(57)【要約】高温から低温に至る全温度域で、優れた耐硫酸露点腐食性を有する鋼とこれを伝熱エレメントに用いた空気予熱器を提供するもので、質量％でＣ：≦０．２０％、Ｓｉ：１．２〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｂ：０．０３〜０．３０％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｐ：≦０．０５％、Ｓ≦０．０５％、Ａｌ≦０．１０％を含有し、残部が付随的成分および／または不可避的不純物を含むＦｅからなる耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。さらに、Ｃｒ：≦１．０％、Ｍｏ：≦１．０％、Ｎｉ：≦０．５％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｖ：≦０．１％、Ｔｉ：≦０．１％、Ｓｎ：≦０．０１〜０．２％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％の１種または２種以上を含有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：≦０．２０％、Ｓｉ：１．２〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｐ：≦０．０５％、Ｓ：≦０．０５％、Ａｌ：≦０．１０％、Ｎ：≦０．０５０％を含有し、残部が付随的成分および／または不可避的不純物を含むＦｅからなることを特徴とする耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
【請求項２】
質量％で、Ｃ：≦０．１０％、Ｓｉ：１．２〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：０．２０〜１．０％、Ｐ：≦０．０５％、Ｓ：≦０．０５％、Ａｌ：≦０．１０％、Ｎ：≦０．０２０％を含有し、残部が付随的成分および／または不可避的不純物を含むＦｅからなることを特徴とする耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：≦０．０１０％、Ｓｉ：１．２〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｐ：≦０．０５％、Ｓ：≦０．０５％、Ａｌ：≦０．１０％、Ｎ：≦０．０１０％を含有し、残部が付随的成分および／または不可避的不純物を含むＦｅからなることを特徴とする耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
【請求項４】
鋼成分として、質量％で、さらに、Ｃｒ：≦１．０％、Ｍｏ：≦１．０％、Ｎｉ：≦０．５％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｖ：≦０．１％、Ｔｉ：≦０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする請求項１，２または３記載の耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
【請求項５】
伝熱エレメントが請求項１から４のいずれかの鋼からなることを特徴とする空気予熱器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、重油、石炭、ごみ等を燃焼させた排ガスに曝される煙道、煙突、ボイラー空気予熱器などの設備に使用される耐硫酸露点腐食性に優れた鋼材に関する。
背景技術
イオウ分を含有する燃料を燃焼させると、排ガス中にＳＯｘが生じ、これが排ガス中の水分と化合して硫酸が生じる。排ガスの温度が低下して、およそ１６０℃程度の硫酸の露点に到達すると、硫酸ガスが凝結して、鋼材表面に硫酸濃度８０〜９０％程度の高濃度硫酸が付着して腐食が生じる。そして、さらに、８０℃近傍まで温度が低下すると、水の凝結が加わって硫酸濃度４０〜５０％程度の比較的低濃度の硫酸が形成されて、腐食が加速される。すなわち、凝結硫酸による鋼材が腐食される条件としては、図１に示すように、比較的高温高濃度の条件と低温低濃度の条件の２つがある。
