JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）p. 71-75

転炉鉄皮用長寿命化材料の開発と水素切断工法による工期短縮
Development of Long Life Material for Converter Shell and Shortening ofConstruction Period by Hydrogen Gas Cutting Method
川越雅嗣

KAWAGOE Masashi

JFE スチール

西日本製鉄所（倉敷地区）製鋼部

連鋳建設班

細川晃

HOSOKAWA Akira

JFE スチール

西日本製鉄所（福山地区）設備部

製鋼設備室長（課長）

主任部員（課長）

古川航平

FURUKAWA Kohei

JFE スチール

西日本製鉄所（福山地区）設備部

設備技術室

要旨
転炉鉄皮は長期間の使用の中でクリープ変形し，トラニオンリングとのクリアランスが限界値に至る前に更新工事を行う必要がある。今回，転炉鉄皮用長寿命化材料を開発し，また，水素切断工法による工期短縮も行った。

Abstract:Converter shell can be deformed by creep in a long period of operation and must be renovated before clearance
between furnace shell and trunnion ring reaches the limit value. JFE Steel has developed long life material for
converter shell and shortened construction period by hydrogen gas cutting method.

1． はじめに皮の部分更新や全更新を行わねばならなかった。そこで2002 年，2003 年に福山 3 製鋼 1，2 号転炉の鉄皮全更新を

転炉鉄皮がクリープ変形によりトラニオンリングと接触

行 う 際， 耐 ク リ ー プ 変 形 性 材 料 とし て 0.5 ％ Mo-低C 鋼

し，トラニオンリングの亀裂や破損といった設備故障や倒壊（SM400C-Mod. と命名）を採用したが，使用開始から 2 年事故に至るのを防止するため，転炉鉄皮とトラニオンリング後に，出鋼口近辺の煉瓦受け金物用現場溶接部に再熱割れのクリアランスを測定し限界値に至る前に転炉鉄皮の更新と思われる亀裂が発生した。

工事を行っている。転炉鉄皮の更新工事は転炉製作費や工福山 3 製鋼 1，2 号転炉の鉄皮全更新で採用した SM400C-

事費が数億円規模となるうえ，長期間の設備停止が必要とMod. の材料設計の考え方を図 1 に示す。まずクリープ強度なるため生産への影響も大きい。それゆえ，転炉鉄皮の長を高めるために Mo を添加した。鋼は一般的に Mo の添加寿命化対策と更新工事の工期短縮が求められてきた。

量に比例してクリープ強度が向上するが，Mo 0.5％程度でこのような背景の中，クリープ強度を確保しつつ溶接割れその効果は頭打ちとなるため，Mo 添加量は SB450M と同等防止も考慮した転炉鉄皮用長寿命化材料を開発した。また，の 0.5％とした。また，転炉鉄皮は煉瓦異常溶損等による鉄水素切断工法を用いることで工期短縮も行ったので報告す

皮穴あき発生時に溶接補修する必要があり溶接性が求められる。従来材である SM400C 並みの溶接割れ感受性（PCM）る。

を得るためには C 量を減らす必要があるが，一方で C 量は2． 転炉鉄皮用長寿命化材料
2.1

機械強度に影響するため，一定量は必要となる。上記理由により，溶接性があり，かつ一定の機械強度を確保するよう

転炉鉄皮用長寿命化材料の開発

2.1.1

C を 0.1 ％ 程 度 に 決 定した。このように 材 料 設 計され た

SM400C-Mod. の材料設計の考え方

SM400C-Mod. は高クリープ強度を有し，なおかつ溶接性を従来，福山や倉敷など各地区の製鋼工場転炉の鉄皮材料も兼ね備えた材料であり，転炉鉄皮用材料としては最適なは，鉄皮溶損時の補修や変形・亀裂部位の部分更新時の溶ものであった。

接性を考慮し，溶接構造用圧延鋼材（JIS 規格：SM400C）

しかしながら，先に述べたように，現場溶接部に再熱割が使用されていた。SM400C は，溶接性に優れるものの耐れと思われる亀裂が発生した。今回，Mo を添加したことでクリープ強度は劣位であり，クリープ変形により鉄皮とトラ結晶粒内の強度が上昇した結果，相対的に結晶粒界の強度ニオンリングが接触するリスクを回避するため，随時転炉鉄が低下したことが要因と考えられる。この対策として，応急措置としては現場溶接方法を改善したが，あわせて恒久対2019 年 2 月 28 日受付

策として，耐再熱割れ性材料の開発を行うこととした。
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転炉鉄皮用長寿命化材料の開発と水素切断工法による工期短縮

表 1 候補材の材料成分
Table 1図 1 材料設計の考え方
Fig. 1

2.1.2

Approach to material design

Chemical component of sample

MaterialCSiMnMoNbV

SM400C

0.12 0.23 1.11

SB450M0.24 0.25 0.87 0.52 0.00 0.00

SM400C-Mod.

