(57)【要約】【課題】  腐食性雰囲気での使用に供される装置について、高価なレアメタルであるＴａの使用を抑制し、従来のオールＴａ製装置より、経済性に優れ、耐食性が損なわれることのない装置を得ることを目的とする。【解決手段】  使用環境の腐食特性に基づき、Ｔａを必要とする部位にのみＴａを使用し、他の部位は、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｐｄからなる群から選択される少なくとも１種類の材料で置換し、異種金属溶接継手を有する構造とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
腐食性雰囲気での使用に供される装置であって、Ｔａ、Ｔａ−Ｗ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｐｄからなる群から選択される少なくとも２種類の材料を用いて、
異種金属間は溶融溶接継手で繋ぐことを特徴とする異種金属の組合せ式装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
Ｔｉ製伝熱管と、Ｔｉ製ヘッダーを備え、
蒸気導管及びドレン導管の塩酸水溶液面以下の部分にはＴｉを用いて成り、塩酸水溶液面以上の部分にはＺｒを用いて成り、塩酸水溶液面上下に一定範囲内の局部はＴａを用いて成り、Ｔａ／Ｔｉ異種金属溶接継手及びＴａ／Ｚｒ異種金属溶接継手を有する塩酸水溶液温度制御用熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載の塩酸水溶液温度制御用熱交換器において、
Ｔａ／Ｚｒ異種金属溶接継手に、ＥＤＸ分析によってＴａとの境界部分に、Ｚｒを６５％以下に抑制した溶接金属を有する
請求項１に記載の異種金属の組合せ式装置。
【請求項４】
請求項２に記載の酸洗槽内塩酸水溶液温度制御用熱交換器において、
Ｔａ／Ｔｉ異種金属溶接継手に、ＥＤＸ分析によってＴａを４０〜６０％以内に抑制した溶接金属を有する
請求項１に記載の異種金属の組合せ式装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【技術分野】
【０００１】  本発明は腐食性雰囲気での使用に供される装置に関するものである。特に異種金属溶接継手を有する構造とする装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
【従来の技術及び課題】
【０００３】  純ＴａならびにＴａ２．５ＷのようなＴａ合金は、種々の化学薬品に対して最も安定であり、その耐食性は金、白金に匹敵すると言っても過言ではない。激しい腐食環境に使用される機器、装置としては、硫酸濃縮装置、塩酸の蒸発ならびに吸収装置、塩素ガス凝縮装置などがあり、広範囲に使用されている。しかし、Ｔａは高価なレアメタルである。一基の装置の部品に全てＴａを使用する場合、膨大な費用が掛かる。
【０００４】  例えば、薄鋼板の高速酸洗ラインに設置された浸漬酸洗槽内に収容されているのは温度８０〜９０℃に調整された塩酸濃度４〜１５ｗｔ％の水溶液である。この塩酸水溶液の温度を８０〜９０℃に制御する熱交換器は槽内式及び槽外式のものがある。
【０００５】  塩酸水溶液は腐食性が高いので、従来の槽外式の熱交換器の材質はカーボンで、槽内式の熱交換器の材質はフッ素樹脂或いはレアメタルのＴａである。
【０００６】  この槽内式の熱交換器について、フッ素樹脂より熱伝導率の高い金属製熱交換器が望ましいが、Ｔａは高価なレアメタルなので、際限なく用いることは大きな負担になる。
