JPH0146221B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、炭化水素類の熱分解・改質反応管と
して使用される二重遠心鋳造管の製造方法に関す
る。 炭化水素類の熱分解・改質反応管（クラツキン
グチユーブ等）は高温・高圧、腐食環境下に使用
される。その管材として従来より、HK40材や
HP材等に代表される高Cr高NiのFe−Cr−Ni系
耐熱鋼（Cr：約20〜30％、Ni：約15〜40％）か
らなる鋳造管が賞用されている。 炭化水素類の熱分解・改質反応は、その反応系
から固形炭素が析出する現象を伴うため反応管内
面に固形炭素の付着沈積が生じる。これを放置す
ると、管内の反応流動物の円滑な流通が妨げられ
る等、反応効率の低下をきたす原因となるほか、
浸炭による管材質の劣化、特に延性の著しい低下
を生じ、高圧操業条件下、脆化による管体の割れ
発生の危険が増大する。 この反応管内面の固形炭素の析出沈積は、管材
がNi含有量の高いもの程生じ易く、管材のNi含
有量を制限することにより、その析出沈積を抑制
防止することができる。Fe−Cr−Ni系耐熱鋼鋳
造管（C0.8％、Si1.5％、Mn1.1％、Cr18％、Ni0
〜40％、残部および不純物）を供試反応管とする
反応実験（実験条件：エタン供試量400c.c.／分、
Ｓ／Ｃ比1.5、温度900℃）において、管材Ni量が
15〜35％（HK40材、HP材相当）である場合は
管内面単位面積当り約0.3〜0.5mg／cm²の固形炭素
の析出沈積を避け得ないが、Ni量の減少と共に
その量を減じ、Ni5％以下（０〜５％）の範囲で
は、わずかに0.04〜0.06mg／cm²と、管材Ni量の制
限により固形炭素の析出沈積を効果的に抑制防止
し得ることが本発明者等の実験により確認されて
いる。 従つて反応管として必要な高温・高圧・腐食環
境に耐え得る管材質を保持しつつ固形炭素の管内
面沈積を抑制防止するには、反応管を２層構造と
し、反応系と接触する内層をNi量の制限された
Fe−Cr系耐熱鋼で形成し、外層を従来の管材料
であるHK40材等、高Cr高NiのFe−Cr−Ni系耐
熱鋼で形成するとよい。 遠心鋳造法によれば、回転鋳型内に、外層とな
るFe−Cr−Ni系耐熱鋼溶湯の鋳込みを行つて所
定層厚の外層を形成し、ついで内層となるFe−
Cr系耐熱鋼溶湯を鋳込んで所定層厚の内層を形
成する二重鋳造により目的とする二重構造の反応
管を得ることができる。むろんその二重遠心鋳造
により形成される二層管の外層と内層は、層界面
の全周全長に亘つて確実に融着結合されていなけ
ればならない。このため、従来の二重遠心鋳造で
は、外層を鋳造した後の内層合金溶湯の鋳込み
を、外層が完全に凝固してしまう前に、すなわち
外層の最内面が未凝固の溶融状態を保持している
時点で行うことにより両層の融着結合を確保する
ようにしている。 しかし、その二重遠心鋳造では、両層間の確実
な融合結着を保証し得る反面、外層の合金溶湯と
内層の合金溶湯が過度に混り合うため、内・外両
層の層厚に偏肉を生じると共に、両層の合金の化
学組成の変化をきたし、結果として反応管の二層
構造化による所期の材料特性（固形炭素の析出沈
積抑制防止、高温・高圧特性・腐食抵抗性等）を
十分に発現させることができない。 この両層の合金溶湯の混り合いは、内層合金の
溶融温度（融点）が外層合金のそれより高い程顕
著となる。その合金溶湯の混り合いを抑制しよう