0.10 0.25 0.85 0.49 0.02 0.02

Ca(ppm)0.00 0.00

Sample 1(additive-free Nb,V＋Mn＋Ca)
0.10 0.25 1.05 0.49

20

Sample 2existing material(0.3%Mo)＋Ca

0.09 0.25 1.50 0.29 0.01 0.05

20

Sample 3(0.3%Mo＋Nb,V＋Ca)

0.10 0.25 1.05 0.30 0.02 0.02

20

耐再熱割れ性材料の開発と成分設計

耐再熱割れ性の指標としては，一般的に Nb を含有しない
Cr-Mo 鋼の場合は（1）式で表される ΔG の指標を，Nb を含有する Cr-Mo 鋼の場合は（2）式で表される PSR の指標1）を使用し，ΔG＜0，PSR＜0 となるように成分設計する 。
ΔG＝Cr＋3.3Mo＋8.1V－2 …………………… （1）PSR＝Cr＋2Mo＋Cu＋10V＋7Nb＋5Ti－2 … （2）
今回，表 1 に示すとおり，新材料の候補材として候補材 1（Mo は 0.5％とし，Nb，V を無添加としたもの），候補材 2および候補材 3（Mo は 0.3％とし，Nb，V を添加したもの，
図 2 各材料の PSR-Mod．

既存鋼種および開発鋼種）を考えた。SM400C，SB450M，

Fig. 2SM400C-Mod. 等の従来材を含め，Nb が含有されているも

PSR-Mod. of materialsのと含有されていないものがあり，耐再熱割れ性を比較評価するのに適当な指標がないため，成分ごとに ΔG と PSR反応により CaS（カルシウムサルファイド）を生じさせ，の係数の大きい方をとって両方の式を合成した指標，PSR-MnS（マンガンサルファイド）の生成を抑制することで，靱Mod. を用いて評価することとした。これを（3）式に示す。

性の低下や割れを防止できる。

PSR-Mod.＜0 であれば耐再熱割れ性ありと評価できる。
Ca＋S＝CaS …………………………………… （4）PSR-Mod.＝Cr＋3.3Mo＋Cu＋10V＋7Nb＋5Ti－2…………………………………………………… （3）2.1.3

クリープ試験およびシャルピー衝撃試験結果

表 1 に示す従来材，候補材，計 6 つの材料に関してクリー
PSR-Mod. を用いて各材料の耐再熱割れ性を評価すると，プ試験を行い，耐クリープ変形性を評価した。具体的には，

図 2 に示すように，SM400C-Mod. は PSR-Mod.＝0 となり，別途行った伝熱解析と応力解析の連成解析結果から求めた

SB450M と同様に，再熱割れする可能性があることがわかっ

温度と応力に近い範囲（温度は 530～620℃，応力は 60～た。一方，候補材については問題がないことが確認できた。

130 MPa）で，クリープ変形による累積歪み量が 2％に到達

なお，各候補材に Ca を 20 ppm 添加しているが，これもする時間で評価した。2％は，転炉鉄皮がクリープ変形しト再熱割れ防止対策のためである。再熱割れとは，高温使用中，ラニオンリングに接触するのを防止するために設定している

応力集中を受けた溶接熱影響部粗粒域に発生する粒界割れ

許 容 変 形 量に 相 当する。この 結 果を（5）式 で 表されるであり，防止対策としては，不純物元素の低減や熱処理がL.M.P.（ラーソン・ミラー・パラメータ）を用いてグラフ化有効である。不純物元素の低減方法としては，Ca 添加が効したものが図 3 である。

果的である。Ca を添加することで（4）式に示すような化学JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）

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転炉鉄皮用長寿命化材料の開発と水素切断工法による工期短縮