【０００７】そこで、本発明は、高価なレアメタルであるＴａの使用を抑制し、従来の全Ｔａ製装置と比較しても、経済性に優れ、耐食性が損なわれることのない装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  請求項１に係る異種金属組合せ式装置は、装置が置かれる腐食環境の雰囲気状況の分析によって、Ｔａを必要とする部位にのみＴａを使用し、他の部位は、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｔｉ−Ｐｄからなる群から選択される少なくとも１種類の材料で置換することによりＴａの使用を抑制し、全Ｔａ製装置と比較しても耐食性が損なわれることのない装置を提供できる。
【０００９】  請求項２の発明の塩酸水溶液温度制御用熱交換器は、塩酸水溶液面の上下に一定範囲内の局部はＴａを使用し、伝熱管、ヘッダー、蒸気導管及びドレン導管の塩酸水溶液面以下の部分にはＴｉを使用し、蒸気導管及びドレン導管の塩酸水溶液面以上の部分にはＺｒを使用することにより、Ｔａの使用量の３分の２を低減できる。
【００１０】因みに、薄鋼板の高速酸洗ラインに設置された濃度４〜１５ｗｔ％の塩酸水溶液の温度を８０〜９０℃に制御する熱交換器について、通常の８０℃の塩酸水溶液において、Ｔｉの腐食速度は１．２７ｍｍ／ｙｅａｒ以上であり、使用不可である。
【００１１】塩酸水溶液に第二鉄イオン（Ｆｅ３＋）の濃度が０．０１５〜０．０３０ｍｏｌ／ｌ程度存在すれば、第二鉄イオン（Ｆｅ３＋）がＴｉ表面付近に吸着し、電気二重層を形成してＴｉの不動態（Ｔｉ４＋及びＴｉＯ２）層をつくることで、Ｔｉの腐食速度は２〜３桁程度小さくなり、１００℃の高温でも完全に耐食性を持つことになる。
本発明は薄鋼板の高速酸洗ラインに存在する第二鉄イオン（Ｆｅ３＋）を活用できることを見出し、従来の全Ｔａ製熱交換器の塩酸水溶液に沈んだ部分の伝熱管、ヘッダーおよび蒸気パイプ、ドレンパイプの一部にＴｉ材を利用した。
【００１２】塩酸液面上の気相部分においては、チタンが激しく腐食され、使用不可である。
【００１３】Ｚｒ材の塩酸に対する優れた耐食性はＴａ材に匹敵し、他のどの金属よりも優れている。濃度５％の塩酸水溶液の沸点は１０２℃、濃度３０％の塩酸水溶液の沸点は８８℃、濃度３５％の塩酸水溶液の沸点は５８℃である。塩酸水溶液は、沸点を超えると塩化水素ガスとなり非常に腐食性が強いが、Ｚｒ７０２材は、濃度３７％の塩化水素ガス雰囲気中においても、１３０℃まで全く腐食しない。
本発明は、Ｚｒ材の塩酸水溶液におけるこれらの耐腐食性特徴を活用できることを見出し、従来の全Ｔａ熱交換器の塩酸水溶液液面以上の部分の蒸気パイプ、ドレンパイプの一部にＺｒ材を利用した。
【００１４】塩酸水溶液に第二鉄イオン（Ｆｅ３＋）が存在する場合には、Ｚｒは孔食にて侵され、使用不可である。
【００１５】酸洗槽の塩酸水溶液の液面は、常に一定範囲内を上下に動いている。更に、鋼板が酸洗された時に発生した気泡は鋼板表面から液面に浮上する。酸洗槽での蒸気パイプ、ドレンパイプの液面部は最も腐食環境が厳しいので、本発明は蒸気パイプ、ドレンパイプの液面付近には従来のＴａ材を利用した。
【００１６】  請求項２に係るＴａ−Ｚｒ−Ｔｉ異種金属の組合せ式熱交換器は、他の材料とＴａを接合することが必要となった。しかしながら、Ｔａと他の材料との溶接は困難である。その理由は、Ｔａの融点が２９９６℃と高融点金属だからである。他の耐食性金属例えば、Ｚｒの融点は１８５２℃で、Ｔａとの融点の温度差は１１４４℃もある。Ｔｉの融点は１６６８℃で、Ｔａとの融点の温度差は１３２８℃である。
溶接対象となる両部材の融点温度の差が大きいため、同じ程度に溶融しないことで、溶接部に割れが発生しやすく、気密性のある溶接継手を得られ難いことが問題である。
【００１７】  従来、Ｔａ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉに関する異種金属を溶接するため、以下のような先行技術が知られている。
【００１８】  （１）従来技術１（特許文献１特開平６−１９８４４６）
