炉内に配置されているスーパーヒーターの熱交換チューブである前記6に記載のごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
8．前記部材は、前記ごみ焼却炉の排気部に配置されているスクリーンチューブである前記6に記載のごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
9．前記部材は、前記ごみ焼却炉の炉壁パネルである前記6に記載のごみ焼却炉で生じる腐食性雰囲気での使用に供される部材。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は下記の効果を有する。
（1） 塩化水素を含む雰囲気、更には溶融塩の共存する腐食性雰囲気に対して優れた耐食性を有する。
（2） 全厚超合金部材に比べて安価であるのは無論のこと、超合金クラッド部材と比べても材工ともに安価である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
ごみ焼却炉では、塩素を含む樹脂類、食塩を含む食品類の焼却によって、炉内には塩素を含むガス、とりわけ塩化水素を含むガスが発生する。これらのガスは腐食性が極めて激しいガスである。
炉内ではごみ焼却によって灰が発生する。ごみの燃焼熱を熱交換回収して利用するシステムのうち、ごみ発電を典型例とする、過熱蒸気（沸点超の温度に加熱された水蒸気）の形で熱を回収するシステムでは、ボイラ部から送られた沸点以下の温度の水蒸気を更に加熱するためのスーパーヒーター（過熱部）が設けられている。このスーパーヒーターにも熱交換チューブ（これもボイラチューブと通称される）が配備されていて、その出側寄りの部位は、炉内で最も温度の高い（例えば550〜650℃）場所であり、発生した灰は溶融して溶融塩が生成する。溶融塩はスーパーヒーターの熱交換チューブ表面に付着する。
本発明で言う「ごみ焼却炉内腐食性雰囲気」とは、塩化水素を含む腐食性ガス雰囲気、および更に雰囲気温度が高くなって灰が溶融して塩化水素ガスと共存し、溶融した灰（溶融塩）がボイラーチューブ表面に付着する雰囲気、この両方の雰囲気を指している。
【０００９】
本発明被覆用合金は、前記腐食性雰囲気、とりわけ塩化水素ガスと溶融塩が共存し、かつ溶融塩がボイラーチューブ表面に付着する雰囲気で極めて優れた耐食性を発揮する。
【００１０】
本発明被覆用合金は下記の成分組成からなる。
B：0.5〜1.7％         Si：6〜25％
Cr：≦40％            Fe＋Co：≦15％
Mo＋1／2W：≦20％
C ：≦3.0％           Al：≦1％ 
V＋ Nb＋Ta：≦10％    Cu：≦3％
残余Niと不純物
【００１１】
本発明被覆用合金は、Ni−B−Siを必須成分とする合金であって、超合金のようにMo等の高価な成分の多量配合を必須要件としていないにも拘らず、塩化水素と溶融塩が共存する腐食に対して極めて優れた耐食性を有し、融点も比較的低く（1050〜1250℃）、炭素鋼基材に対して濡れ性も良好で、炭素鋼に良好に融着させることができる。
【００１２】
Bは必須成分で、融点を下げて濡れ性を良くするのに有効な元素であるが、1.7％を超えると耐食性が悪くなる。また下限値未満では、炭素鋼基材に対する大気中での融着性が悪くなるので好ましくない。
Siも必須成分で、耐食性を高め融点を下げる元素として極めて重要な元素である。
下限値未満では良好な耐食性が得られない。上限値を超えて添加しても耐食性は変わらないうえ、上限を超えると合金が極めて脆くなるので、好ましくない。最も好ましい範囲は、10〜20％である。
Niは基地成分として必須の元素である。
このように、本発明被覆用合金にあってはNi基地に対する必須成分Si、Bの配合量がSiについては自溶合金を上回っている一方、Bについては自溶合金を下回っている。
【００１３】
Cr、Fe、Co、Mo、W、C 、Al、V、 Nb、Ta、Cu、等の元素は、目的に応じて任意に添加できる元素あるいは存在が許される元素である。