として内層合金溶湯の鋳込み温度（鋳込み温度
は、合金溶湯の品質維持と湯流れ性確保等の面か
ら、一般に融点より約150〜250℃高い温度とされ
る）を低くすると、内層の品質の低下・注湯経路
の閉塞のおそれがあるだけでなく、層界面の金属
学的結合も不完全なものとなる。また鋳造合金溶
湯の酸化防止や溶湯中の非金属介在物の吸着除去
等の目的でフラツクスを鋳型内溶湯面に散布投与
する場合は、フラツクスの完全な浮上分離が妨げ
られて金属中に混在し、管在の重大な欠陥となる
等の不都合をきたす。 本発明は二重遠心鋳造による反応管の製造に関
する上記問題を解決するためになされたものであ
る。 本発明は、高Cr高NiのFe−Cr−Ni系耐熱鋼か
らなる外層と、Fe−Cr系耐熱鋼からなる内層と
の２層構造を有する炭化水素類熱分解・改質反応
管の二重遠心鋳造において、 C0.2〜0.6％（重量％、以下同じ）、Si2.5％以
下、Mn2.5％以下、Cr20〜30％、Ni15〜40％、
残部鉄および不純物であるFe−Cr−Ni系耐熱鋼
からなる外層を鋳造し、その最内面まで凝固した
のち、C1.5〜3.5％、Si2.5％以下、Mn2.5％以下、
Cr12〜30％、残部鉄および不純物であつて、前
記外層耐熱鋼より低い融点を有するFe−Cr系耐
熱鋼からなる内層の鋳造を行うことを特徴として
いる。 本発明は、Fe−Cr−Ni系耐熱鋼の外層を鋳造
した後の内層形成用Fe−Cr系耐熱鋼溶湯の鋳込
みを、外層が最内面まで凝固した後に行うことと
しているので、外層最内面が溶融状態にある時点
で内層合金溶湯の鋳込みを行う従来の鋳造法にお
けるような内・外両層合金の過度の混り合いとそ
れによる各層の層厚のバラツキ（偏肉）や合金化
学組成の変化を生じることがない。また外層耐熱
鋼（Ｃ：0.2〜0.6％）に対し、内層耐熱鋼のＣ含
有量を1.5〜3.5％と、耐熱鋼としての仕様を損な
わない範囲内で高目に設定して外層耐熱鋼より低
い融点をもたせているので、外層の最内面凝固後
に内層の鋳造を行うこととしているに拘らず、外
層と内層との界面の良好な金属学的結合関係を形
成することができる。すなわち、本発明の二重遠
心鋳造によれば、内・外両層合金溶湯の過度の混
り合いとそれに伴う両層の偏肉・境界の乱れがな
く、両層とも所定の化学組成と所定の層厚を有
し、かつ層界面に形成された必要最小限の薄い融
合層による両層の金属学的結合関係を備えた二層
管を得ることができる。 本発明における二重遠心鋳造には特別の条件の
付加・制限を必要とせず、Fe−Cr−Ni系耐熱鋼
からなる外層およびFe−Cr系耐熱鋼からなる内
層のそれぞれの鋳造は、常法に従つてその合金の
適正鋳込み温度で行えばよく、また合金溶湯の酸
化防止・清浄度の改善等を目的としてフラツクス
を使用する場合の鋳型内溶湯への添加投与も常法
に従つて行えばよい。 本発明により製造される二層管は、高Cr高Ni
のFe−Cr−Ni系耐熱鋼からなる外層により反応
管として必要な高温材料特性を確保しつつ、内層
をNi量の制限されたFe−Cr系耐熱鋼で形成する
ことにより、管内反応系からの固形炭素の析出反
応を抑制するようにしている。その外層および内
層を形成する各耐熱鋼の化学組成限定理由を説明
すれば次のとおりである。なお、両層界面の金属
学的結合を形成するための外層耐熱鋼と内層耐熱
鋼との間の融点の相対的高低の調整は、それぞれ
について規定された化学組成の範囲内において主