特許文献１の発明は、Ｆｅ系材料等の汎用材料と、Ｚｒ系材料との冶金的に接合をするため、Ｔａをインサート材として、異種金属継手のＦｅ／Ｔａ／Ｚｒに関する溶接方法で、電子ビーム溶融溶接法及び摩擦圧接法によって信頼性のあるＴａ／Ｚｒ継手が出来た。しかし、非溶融溶接の摩擦圧接法は溶融溶接より手間がかかる。溶融溶接性能の最も優れた電子ビーム溶接法は、汎用性に劣る。実際の産業への適用を想定した場合、最も汎用されているＴＩＧ溶接法が望まれている。
（２）従来技術２（特許文献２特開２００８−１３２５３０）
特許文献２の発明は、高融点金属のＮｂと、Ｔｉに関する溶接方法で、冷間圧延に供するＮｂ／Ｔｉ継手に関して、溶接後の冷間圧延工程における溶接金属部の亀裂発生を防止するため、高融点金属Ｎｂのリッチ層の発生を防止することで後の圧延工程に発生する溶接金属割れを抑制することができたが、Ｎｂより融点の高いＴａについては、Ｔａ／Ｔｉ及びＴａ／Ｚｒの溶接は具体的に検討されなかった。
（３）従来技術３（特許文献３特開平６−１８２５５４）
【００１９】  そこで、上記の課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、ＴａとＺｒとの溶融溶接における割れの発生は電子ビーム溶接、レーザー溶接、ＴＩＧ溶接、摩擦圧接等には係わらず、溶接金属の組成の制御で抑制できることを見出した。
例えば、ＴａとＺｒとのＴＩＧ溶接における割れが発生する箇所は、溶接金属とＴａとの境界部であったと判明した。図３及び図７はＴａ／Ｚｒ溶接継手のイメージ図を示す。Ｂは溶接金属とＴａとの境界部を示す。図１１は溶接割れが発生する箇所のイメージを示す。
本発明者らは、溶接金属の組成中で低融点であるＺｒの含有量に着目し、溶接金属とＴａとの境界部Ｂに沿った任意３箇所についてＥＤＸによって組成分析を行った。その結果、溶接割れが発生した箇所のＺｒ含有量の最小値はいずれも６５％以上であることを見出した。
【００２０】  溶接金属中のＺｒの最大含有量を６５％以下に抑制することによって、溶接割れが発生するリスクを解消することができ、請求項３の発明を完成した。
【作用】
【００２１】  溶接金属中の元素含有量の定量には、ＥＤＸ分析を利用した。表１に従来の溶接方法の結果を記載した。表２に請求項３の溶接法の結果を記載した。
【００２２】
【表１】
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【表２】
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【００２３】  Ｚｒの最大含有量を６５％以下に抑制することは、溶加棒成分の選定、更に溶接トーチでアークの当たる箇所の調整、溶接入熱の調整を行うことによって制御することができた。
【００２４】  ＴａとＴｉとの溶融溶接については、溶接金属の中で低融点であるＴｉの含有量を４０〜６０％の範囲に制御することによって、溶接金属の引張強さがＴｉ母材以上であることと、２３％以上の伸び率を持ち、熱交換器の構造に要求される機械性能を満たすことを見出した。
【００２５】ＴａとＴｉとの溶接金属中で低融点であるＴｉの含有量を４０〜６０％の範囲に抑制することにより、請求項４の発明を完成した。
【００２６】  Ｔｉの含有量を４０〜６０％の範囲に抑制することは、溶加棒成分の選定、更に溶接トーチでアークの当たる箇所の調整、溶接入熱の調整を行うことによって制御することができた。
【実施例】
【００２７】  以下、本発明をＴＩＧ溶接により突合せ溶接及び重ね溶接した継手で作製した酸洗槽内塩酸水溶液温度制御用多管式熱交換器により更に具体的に説明するが、ＴＩＧ溶接、突合せ溶接及び重ね溶接に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２８】  請求項３の発明によって、重ね溶接の方法で製造した請求項２の発明の酸洗槽内塩酸水溶液温度制御用多管式熱交換器は、図１の略図で示す。【００２９】  異種金属重ね溶接部の詳細を図２に示す。【００３０】  ＴＩＧ溶接によって作製したＴａ／Ｚｒ異種金属重ね溶接継手の構造を図３に示した。被溶接部材は厚み０．８ｍｍのＴａ及び厚み１．０ｍｍのＺｒを用いた。異種金属重ね溶接継手を次の条件で実施した。