【００１４】
Crは耐食性を目的として通常添加する元素であるが、本発明では、Siが6〜25％、Ｂが0.5〜1.7％の範囲で共存する限りにおいて、Crは必ずしも必須の元素ではない。添加しなくても優れた耐食性が得られるが、添加によりわずかながら耐食性は改善されるので40％まで添加してもよい。上限を超えて添加しても耐食性は変わらないうえ、上限を超える添加は被覆層に過剰な硬さをもたらし、脆い被覆層となるため好ましくない。
Fe、CoはNiの代替えとして使用できる成分で、合計15％まで使用できる。上限を超えると耐食性に問題が発生することがあるので好ましくない。
Mo、W、Al、Cu、は、本組成の合金では必須の成分ではないが、腐食性ガス及び溶融塩腐食以外の腐食特性の改善に効果がある。
Mo＋1／2Wで20％まで、Alは1％まで添加しても良い。Cuは3％まで添加しても良い。Mo、W、Al、の上限を超える添加は、合金の溶解、鋳造性を悪くするので好ましくない。またMo、W は融点を高くするので好ましくない。Cuの上限を超える添加は、合金を脆くするので好ましくない。
V、 Nb、Taは合金中のC、N、Bの害を固定するのに使用されるが、上限を超える添加は、合金の溶解、鋳造性を悪くするので好ましくない。
Mnは≦1％が好ましい。上限を超える添加は耐食性を劣化させるため好ましくない。
Cは合金の溶解、鋳造性をよくする元素であるが多量の添加は耐食性を害するので3％以下が好ましい。
不純物はP、S、O、Mg、Ca、Y、Ce等の元素である。
P、S、O、Mg、Ca、Y、Ce等の元素は0.1％以下が好ましい。上限を超える添加は耐食性を劣化させるため好ましくない。
【００１５】
図面によって本発明を説明する。
図１は本発明ごみ焼却炉部材の中でもつとも腐食が激しいスーパーヒーターのボイラーチューブの基本的な構造の説明図である。
図１で、基材1は普通鋼、低合金鋼、あるいはステンレス鋼などの鋼材からなる。
肉盛層2は本発明の耐食被覆用合金を溶射し更に溶融処理を施した肉盛層である。
肉盛層2の両端部に隣接する肉盛層3は、高耐食性の肉盛材料（インコネル625といったNi基あるいはFe基の超合金など）を溶接肉盛した肉盛層である。
肉盛層2、3は共に基材1との間に金属結合を生じる形で基材1と複合され且つ連通気孔などがない緻密な被覆層となっているため、腐食環境に曝されるのは高耐食性の肉盛層2、3のみで基材1は腐食環境から確実に遮断されており、耐食性、基材防食性共に十分である。加えて、上記複合形態により、機械的にも極めて堅牢な被覆部材となっている。
肉盛層2は、溶接肉盛層3に融着している。そして、肉盛層2と溶接肉盛層3は、同じ使用環境下における耐食寿命が同等になるように成分組成や実効厚さが調整されている。これは、どちらか一方が耐食寿命を顕著に支配することを回避するためである。
二本のパイプの接続は溶接接続によって容易に行うことができる。液相拡散接合、圧接、ネジ接続などの他の接続手段も状況に応じて利用されてよい。
【００１６】
基材1の外面への肉盛層2や肉盛層3の形成は例えば次の様に行う。
基材が鋼管の場合を例にとって説明する。
まず、基材鋼管の外面の両端部分に、前記の超合金を溶接肉盛して肉盛層3を形成する。
溶接による肉盛層3は、基本的には、鋼管外面の両端部に数十mmのパイプ長さ方向寸法を以て肉盛する。
肉盛層3の厚さは、溶接後、鋼管外面から2〜3ミリ程度盛り上がった状態で厚さが確保できればよいが、溶接肉盛では鋼管との間で希釈層が存在するので、実際の溶接では、溶接肉盛による溶接金属層から希釈層の厚さを引いた残厚さが1ミリを超えるようにしなくてはならない。
図２は上記溶接肉盛によって鋼管の両端部に超合金による堰（肉盛層3）が形成された状況を説明した図である。
【００１７】
肉盛層3に適した超合金などの高耐食性合金としては、下記組成のインコネル625、インコネル725、インコロイ825、インコロイ925、ハステロイC、ハステロイC-276等の既存の高耐食性Ni基合金、あるいはこれらと同等の耐食性を持ち、併せて溶融開始温度が本発明の被覆用合金より高い合金を例示できる。
