研究レポート
セラミックス製バーナ部品の実機適用評価
エネルギア総合研究所 発電・材料担当 田中 輝夫〔SRBSNの主な特徴〕

まえがき

燃焼ガスの接触や輻射熱により焼損（高温腐食，亀裂）が激しい火力発電所ボイラのバーナ延命化に取り組み，耐熱性・耐腐食性に優れたセラミックス素材（二段焼結窒化珪素）を開発した。
従来のバーナ部品は，耐熱性ステンレス（SUS310S）が用いられているが，高温腐食に優れたセラミックス素材を適用することで，変形や焼損を抑えることができ耐久性が向上する。
この開発したセラミックス素材をバーナ部品へ適用し，実機曝露試験において良好な結果が得られたので，その成果を紹介する。

２

概要① 高温腐食に優れている。
（図2）② 従来の焼結窒化珪素と比較して，緻密質であり強度特性に優れている。
（表1）③ 耐酸化性が高い。
（表1）④ 焼結後の収縮率が少なく約1割である。

試験方法：合成灰（V2O5+Na2SO4）塗布法

500
侵食深さ/μｍ１400

900℃−6時間300

1,300℃−90時間

200
1000
SRBSN

（１）二段焼結窒化珪素の開発

図２

二段焼結窒化珪素（Sintered Reaction Bonded
Silicon Nitride：以下SRBSN）は，原料のシリコン粉末（Si）に焼結助剤として，イットリア（Y2O3）とア50Ni50Cr

SUS310S

高温腐食性

ルミナ（Al2O3）を添加したものであり，この原料粉末を必要な形に加圧成形し，窒素雰囲気中で1,500℃

表１ＳＲＢＳＮ

焼結窒化珪素まで加熱し，その後1,900℃まで加熱し製作するものである。
（図1）

かさ密度（g/‚）

3.26

2.46

気孔率（％）

1以下

17.2

曲げ強度（MPa/›）

804139耐熱衝撃性（ΔTK）

700

550

高温耐酸化性（mg/ﬁ）

0.1

12.9

焼結助剤
Y2O3
Al2O3，

原料 Si
混 合：湿式媒体攪拌ミル

乾燥造粒：スプレードライヤ

プレス成形：外形完成

項

焼結窒化珪素（従来品）との特性比較

目（２）重油焚きバーナ実機試験
a．試験概要成形体加工
脱 脂

取り付け金具一次焼結：窒化炉（1,500℃）

ニ次焼結：加圧焼結炉（1,900℃）

金具の取り込み
図１
Page 6SRBSNの製造方法

重油焚きバーナの先端部に取り付けられた保炎器
は，燃料の着火を確実に行わせ火炎の安定を図るための重要な部品である。しかし，この保炎器は，高温環境で使用され燃料中のバナジウムやナトリウム等の腐食成分により高温腐食が発生し，約2年程度で変形や焼損を起こし取り替えを行っている。
（図3，4）
この対策として，耐熱性，耐腐食性に優れたSRBSNを用いたセラミックス製保炎器を開発し当社
玉島発電所3号ボイラで実機試験を行った。
（図5）
エネルギア総研レビュー No.16

セラミックス製バーナ部品の実機適用評価

燃焼用空気700℃
安定燃焼

燃料（重油）
燃焼用空気保炎器
図３

重油バーナ構造図６

断面組織観察結果（b）強度試験結果
セラミックスタイルの強度変化を把握するため，3点曲げ強度を測定した。初期強度（約800MPa）を維持しており，実機曝露試験後も強度低下がないことが分かった。