図 3 クリープ試験結果
Fig. 3Result of creep test
図 4 20℃におけるシャルピー衝撃値
Fig. 4

L.M.P.＝T（log t＋C） ………………………… （5）Charpy impact value at 20˚C

T：温度（K），t：時間（h），C：定数（一般的な耐熱鋼は 20）
図 3 で同じ応力でプロットが右側にある（L.M.P. が大きい）
ものは，2％の累積歪み量に到達する雰囲気温度もしくは負荷時間が大きいことから，耐クリープ性に優れていると言える。この結果から，候補材 1～3 どれも SM400C よりは大幅に優位であり，SM400C-Mod. と同程度かそれ以上となっており問題ないと言える。
次に，耐再熱割れ性を，実操業を想定し，高温使用後の低温靱性で評価した。評価方法としては，先に述べた従来材，候補材，計 6 つの材料に関して母材と溶接熱影響部（HeatAffected Zone，以下 HAZ と略）各々にステップクーリング（Step Cooling，以下 SC と略）法による加速試験を行いシャルピー衝撃値を測定した。結果を図 4 に示す。候補材 2，3

図 5 遷移温度
Fig. 5では HAZ においてシャルピー衝撃値の急激な低下が確認さTransition temperature

れ，図 5 に示す通り遷移温度も 30℃近辺となり，炉修等の低温時に靱性低下による低温脆性破壊に至る可能性が示さ

耐亀裂性に優れた長寿命な転炉となることが期待できた。

れた。
2.1.4

2.2

転炉鉄皮用長寿命化材料の選定

以上のように高クリープ強度を有し溶接性も兼ね備えた

長寿命化材料の効果

2.2.1

福山 3 製鋼転炉鉄皮全更新前後の変形量実績

SM400C-Mod. に，さらに耐再熱割れ性に優位な材料を開発

図 6 に福山 3 製鋼工場の SM400C-Mod. 採用前後の鉄皮すべく成分設計を行った候補材 1～3 についてクリープ試験

変形トレンドを示す。採用前は約 10 万 ch 使用後に変形量やシャルピー衝撃試験を行った結果，HAZ の SC 後のシャが 100 mm を超えているが，採用後は 20～40 mm 程度の変ルピー衝撃値の結果から候補材 1 が最適との結論に至った。

形量であった。鉄皮変形速度は採用前の 20～40％程度になっ

このことから，当時次に更新を予定していた福山 2 製鋼 2，ている。

3 号転炉鉄皮用材料として候補材 1 を選定した。候補材 1 は2.2.2

福山 2 製鋼転炉鉄皮全更新前後の変形量実績

低（0.1％）
C，0.5％ Mo 添加，20 ppm Ca 添加，Nb，V フリー

図 7 に福山 2 製鋼工場の CMC 鋼採用前後の鉄皮変形トの特徴的元素記号の頭文字を取って CMC 鋼と命名した。

レ ン ド を 示 す。 採 用 前 は 約 10 万 ch 使 用 後 に 変 形 量 がCMC 鋼を転炉鉄皮用材料として採用することで，耐変形性，80 mm 程度であった。採用後は 8 万 ch 使用し 50 mm 程度－ 73 －JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）

転炉鉄皮用長寿命化材料の開発と水素切断工法による工期短縮の変形量であった。鉄皮変形速度は，採用前の 78％になっ3.2ている。
2.2.3

水素ガス切断水素ガス切断は，水素ガスにより予熱した鋼板に切断酸今後の展望

SM400C-Mod. を採用した 3 製鋼では，転炉鉄皮の変形は素を吹き付けることで鋼が酸化し，酸化熱によって溶融した減少しており，炉寿命の延長が期待できる。CMC 鋼を採用

鋼を酸素の噴流によって吹き飛ばすガス切断方法である 。

している 2 製鋼でも変形速度は減少しているが，2.1.3 項で水素ガス切断の特徴は，一般的なプロパンやアセチレンを2）述べたクリープ試験結果ほどの効果は出ていない。今後，用いたガス切断と比較して切断速度が速いことがあげられクリープ試験と比較して 2 製鋼転炉鉄皮の変形量実績が増る。その理由は，水素炎の燃焼速度がプロパンやアセチレ加した原因を調査し，CMC 鋼の有効性を評価していく。