インコネル625、インコネル725、インコロイ825、インコロイ925、ハステロイC、ハステロイC-276合金とは、市販されている合金の商品名で、下記の組成である。
1. インコネル625
Ni：Bal.  Cr：20.5〜22.5％  Mo：8.0〜10.0％  Fe：2.0〜3.0％
Si：≦1.0％  Mn：≦1.0％  その他（Nb+Ta）：3.4〜3.8％
2. インコネル725
Ni：Bal.  Cr：20.0〜22.0％  Mo：8.0〜9.0％  Fe：7.0〜8.0％
Ti：1.3〜1.7％  Si：≦1.0％  Mn：≦1.0％  その他（Nb+Ta）：3.3〜3.7％
3. インコロイ825
Ni：Bal.  Cr：20.5〜22.5％  Mo：2.0〜2.4％  Fe：29.0〜31.0％
Cu：2.0〜2.4％  Si：≦1.0％  Mn：≦1.0％  その他（Ti）：0.8〜1.0％
4. インコロイ925
Ni：Bal.  Cr：20.0〜22.0％  Mo：2.0〜4.0％  Fe：27.0〜29.0％
Cu：1.6〜2.0％  C：≦0.01％  その他（Ti）：2.0〜2.2％
5. ハステロイC
Ni：Bal.  Cr：15.5〜17.5％  Mo：16.0〜18.0％  W：3.75〜5.25％
Fe：4.5〜7.0％  Co：≦2.5％  Si：≦1.0％  Mn：≦1.0％
C≦0.12％  V：≦0.35％
6. ハステロイC-276
Ni：Bal.  Cr：14.5〜16.5％  Mo：15.0〜17.0％  W：3.0〜4.5％
Fe：4.0〜7.0％  Co：≦2.5％  Si：≦0.05％  Mn：≦1.0％
C≦0.02％  V：≦0.35％
【００１８】
本発明の被覆用合金を鋼管1の外面に被覆する方法としては、鋼管1を横に寝かせ、回転させながら、ガス炎溶射などの溶射法で本発明被覆用合金を吹き付け、所定の厚さまで吹き付けて溶射層（連通細気孔を有する非緻密溶射層）を形成した後、1）この溶射層に誘導加熱あるいはガス炎加熱により溶融処理を施して緻密な肉盛層とするか、あるいは、2）この溶射層に封孔処理を施して緻密化する方法を例示できる。1）の場合、溶射法の代りに焼結成層法あるいは、スリップコーティング法やスラッジコーティング法（いずれも仮固結用バインダーを配合する方法も含む）を用いてもよく、また、溶射溶融処理工程に代えて型鋳造肉盛法（これは肉盛層3の形成にも有用である）あるいは溶湯を流し掛け，溶湯内浸漬，遠心塗布など種々の形で適用して行う溶融めっき法により肉盛するようにしてもよい。更に又、肉盛が完了した後の冷却速度を調整することによって鋼管および肉盛層の熱処理を合わせて行うこともできる。冷却速度を速くして鋼管の焼入れ、肉盛層の溶体化処理も行うことができる。なお、一旦常温まで冷却後、鋼管および肉盛層の熱処理を行ってもよい。2）の封孔処理としては、耐熱塗料による封孔処理やアルキルシリケート、アルキルアルミネート、アルキルチタネート由来のゲル質による封孔処理を例示できる。
【００１９】
基材1には、C≦0.5％の普通炭素鋼、あるいは低合金鋼として、C≦0.5％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.3〜1.7％、Ni：≦0.45％、Cr：≦3.5％、Mo：≦1.0％およびNb、Ta、Ti、V等の活性金属を必要に応じて微量添加された組成の鋼材、たとえばニッケルクロムモリブデン鋼鋼材全鋼種（JIS SNCM）、クロムモリブデン鋼鋼材全鋼種（JIS SCM）、ニッケルクロム鋼鋼材全鋼種（JIS SNC）、更にはステンレス鋼鋼材全鋼種（JIS SUS）等を適宜使用できる。
【００２０】