このような硫酸露点腐食問題に対し、従来より硫酸環境において耐食性を発揮する鋼材が開発されてきている。例えば、特公昭４３−１４５８５号公報に開示されたように、耐硫酸腐食性に有効なＳｂ，Ｃｕを複合添加した低合金鋼が実用に供されてきている。
しかしながら、従来の鋼は、前述の２つの腐食条件（１６０℃近傍、８０〜９０％硫酸の条件と、８０℃近傍、４０〜５０％硫酸の条件）における耐食性を両立させるものではなかった。このため、起動、停止を繰り返し高温から低温までのサイクルに頻繁に曝されるプラントでは、必ずしも所期の耐食性を発揮するとは限らないという問題があった。
発明の開示
以上の状況に鑑み、本発明は、高温から低温に至る全温度域の硫酸露点腐食環境において、優れた耐食性を確保できる鋼材及びこれを用いた空気予熱器を提供するものである。
前記の課題に対し、本発明者らは、種々の鋼成分の供試材を作製し、低温条件として、（ａ）４０％硫酸、６０℃、（ｂ）５０％硫酸、８０℃の２条件、および、高温条件として、（ｃ）８０％硫酸、１４０℃、（ｄ）９０％硫酸、１６０℃の２条件、計４条件における腐食試験を行い、４条件の最大腐食速度をもって耐食性を評価した。その結果、従来技術の成分系では、低温、高温のいずれかの耐食性を改善することができても、全条件において満足すべき耐食性を得るのは困難であり、これを達成するには、従来技術の範疇を超えた成分設計が必要であることを知見した。
本発明において、主な役割を果たす合金元素は、Ｓｉ，ＣｕおよびＳｂの３元素である。図２において、前記４条件での最大腐食速度をＳｉ，ＣｕおよびＳｂの各含有量に対して整理する。これより、巨視的にはＳｉ量が高くなると腐食速度が低下する傾向が読み取れるが、これは、ＳｂおよびＣｕの両者が共存する場合に限られ、ＳｂあるいはＣｕのいずれかが含有されない場合には、たとえＳｉ量が多くとも低温、高温の全ての条件で満足すべき耐食性が得られない。
すなわち、単独添加では、いずれかの条件において有効であっても、全ての条件において目的とする耐食性を得るには至らず、所期の課題解決のためには、３元素の複合添加が必須であることを知見した。本発明では、Ｓｉ，ＣｕおよびＳｂの各必要量を、それぞれ、１．２％以上、０．０５％以上、０．０１％以上として規定した。
次に重要な元素はＣである。前記のＳｉ，ＣｕおよびＳｂの複合系において、Ｃ含有量を変化させた鋼材の腐食速度を図３に示す。これより、Ｃ量が不適切であると、いかに前記３元素の共同効果を活用しても、十分な耐食性は得られないことを知見した。本発明では、Ｃ量は少なくとも０．２０％以下の低いレベルに抑制することとし、望ましい含有量は０．１０％以下であり、さらに望ましくは０．０１０％以下である。
以上のように、本発明はＳｉ，ＣｕおよびＳｂの複合添加に加えて、低Ｃ化の要素を織り込むことによって、初めて、硫酸露点腐食環境における全温度条件で満足すべき耐食性を得たものであり、その要旨は以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：≦０．２０％、Ｓｉ：１．２〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：≦１．０％、Ｐ：≦０．０５％、Ｓ：≦０．０５％、Ａｌ：≦０．１０％、Ｎ：≦０．０５０％を含有し、残部が付随的成分および／または不可避的不純物を含むＦｅからなることを特徴とする耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
（２）質量％で、Ｃ：≦０．１０％、Ｓｉ：１．２〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｐ：≦０．０５％、Ｓ：≦０．０５％、Ａｌ：≦０．１０％、Ｎ：≦０．０２０％を含有し、残部が付随的成分および／または不可避的不純物を含むＦｅからなることを特徴とする耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