ンの炎の燃焼速度より早いため，火炎が細くなり熱エネル
2）ギーが集中して切断材料に伝えられるからである 。図 8 に

3． 水素切断工法による工期短縮
3.1

水素ガス切断とアセチレンガス切断の切断速度とノッチ深さの関係を示す。アセチレンガス切断は切断速度を増加さ

転炉鉄皮部分更新

せると 160 mm/min の速度で限界速度に達したが，水素ガ

1 章で述べたように，転炉鉄皮の全更新は，鉄皮中部が高ス切断では 320 mm/min で限界速度に達した。また，ノッ温クリープ変形しトラニオンリングと接触するのを防ぐため

チ深さはアセチレンガス切断では最小 1.5 mm であったのにに行う。一方，鉄皮に局所的な変形が生じた場合には部分対し，水素ガス切断は最小 0.5 mm であった。このことから，更新を行う。至近では，福山 3 製鋼で転炉鉄皮上部の部分水素ガス切断の方がアセチレンガス切断に比べ切断速度が更新を行った。部分更新では，再使用する既設鉄皮の切断速く，切断面も平滑であることが分かった。

面を可能な限り平滑にすることでグラインダーによる研磨量

写真 1 にアセチレンガス切断による切断面，写真 2 に水を削減でき，工期短縮が可能となる。福山 3 製鋼転炉鉄皮

素ガス切断による切断面を示す。水素ガス切断の切断面はの部分更新においては，水素ガス切断を適用し切断面の平アセチレンガス切断のものと比較して，凹凸が少なく平滑で滑化を図った。

あることが分かる。このことから，切断面の手入れ時間の短縮が期待できる。切断面が平滑になるのは，火炎が細く単位面積当たりの熱エネルギーが大きいため，安定的に切断できるからである。

3.3

水素ガス切断の実機適用

福山 3 製鋼転炉鉄皮上部の部分更新工事において水素ガス切断を適用した。水素ガス切断適用による工期短縮結果
を図 9 に示す。これは実際の工程と当初予定していたアセチレンガス切断による工程を比較したものである。
その結果，切断速度が 20％向上し，切断時間が 10 時間短縮できた。また，切断面の平滑化により手入れ時間が 22 時間短縮できた。
図 6 SM400C-Mod. 使用前後の変形量
Fig. 6

Amount of deformation after using SM400C-Mod.

図 7 CMC 鋼使用前後の変形量
Fig. 7図 8 切断速度とノッチ深さの関係

Amount of deformation after using CMC steel

JFE 技報 No. 44（2019 年 8 月）

Fig. 8－ 74 －Relationship between cutting speed and notch depth

転炉鉄皮用長寿命化材料の開発と水素切断工法による工期短縮

図 9 短縮実績
Fig. 9た再熱割れを改善するため，PSR-Mod. の指標を用いて

写真 1 アセチレンガス切断の切断面
Photo 1Shortening achievement

成分設計を行い，さらに粒界割れ防止のため Ca 添加もCutting surface by acetylene gas

行った。候補材 1～3 についてクリープ試験と HAZ のSC 後のシャルピー衝撃試験を行い，候補材 1 を CMC鋼と命名し，2 製鋼 2，3 号転炉鉄皮用材料として選定した。
（2）転炉鉄皮用長寿命化材料の効果は，SM400C-Mod. では鉄皮変形速度が採用前の 20～40％に低減し，CMC 鋼
では 78％に低減した。
（3）水素切断工法を用いて，切断速度の向上と切断面の平滑化を図り，過去実績と比較し 32 時間の工期短縮を実現した。
参考文献
1）中村満．鋼溶接熱影響部の再熱割れ感受性評価に関する研究．1994, p.
1-2.
2）宮崎建雄，中島義男，中東博．造船における水素ガス切断の評価事例．
日本船舶海洋工学会誌 KAIRIN（威臨）．2009, no. 22, p. 2-8.

写真 2 水素ガス切断の切断面
Photo 2Cutting surface by hydrogen gas

4． おわりに
本稿では転炉鉄皮用長寿命化材料の開発と水素切断工法による工期短縮について紹介した。
（1）転炉鉄皮用長寿命化材料の開発においては，福山 3 製
鋼 1，2 号転炉で採用した SM400C-Mod. で問題となっ－ 75 －川越 雅嗣

細川晃

古川 航平

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