羽根部
図４ ２年使用後の従来型保炎器（材質：SUS310S，50Ni50Cr）

皿部

測定個所

初期値

皿部

羽根部

測定値（MPa）

800757771

図７

図５

重油焚きバーナ適用状況

b．試験結果
実機環境で57,000時間（試験期間8年10カ月）の曝露試験を行った。各部の評価結果は次のとおりである。
（a）組織観察結果
セラミックスタイルの表面に50μm程度の酸化膜層が認められたが，表面層は主にAl，Oから構成されており，この表面酸化膜により焼結体内部の酸化が抑制されると考えられる。
（図6）
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3点曲げ強度測定結果（c）運転時間と減肉量の関係
皿部の損傷はほとんど認められず，寿命肉厚6㎜以上を満足している。なお，皿部は高応力が生じる部位であり，必要最低肉厚は6㎜（基厚×75％）である。
羽根部は端部より損耗しているが，端部の肉厚が0㎜になっても羽根の形状を維持しており，機能的に問題ないと判断できる。羽根部の減肉は，表面酸化膜の形成と運転時の熱風により剥ぎ取られることの繰り返しにより進行すると考えられる。なお，減肉速度は0.1μm/hである。
（図8）
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研究レポート

皿部の減肉推移摩耗（穴開き）個所

図９

１年使用後の従来型バーナノズル

羽根部の減肉推移

図10

セラミックス製微粉炭バーナ〔衝突角度と摩耗量の関係〕
図８

保炎器（皿部，羽根部）の減肉推移

実機適用においては，微粉炭の流れによる摩耗の多い部位へ開発品の取り付けを行った。
流速，粒子形状によって若干変化するが，衝突角度30°〜45°で最大の摩耗が起こり，微粉炭が30°以上の角度で直接衝突する範囲は，上流側から170㎜程度と推測される。なお，底板は5°のテーパをもち乱流が発と判断できる。
（３）石炭焚きバーナ実機試験
a．試験概要
石炭焚きバーナは，微粉炭による摩耗が著しいため（図9）約1〜2年で取り替えを行っており，多額の補修費を要している。
この対策として，石炭焚きバーナノズルに適したセラミックスタイルの形状・接合方法を開発（図10）
し，当社下関発電所1号ボイラで実証試験を行った。

生しやすいため，全面が高摩耗域と推定される。
（図11，12，13）50
最大肉厚減少量（μm/ｈ）（d）実機適用評価
従来品の寿命は約14,000時間であるが，開発したセラミックス製保炎器は70,000時間使用可能と判断できる。従来品と比較して5倍以上の寿命延長が可能

100
50アッシュ m/sec m/sec
A
●
○Ｂ
▲
△
Ｃ■
□
温 度：650℃
投射量：550g/h
基 材：SUS304H
雰囲気：Arガス

40302010010 20 30 40 50 60
衝 突 角（°）
図11Page 870 80

衝突角度と摩耗量の関係
エネルギア総研レビュー No.16

セラミックス製バーナ部品の実機適用評価（b）強度試験結果
セラミックスタイルの3点曲げ強度を測定した。初期強度（約800MPa）を維持しており，実機曝露試験後も強度低下がないことが分かった。

30°

整流板

30°

18°

30°

（c）実機適用評価

微粉炭

下関発電所バーナは，1年周期で補修が必要であったが，開発したセラミックス製微粉炭バーナは，試験期間2年後でも減肉は軽微であり，強度低下も認められず性能上問題ないと判断できる。なお，減肉量から判断すると20年使用も可能と考えられる。

底板

図12

ノズルと衝突角度の関係

セラミックスタイル取り付け範囲

３

炉内側
微粉炭
セラミックスタイル（整流板）
図13

高温腐食および耐摩耗性に優れたSRBSNを用いた火力発電所ボイラのバーナ部品を開発し，実機曝露試
験において良好な結果が得られた。
本研究成果から実機へ適用できる見通しを得た。

４石炭バーナノズル適用状況

研究成果

あとがき

本研究で得られた知見を電源事業本部ならびに玉島b．試験結果
実機環境で11,600時間（試験期間2年）の曝露試験を行った。各部の評価結果は次のとおりである。
（a）目視・組織観察結果
セラミックスタイルの脱落・割れは認められず，健発電所，下関発電所と情報を共有し，火力発電所バーナ部品の保守に活用していきたい。

全な状態を維持している。表面近傍での亀裂は認められず，組織的にも均一であり，反応層も形成されていない。
（図14）
減肉速度は100μm/年程度である。なお，整流板の金属部分で軽微な摩耗が認められ，軽度の補修を要する。

SEM像

Al

成分分析
Y

図14

断面組織観察結果

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