（３）質量％で、Ｃ：≦０．０１０％、Ｓｉ：１．２〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜１．０％、Ｓｂ：０．０１〜０．３０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｐ：≦０．０５％、Ｓ：≦０．０５％、Ａｌ：≦０．１０％、Ｎ：≦０．０１０％を含有し、残部が付随的成分および／または不可避的不純物を含むＦｅからなることを特徴とする耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
（４）鋼成分として、質量％で、さらに、Ｃｒ：≦１．０％、Ｍｏ：≦１．０％、Ｎｉ：≦０．５％、Ｎｂ：≦０．１％、Ｖ：≦０．１％、Ｔｉ：≦０．１％、Ｓｎ：０．０１〜０．２％、Ｂ：０．０００５〜０．０１０％の１種または２種以上を含むことを特徴とする（１），（２）または（３）記載の耐硫酸露点腐食性に優れた鋼。
（５）伝熱エレメントが（１）から（４）のいずれかの鋼からなることを特徴とする空気予熱器。
発明を実施するための最良の形態
本発明における鋼成分の限定理由について述べる。
Ｃ：Ｃは耐食性を劣化させるので、含有量は可及的低レベルが望ましく、特に０．２０％を超える含有量では、低温、高温の両条件における耐食性を両立できなくなるため、上限を０．２０％とした。なお、望ましい含有量は０．１０％以下であり、さらに望ましくは０．０１０％以下である。
Ｓｉ，Ｃｕ，Ｓｂ：低温、高温の両条件における良好な耐硫酸腐食性を確保するには３元素の共同効果を引き出すことが必須となる。このための各元素の必要最少含有量は、Ｓｉ：１．２％、Ｃｕ：０．０５％、Ｓｂ：０．０１％である。これら元素の実用上の望ましい含有量の上限は以下のとおりである。
Ｓｉの上限：低温、高温の両条件で耐食性改善に有効な元素として可及的に多く含有させるのが望ましいが、３．５％を超えて含有させても耐食性改善効果は飽和するので、上限を３．５％とした。
Ｃｕの上限：主として低温条件での耐食性改善に有効であるが、１．０％を超えて含有させると熱間加工性が劣化するため、上限を１．０％とした。
Ｓｂの上限：低温条件の耐食性改善に有効であるが、多量に含有させると高温条件の耐食性が劣化すると共に熱間加工性が低下する。このため、上限を０．３０％とした。
Ｍｎ：Ｍｎは強化に有効な元素であり、本発明のような低Ｃ化による強度低下を補填する必要がある場合には適量を含有させる。望ましい含有量は０．２％以上であるが、１．０％を超えて含有させると耐食性が劣化するため、上限を１．０％とした。
Ｐ：精練過程で残留する不純物であり、０．０５％を超えて残留すると耐食性が劣化するため、上限を０．０５％とした。
Ｓ：Ｐと同様、不純物であり、０．０５％を超えて残留すると熱間加工性、耐食性が劣化するため、上限を０．０５％とした。
Ａｌ：精練過程において脱酸目的で含有させてもよいが、０．１０％を超えて含有させると熱間加工性が劣化するので上限を０．１０％とした。
Ｎ：Ｐ，Ｓと同様、不純物であり、可及的に低レベルが望ましく、上限を０．０５０％とする。望ましくは、０．０２０％以下、さらに望ましくは０．０１０％以下である。
本発明の鋼板は、以上の元素を基本成分とするが、これらの元素およびＦｅに加えて、さらなる耐食性改善、機械的特性の調整、熱間加工性改善の目的で、以下の元素を含有させてもよい。
Ｃｒ，Ｍｏ：強度の向上に有効であるが、低温条件における耐食性には望ましくない。両者のバランスを考慮した範囲としては１．０％以下が望ましい。
Ｎｉ：Ｃｕの熱間加工性劣化を防止するために利用できるが、０．５％を超えて含有させると耐食性が劣化する傾向があるため、添加する場合は上限を０．５％として添加するのが望ましい。
Ｎｂ，Ｖ，Ｔｉ：析出物を形成して強靭化に有効な元素であるが、０．１％を超えて含有させると耐食性が劣化する傾向があるため、添加する場合は上限を０．１％として添加するのが望ましい。
Ｓｎ：耐食性改善に有効な元素であるが、０．０１％未満では効果が発現せず、０．２％を超えると熱間加工性が劣化する傾向にあるため、添加する場合は、０．０１〜０．２％とするのが望ましい。
Ｂ：Ｓｂ，Ｃｕ，Ｓｎといった耐食性改善元素を多量に含有させる場合に、熱間加工性の劣化を抑制することができる元素として有用である。０．０００５％未満では十分な効果が得られず、０．０１０％を超えると、かえって熱間加工性が劣化する傾向があるため、添加する場合は、範囲を０．０００５〜０．０１０％とするのが望ましい。
