JP2000258095A - 高温ガス炉の熱交換器用チューブ - Google Patents

高温ガス炉の熱交換器用チューブ

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JP2000258095A
JP2000258095A JP11061282A JP6128299A JP2000258095A JP 2000258095 A JP2000258095 A JP 2000258095A JP 11061282 A JP11061282 A JP 11061282A JP 6128299 A JP6128299 A JP 6128299A JP 2000258095 A JP2000258095 A JP 2000258095A
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heat exchanger
furnace
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Hideo Fujita
秀雄 藤田
Atsushi Funakoshi
淳 船越
Takahiro Gama
隆弘 蒲
Yoshio Katayama
善雄 片山
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Kubota Corp
Original Assignee
Kubota Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高温ガス炉の熱交換器用チューブとして使用さ
れる高融点・高耐酸化性を備えたチューブを提供する。 【解決手段】この熱交換用チューブは、Cr基合金粉末
の熱間等方圧加圧焼結体として製造される。Cr基合金
は、Cr:60%以上を含有し、C:0.8%以下、S
i:5%以下の混在が許容され、残部は実質的にFeか
らなる。所望によりW:10%以下,Mo:10%以
下,Nb:10%以下,Ta:10%以下,Hf:10
%以下,Co:10%以下,Al:10%以下,V:1
0%以下,Mn:10%以下の1種以上を含む化学組成
が与えられる。高融点(≧1600℃)と高耐酸化性・
高強度を有し、磁気焼鈍(温度約1150℃)や、高速度鋼
の焼入れ(温度約1250℃)等の処理も可能である。溶接
施工性のために、チューブ端縁に継手補助部材(Ni合
金等)が固相接合される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、鍛造炉,焼結炉,
高温熱処理炉等の1000℃を超える高温ガス炉に適用
される高融点・高耐酸化性等を備えた熱交換器チューブ
に関する。
【0002】
【従来の技術】鋼材を間接加熱する炉の加熱方式は、燃
焼ガス加熱方式と電気加熱方式とに大別される。ガス炉
は、炉内に配置された熱交換用チューブにバーナ等の燃
焼ガスを送給してチューブ表面からの輻射熱で炉内雰囲
気を所定温度に加熱保持し、電気加熱炉では、抵抗発熱
体を内蔵した保護管が炉内に設置され、管表面からの輻
射熱による加熱が行われる。従来より、ガス炉は、温度
約960℃以下の加熱処理に使用され、加熱温度が約1
000℃を超える鍛造炉,焼結炉,高温熱処理炉などで
は、電気加熱方式が適用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ガス炉は、電気加熱炉
に比べてエネルギー効率が高く、また総合的にみてCO
2 等の環境問題の点でも電気加熱炉より優れている。
従って、加熱温度が1000℃を超えるような高温処理
炉にも、電気加熱方式に代えて、燃焼ガス加熱方式を適
用することが望まれる。
【0004】しかし、ガス炉の熱交換用チューブとして
配置されている従来の耐熱合金製チューブは、1000
℃を超えると、燃焼炎・ガスによる酸化損耗が顕著化
し、耐久性が著しく損なわれる。従来の代表的なチュー
ブ材であるCo基耐熱合金鋳造材(40Co-20Ni-
25Cr-Fe )でも、その使用限界温度は1250℃
程度であり、1000℃を超える高温環境での安定な使
用を確保することはできない。このため、1000℃を
超える高温処理炉では、やむを得ず電気加熱方式が適用
されているのである。本発明は、1000℃を超える高
温加熱に使用することができる、高融点・高耐酸化性等
を備えた高温ガス炉用熱交換用チューブを提供するもの
である。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明のガス炉用熱交換
器チューブは、Cr:60%以上を含有し、C:0.8
%以下、Si:5%以下の混在が許容され、残部は実質
的にFeからなるCr基合金粉末の熱間等方圧加圧焼結
体である。本明細書における元素含有量を示す%は、重
量%である。上記Cr基合金は、所望により、そのFe
の一部が、W:10%以下,Mo:10%以下,Nb:
10%以下,Ta:10%以下,Hf:10%以下,C
o:10%以下,Al:10%以下,V:10%以下,
Mn:10%以下から選ばれる1種ないし2種以上の元
素で置換された化学組成が与えられる。
【0006】本発明のチューブは、高融点(1600℃
以上)を有すると共に、1000℃を超える高温燃焼炎
やガスの接触に対する卓抜した耐酸化性及び高温強度を
具備している。本発明の熱交換器チューブは、チューブ
同士の連結、他部材との接合等の溶接施工の便宜上、所
望により、チューブの端縁に、溶接性のよい耐熱合金か
らなる端縁部材(溶接継手補助部材)を固相接合された
形態が与えられる。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明のチューブを形成するCr
基合金のCr含有量を60%以上と規定し、CおよびS
iが混在する場合の各元素の許容混在量を上記のように
限定しているのは、1600℃以上の高融点、および1
000℃以上の高温の燃焼炎・ガスに対する耐酸化性、
高温強度等を確保するためである。
【0008】本発明のチューブのCr基合金を、より高
融点化し高温域における耐酸化性等を強化する点から
は、Cr含有量を高めてFe量を少なくするのが有利で
はあるが、Feの存在はCr基合金の焼結性を良好化
し、焼結体として製造される本発明のチューブの高緻密
性の確保を容易化するのに役立つ。焼結性をよくするに
は、Fe量を約5%ないしそれ以上とするとよい。むろ
ん、前記高融点・高耐酸化性等の特性を確保するため
に、その量は40%を超えてはならない。
【0009】本発明のチューブを構成するCr基合金
は、所望により、Feの一部を、W:10%以下,M
o:10%以下,Nb:10%以下,Ta:10%以
下,Hf:10%以下,Co:10%以下,Al:10
%以下,V:10%以下,Mn:10%以下から選ばれ
る1種ないし2種以上の元素で置換した化学組成が与え
られる。これらの元素は、高温域における強度を高める
効果を有する。これらの元素含有量を上記のように限定
しているのは、それを超えて多量に添加すると、耐酸化
性,靭性の低下,加工性の悪化等を招くからである。
【0010】本発明のチューブは、上記組成のCr基合
金の粉末(例えば,アトマイズ粉末)を焼結原料とし、
熱間等方圧加圧焼結(HIP)による焼結体として製造
される。図4は、原料粉末をカプセルにキャニングした
状態を示している。カプセルは、2つの円筒体(21)
(22)(軟鋼製管体)を同心円状に重ね、上下の開口
端にリング形状の蓋板材(23)を取付けて構成され、
原料粉末(P)は2つの円筒体の間に充填され、脱気密
封される。HIP処理は、温度:1000〜1500
℃、加圧力:100〜200MPaとして適当時間(例
えば,2〜5Hr)保持することにより達成される。H
IP処理後、カプセルを機械加工等により除去し、焼結
体として形成されたチューブを取り出す。
【0011】本発明のチューブとして、図1に示すよう
に、溶接継手補助部材(11 )を端縁部に有するチュ
ーブ(1)を得ることを望む場合は、その成形法とし
て、例えば、その溶接継手補助部材(11 )となる蓋
板材(23)を用いてカプセルを構成してHIP処理す
る方法が使用される。HIP処理において、カプセル内
に形成される焼結体と蓋板材(23)はその界面を固相
拡散により強固に接合され、従ってHIP処理後にカプ
セルを機械加工で除去する際に、蓋板材(23)を所要
形状に成形して残置することにより、図1のように溶接
継手補助部材(11 )を端縁に備えたチューブを得る
ことができる。
【0012】溶接継手補助部材として、図2のようなフ
ランジ(12 )を有するチューブ(1)を製造する場
合は、図5に示すように、ドーナツ盤形状の蓋板材(2
4)をNi基合金で形成してカプセルを構成し、HIP
処理後のカプセル除去工程で、該蓋板材(24)をフラ
ンジ形状に加工して残置させればよい。このチューブは
フランジ(12 )を介して他部材との機械的な連結を
行うこができる。
【0013】上記溶接継手補助部材(11 )(12 )
は、溶接性と併せて、高度の耐熱性・耐酸化性を有する
材種であることが必要であり、これには、Ni基耐熱合
金、例えばインコネル合金(Ni40〜63%,Cr1
4〜35%,Fe Bal)等が好ましく使用される。
【0014】本発明のチューブは高Cr含有合金からな
るので、チューブ同士を直接溶接することは困難である
が、上記のようにHIP処理での固相拡散を利用して溶
接継手補助部材(11 )等を付設することにより、溶
接施工の困難を解消し、配管構成における他部材の組み
付けや、チューブ同士の突き合わせ溶接による長尺化が
容易化される。また、図3のようなチューブ(1a)
(1b)(1c)を、その溶接継手補助部材部材(11
)を介して突き合わせ溶接してU字型チューブを形成
し、あるいはW字型チューブ等とすることも容易であ
る。
【0015】