溶加棒                      純Ｔａ
溶接電流                    １１０Ａ
溶接速度                    １００ｍｍ／ｍｉｎ
アークを与える箇所          Ｔａの縁部【００３１】  ＴＩＧ溶接によって作製したＴａ／Ｔｉ異種金属重ね溶接継手の構造は図４に示した。被溶接部材は厚み０．８ｍｍのＴａ及び厚み２．０ｍｍのＴｉを用いた。異種金属重ね溶接継手を次の条件で実施した。
溶加棒                      ５０％Ｔａ−５０％Ｔｉ
溶接電流                    ９０Ａ
溶接速度                    １００ｍｍ／ｍｉｎ
アークを与える箇所          Ｔａの縁部【００３２】  溶加棒として５０％Ｔａ−５０％Ｔｉを使用することによって、溶接金属の融点を１８２０℃まで下げることが出来、溶接金属の組成は更に容易に制御することができた。
同様の溶接条件でのテストサンプルの溶接金属中にＴｉの含有量は４５．７％であった。
【実施例２】
【００３３】  請求項３の発明によって、突合せ溶接の方法で製造した請求項２の発明の酸洗槽内塩酸水溶液温度制御用多管式熱交換器は、図５に略図で示す。【００３４】  異種金属突合せ溶接部の詳細を図６に示す。【００３５】  ＴＩＧ溶接によって作製したＴａ／Ｚｒ異種金属突合せ溶接継手の構造は図７に示した。被溶接部材は厚み１ｍｍのＴａ及び厚み１．０ｍｍのＺｒを用いた。異種金属突合せ溶接継手を次の条件で実施した。
溶加棒                      無し
溶接電流                    １２５Ａ
溶接速度                    １００ｍｍ／ｍｉｎ
アークを与える箇所          Ｔａの縁部から２〜３ｍｍ【００３６】  ＴＩＧ溶接によって作製したＴａ／Ｔｉ異種金属突合せ溶接継手の構造は図８に示した。被溶接部材は厚み１ｍｍのＴａ及び厚み１．０ｍｍのＴｉを用いた。異種金属突合せ溶接継手を次の条件で実施した。
溶加棒                      無し
溶接電流                    １１５Ａ
溶接速度                    １００ｍｍ／ｍｉｎ
アークを与える箇所          Ｔａの縁部から２〜３ｍｍ【００３７】  同様の溶接条件でのテストサンプルの溶接金属中でのＴｉの含有量は５７．８％であった。
【実施例３】
【００３８】  ＴＩＧ溶接によって作製したＮｂ／Ｚｒ異種金属重ね溶接継手の構造を図９に示した。被溶接部材は厚み０．８ｍｍのＮｂ及び厚み２．０ｍｍのＺｒを用いた。異種金属重ね溶接継手を次の条件で実施した。
溶加棒                      純Ｎｂ
溶接電流                    １２０Ａ
溶接速度                    １００ｍｍ／ｍｉｎ
アークを与える箇所          Ｎｂの縁部
【実施例４】
【００３９】  ＴＩＧ溶接によって作製したＮｂ／Ｔｉ異種金属重ね溶接継手の構造を図１０に示した。被溶接部材は厚み０．８ｍｍのＮｂ及び厚み２．０ｍｍのＴｉを用いた。異種金属重ね溶接継手を次の条件で実施した。
溶加棒                      純Ｔｉ
溶接電流                    １２０Ａ
溶接速度                    １００ｍｍ／ｍｉｎ
アークを与える箇所          Ｎｂの縁部
純Ｔｉ溶加棒の使用によって、高融点金属Ｎｂのリッチ層の発生を防止することが出来、溶接金属とＮｂの境界部Ｔｉの含有量は６９．８％以上であった。
【発明の効果】
【００４０】  請求項１に係る異種金属の組合せ式装置は、全Ｔａ製装置並の耐食性を持ち、且つ全Ｔａ製装置よりＴａの使用量を低減することができた。