なお、本発明で低合金鋼とは、基本的には下記1〜5で規定された鋼種の成分範囲、すなわち、C≦0.5％、Si：0.15〜0.35％、Mn：0.3〜1.7％、Ni：≦4.5％、Cr：≦3.5％、Mo：≦1.0％およびNb、Ta、Ti、V等の活性金属元素を必要に応じて微量添加された組成範囲の鋼材である。
1．ニッケルクロムモリブデン鋼鋼材全鋼種：
JIS SNCM220、240、415、420、431、439、447、616、625、630、815。
2．クロムモリブデン鋼鋼材全鋼種：
JIS SCM415、418、420、421、430、432、435、440、445、822。
3．ニッケルクロム鋼鋼材全鋼種：
JIS SNC236、SNC415、SNC631、SNC815、SNC836。
4．H鋼全鋼種：
SMn420H、SMn433H、SMn438H、SMn443H、SMn420H、SMn443H。
SCr415H、SCr420H、SCr430H、SCr435H、SCr440H。
SCM415H、SCM418H、SCM420H、SCM435H、SCM440H、SCM445H、SCM822H。
SNC415H、SNC631H、SNC815H。
SNCM220H、SNCM420H。
５．ステンレス鋼全鋼種：
JIS SUS201、202、301、302、303、304、305、309S、310S、316、317、
405、430、434、403、410、416、420J1、420J2、431、440。
６．その他：STBボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管等
【実施例１】
【００２１】
内層の鋼管として下記規格のSTB340-S-Cボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管を使用した。
STB340-S-Cボイラ・熱交換器用炭素鋼鋼管の化学成分（％）
C：≦0.18、Si：≦0.35、Mn：0.30〜0.60、P：≦0.035、S：≦0.035
内層普通鋼管を外径φ42.7mm、内径φ32.7mm、長さ500mmに加工した。
端部両端にインコネル625相当のNi基合金を肉盛溶接（肉盛高さ2.0mm）した。
パイプを横に寝かせ、回転させながら、ガス炎溶射により表１の組成の合金粉末を
溶射吹き付けした後、誘導加熱により溶融処理を行った。
【表１】
2007169733.tif 000003
結果
本発明組成の合金は、いずれも、炭素鋼に対して優れた濡れ性、融着性を有し、融着不良は観察されなかった。被覆層厚さは1.8〜2.1mmでほぼ一定であった。又いずれのものもパイプ表面にクラックやその他の欠陥は認められなかった。
【実施例２】
【００２２】
腐食試験
試験片の溶造
下記表２の合金組成の板（50×50×10ｍｍ厚さ）を溶造し、ごみ焼却炉のスーパ―ヒーターボイラーチューブに6ヵ月間吊るして腐食減量を測定した。
合金成分と腐食減量の測定結果を表２に示す。
【表２】
2007169733.tif 000004
結果
表２に見る通り、本発明合金は、塩化水素と溶融塩が共存するスーパーヒーターのボイラーチューブが使用される雰囲気で極めて優れた耐食性を有することが確認できた。
また、市販の超合金（インコネル625）と同等の耐食性を有することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明はごみ焼却炉部材として、スーパーヒーター用熱交換チューブ、スクリーンチューブ、炉壁パネルに利用できる。とりわけスーパーヒーター用熱交換チューブには有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は本発明合金を被覆したスーパーヒーターのボイラーチューブの基本的な構造の説明図である。
【図２】図２は溶接肉盛により堰を形成した状況を説明した図である。
【符号の説明】
【００２５】
１‥‥基材
２‥‥溶射溶融肉盛層
３‥‥溶接肉盛層
【図１】
2007169733.tif 000005
【図２】
2007169733.tif 000006