【実施例】Cr基合金粉末(粒径355μm以下)を焼
結原料とし、HIP処理により、焼結体チューブを製造
する。 HIP処理:温度1250℃,加圧力100MPa,処
理時間5Hr チューブサイズ(直管):外径114,肉厚7,長さ1
400(mm)
【0016】表1に、チューブの化学組成および特性を
示す。表中、比較材(No.4)は、従来のCo基耐熱合
金製チューブ(鋳造管)である。耐酸化性は、試験片を
加熱炉(大気雰囲気,1350℃)内に保持(100H
r)した後、試験片表面のスケールをアルカリ溶液およ
び酸溶液で除去し、試験前後の重量変化から酸化減量
(g/m 2 hr) を算定し、評価した。高温強度(kgf
/mm)は、1000℃における高温曲げ試験による
測定結果を示している。
【0017】表1に示したように、本発明のチューブ
は、高融点(1600℃以上)、および高度の耐酸化
性,高温強度を有している。その腐食減量は、従来材で
あるCo基合金製チューブの約1/10以下と著しく少
なく、卓抜した酸化腐食抵抗性を有し、また高温域にお
ける強度も従来材のそれを大きく上回っている。
【0018】
【表1】
【0019】
【発明の効果】本発明の熱交換器用チューブは、高融点
および高耐酸化性を有し、鍛造炉,焼結炉,高温熱処理
炉などの1000℃を超える燃焼炎やガスが接触する高
温酸化雰囲気下にも、溶損や酸化損耗が抑制防止され、
従来の耐熱合金製チューブでは不可能な安定使用を確保
することができ、磁気焼鈍(温度約1150℃)や、高
速度鋼の焼入れ(温度約1250℃)などもガス炉によ
る処理を可能とするものでる。また、本発明のチューブ
は、熱間等方圧加圧焼結体として製造されるので、ニア
ネットシェイプを有し、仕上げ機械加工の負担も少な
く、コスト的に有利に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のチューブの実施例を示す管軸方向断面
図である。
【図2】本発明のチューブの実施例を示す管軸方向断面
図である。
【図3】本発明のチューブの実施例を示す管軸方向断面
図である。
【図4】本発明のチューブの熱間等方圧加圧焼結におけ
るカプセルのキャニング態様の例を示す図である。
【図5】本発明のチューブの熱間等方圧加圧焼結におけ
るカプセルのキャニング態様の例を示す図である。
【符号の説明】
1(1a,1b,1c):チューブ(焼結体) 11,12 :継手補助部材 2:カプセル 21,22:カプセルの円筒体 23,24:カプセルの蓋板材 P :焼結原料粉末
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 蒲 隆弘 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 株 式会社クボタ枚方製造所内 (72)発明者 片山 善雄 大阪府枚方市中宮大池1丁目1番1号 株 式会社クボタ枚方製造所内 Fターム(参考) 4K018 AA32 AA40 EA11 KA07 KA23

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で,Cr:60%以上を含有し、
    C:0.8%以下、Si:5%以下の混在が許容され、残
    部は実質的にFeからなるCr基合金粉末の熱間等方圧
    加圧焼結体である高温ガス炉の熱交換器用チューブ。
  2. 【請求項2】 重量%で,Cr:60%以上,および
    W:10%以下,Mo:10%以下,Nb:10%以
    下,Ta:10%以下,Hf:10%以下,Co:10
    %以下,Al:10%以下,V:10%以下,Mn:1
    0%以下から選ばれる1種ないし2種以上の元素を含有
    し、C:0.8%以下、Si:5%以下の混在が許容さ
    れ、残部は実質的にFeからなるCr基合金粉末の熱間
    等方圧加圧焼結体である高温ガス炉の熱交換器用チュー
    ブ。
  3. 【請求項3】 チューブの開口端縁に溶接継手補助部材
    が固相接合されている請求項1又は請求項2に記載の高
    温ガス炉の熱交換器用チューブ。
  4. 【請求項4】 請求項3に記載のチューブ同士が、開口
    端縁の溶接継手補助部材を介して突き合せ溶接されてな
    る高温ガス炉の熱交換器用チューブ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1681361A4 (en) * 2003-10-10 2008-04-23 Nat Inst For Materials Science HIGHLY DUCTILE SILVER-BASED CHROMIUM ALLOY
CN102601372A (zh) * 2012-03-22 2012-07-25 华南理工大学 一种强化冷凝传热管及其制备方法

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