【００４１】  請求項２の発明は熱交換器を３つの部分に分けて、塩酸酸洗液の液面付近の局部にだけＴａ材を使用し、他の部分にＴａより安価のＴｉ及びＺｒ材を利用することによって、Ｔａ材の使用量を３分の１に削減でき、全Ｔａ製熱交換器並の耐食性熱交換器を提供することができた。
【００４２】  請求項３の発明は、今まで溶接の品質を保証できなかった融点差の大きい異種金属のＴａとＺｒとの溶接技術課題をクリアした。合金状態図に同じ傾向を持つＮｂとＺｒとの溶接等も参照できることから、Ｚｒの置換によってＮｂの使用量を削減することも可能になる。実施例３、実施例４では、Ｎｂ／Ｚｒ、Ｎｂ／Ｔｉの異種金属継手の溶接金属組成の制御を行った。
【００４３】  更に、請求項２の発明は酸洗槽内塩酸水溶液温度制御用多管式熱交換器に限定されなく、他の形の熱交換器にも適用される。
【００４４】  請求項１の発明は耐食性容器、耐食性反応槽等の設備において、高価な耐食性金属を適材適所に使いこなすことによって、設備導入の負担を低減することができる。
【００４５】  槽外式の熱交換器について、従来のカーボン製熱交換器から、熱伝導率の高い金属製に変えれば、酸洗ラインにて最も悩ましい長大な設備スペースと言う問題を解決できる。
【００４６】  槽外式の熱交換器は、特定の経路を液が循環する構造になり、仕様条件の変化や、温度の変化により、腐食環境が変化した場合には分割可能な構造のため、節ごとに材質を変えて使用することが出来る。
【００４７】  節ごとの接合部、例えばガスケット面で、腐食環境が変化する場合は、金属の特性を活かした構造、節ごとに違う耐食性金属を使用することで使用が可能になる。
【００４８】  例えば、隙間腐食する恐れがある環境には、Ｔｉ−Ｐｄ合金でＴｉを置換して使用し、機械強度及び耐水素脆性を要求される環境では、Ｔａ−Ｗ合金でＴａを置換して使用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】実施例１に記載された酸洗槽内塩酸水溶液温度制御用多管式熱交換器のイメージ図である。
【図２】実施例１に記載された異種金属溶接部の詳細図である。
【図３】Ｔａ／Ｚｒ重ね溶接継手の構造図である。
【図４】Ｔａ／Ｔｉ重ね溶接継手の構造図である。
【図５】実施例２に記載された酸洗槽内塩酸水溶液温度制御用多管式熱交換器のイメージ図である。
【図６】実施例２に記載された異種金属溶接部の詳細図である。
【図７】Ｔａ／Ｚｒ突合せ溶接継手の構造図である。
【図８】Ｔａ／Ｔｉ突合せ溶接継手の構造図である。
【図９】Ｎｂ／Ｚｒ重ね溶接継手の構造図である。
【図１０】Ｎｂ／Ｔｉ重ね溶接継手の構造図である。
【図１１】Ｔａ／Ｚｒ溶接継手に溶接割れが発生する箇所のイメージ図である。
【符号の説明】
【００５０】１…ドレンパイプのＴｉ局部
２…ドレンパイプのＴａ局部
３…ドレンパイプのＺｒ局部
４…ヘッダー
５…伝熱管
６…蒸気パイプのＴｉ局部
７…蒸気パイプのＴａ局部
８…蒸気パイプのＺｒ局部
９…液面
１０…蒸気パイプ及びドレンパイプのＴａ／Ｔｉ溶接継手
１１…Ｚｒ／Ｔｉ溶接継手
１２…蒸気パイプ及びドレンパイプのＴａ／Ｚｒ溶接継手
Ａ…溶接割れ
Ｂ…溶接金属とＴａとの境界部（ＥＤＸ分析を行う箇所）
Ｃ…Ｚｒ材
Ｄ…溶接金属
Ｅ…Ｔａ材
Ｆ…Ｔｉ材
Ｇ…Ｎｂ材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2017185539.tif 000012
【図８】
2017185539.tif 000013
【図９】
2017185539.tif 000014
【図１０】
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【図１１】
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