さらに、鋼板中には、上記耐食性、強度、加工性を劣化させない範囲で、例えば、Ｗ（０．５％以下で高温強度を改善する傾向がある）、Ｃａ，Ｍｇ，ＲＥＭ（合計５０ｐｐｍ以下で熱間加工性を改善する効果がある）等の他の付随的成分を含有させてもよい。
以下の組成からなる鋼は、通常の方法で溶製、鋳造された後、鍛造あるいは圧延といった通例の熱間加工方法によって板、管、棒、などの形状に加工されて実用に供することができる。さらに、必要に応じて熱間加工品に対して焼鈍などの熱処理を施しても良く、あるいは引き続いて酸洗を施した後、冷間加工を加えても良い。このような製造工程を経て得られる鋼材の耐食性は、工程条件によって影響されるものではなく、通常の炭素鋼鋼材と同様の工程で製造することが可能である。
以上の組成から成る鋼の用途としては、火力発電プラントにおけるボイラー周辺設備、化学プラントにおける硫酸精製設備や貯蔵タンク、製鉄プラントにおける酸洗槽などの硫酸環境で使用される多様な設備機器部材が挙げられるが、中でも事業用火力発電所や民生用ボイラーに付帯する空気予熱器の伝熱エレメント材には好適である。図４に空気予熱器の概要を示す。１の矢印は排ガスの流れ、２の矢印はボイラーに送り込む空気の流れ、３の矢印はローターの回転、４はローター、５はローター内に格納されたパスケット、６はパスケット内に装填される伝熱エレメント（波板形状に成形した鋼板を組み立てたもの）を意味する。伝熱エレメントに排ガスの顕熱を蓄積し、ボイラーに送り込む空気を予熱させる構造となっているが、この伝熱エレメントはＳＯｘを含む排ガスに繰り返し曝されるため耐硫酸露点腐食性が重視される部材であり、本発明の用途として好適である。
実施例
表１に示す化学成分の鋼を真空溶解炉で陽性し５０ｋｇインゴットに鋳造した後、肉厚１２ｍｍまで熱間圧延した板材より、ｔ３  ２０  ４０ｍｍサイズの短冊試験片を採取して硫酸腐食試験を行った。硫酸露点腐食環境における低温域、高温域を代表する条件として、（ａ）４０％硫酸、６０℃、（ｂ）５０％硫酸、８０℃、（ｃ）８０％硫酸、１４０℃、および、（ｄ）９０％硫酸、１６０℃の４条件において４時間の浸漬試験を行い、腐食速度を求めた。
試験結果を表２に示す。これより、（ａ）〜（ｄ）のいずれかの条件における最大腐食速度は、比較例Ｎｏ．１１〜１８では、１４５〜４８９０ｍｇ／ｍ２／ｈｒであるのに対し、発明例Ｎｏ．１〜１０では、６０〜９９ｇ／ｍ２／ｈｒであり、明らかに優位にある。
また、４条件における腐食速度の最大値と最小値の差異も、発明鋼の方が、比較例に比べて小さく、温度や硫酸濃度の変化に対して腐食速度の変化が小さいという点でも、発明鋼は、プラント設計の自由度向上に寄与し得る。
なお、比較例Ｎｏ．１１は、Ｓｂ含有量が本発明で規定する範囲を満たしておらず、Ｎｏ．１２はＣ，Ｓｉの含有量、Ｎｏ．１３はＳｉ含有量、Ｎｏ．１４はＳｉ，Ｃｕ含有量、Ｎｏ．１５はＣｕ含有量、Ｎｏ．１６はＳｉ，Ｍｎ含有量、Ｎｏ．１７はＣ含有量、Ｎｏ．１８はＳｉ，Ｃｕ，Ｓｂ含有量が、それぞれ、本発明で規定する範囲を外れているため、４条件のいずれかにおいて激しい腐食が生じる結果となった。
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産業上の利用可能性
以上より、本発明によれば、低温から高温までの全ての硫酸露点腐食環境において優れた耐食性を発揮する鋼材が得られる。
【図面の簡単な説明】
図１は、鋼材の硫酸露点腐食挙動を温度と硫酸濃度を指標として模式的に示した図である。
図２は、硫酸露点腐食に及ぼすＳｉ，ＣｕおよびＳｂの影響を示す図である。縦軸の腐食速度は、（ａ）４０％硫酸、６０℃、（ｂ）５０％硫酸、８０℃、（ｃ）８０％硫酸、１４０℃、（ｄ）９０％硫酸、１６０℃の４条件における腐食速度の最大値を表示する。
図３は、硫酸露点腐食に及ぼすＣの影響を示す図である。縦軸の腐食速度は、（ａ）４０％硫酸、６０℃、（ｂ）５０％硫酸、８０℃、（ｃ）８０％硫酸、１４０℃、（ｄ）９０％硫酸、１６０℃の４条件における腐食速度の最大値を表示する。
図４は、空気予熱器の構造の概略を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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