としてＣ含有量の調節により行えばよい。 まず外層を形成するFe−Cr−Ni系耐熱鋼の成
分限定理由について説明する。この耐熱鋼の成分
構成は従来の代表的管材であるHK40材やHP材
に相当するものである。 Ｃ：0.2〜0.6％ Ｃは管材の高温強度を高める効果を有する。
0.2％を下限とするのは、それ未満では高温クリ
ープラプチヤー強度を十分なものとすることがで
きないからであり、0.6％を上限とするのは、そ
れを越えると、延靭性の低下、配管施工に必要な
溶接性の悪化等を招くからである。 Si：2.5％以下 Siは脱酸剤であり、また溶湯の流動性を高め鋳
造性を良好なものとするために添加されるが、
2.5％を越えると、管材の延靭性の低下、鋳造割
れ、溶接性低下等をきたすので、2.5％を上限と
する。 Mn：2.5％以下 Mnは脱硫・脱酸元素であり、また溶湯の流動
性を高め、良好な鋳造性をもたらす元素である。
しかし、2.5％を越えると、高温クリープ強度等、
高温強度の低下を招くので、2.5％以下とする。 Cr：20〜30％ Crは反応管用耐熱鋼として必要な高温強度お
よび高温耐酸化性を確保するために、少なくとも
20％を必要とする。しかし、30％を越えると、延
靭性の低下、溶接性の悪化等をきたす。このた
め、20〜30％とする。 Ni：15％〜40％ Niは前記Crと共に、反応管材として必要な高
温強度、耐酸化性等の確保に不可欠の元素であ
る。15％を下限とするのは、その改善効果を十分
ならしめるためであり、その添加増量に伴つて効
果を増す。反応操業条件が高温化する程、Ni含
有量を高めるのが好ましい。しかし40％を越える
と、効果の増加は少なくなり経済的に不利とな
る。このため、15〜40％とする。 次に内層材であるFe−Cr系耐熱鋼の成分限定
理由を述べる。 Ｃ：1.5〜3.5％ 内層耐熱鋼のＣ量を1.5％以上と、外層のFe−
Cr−Ni系耐熱鋼のそれ（Ｃ：0.2〜0.6％）に比べ
て高Ｃ組成としたのは、外層耐熱鋼より低い融点
をもたせるためである。Ｃ量の増加と共に、融点
の降下をみるが、あまり多くすると、Cr炭化物
の生成によるCr消耗量の増加と耐食性の低下を
きたし、また多量の炭化物の生成に伴い管材の脆
化、鋳造割れ等を生じるので、3.5％を上限とす
る。 Si：2.5％以下 Siは脱酸、および溶湯の流動性向上のために添
加される。また、管材の耐浸炭性の改善効果を有
する。しかし、2.5％を越えて添加すると、管材
の延性の低下、鋳造割れ、溶接性悪化等をきたす
ので2.5％以下とする。 Mn：2.5％以下 Mnは脱硫・脱酸作用、溶湯の流動性向上効果
を有し、またその添加増量により、浸炭抑制作用
を発現する。しかし、多量の添加は、σ相の生成
とそれによる管材の脆化をきたすので、2.5％を
上限とする。 Cr：12〜30％ Crは高温耐酸化性、耐食性、および耐浸炭性
等の改善効果を有する。12％未満ではその効果が
不足する。添加増量に伴つて効果の増加をみる
が、30％を越えると、高温使用に伴う管材の延性
低下が大きくなる。このため、12〜30％とする。 上記各耐熱鋼はいづれも、通常の合金溶製技術
上不可避の不純物の混入が許容される。例えばＰ
は0.04％以下、Ｓは0.04％以下混在して何らさし
つかえない。また、反応系と接触する管内面の固
形炭素の析出沈積抑制効果は、前記のようにNi
量５％以下の範囲であれば十分に確保されるの
で、内層を形成するFe−Cr系耐熱鋼は、５％以
下の範囲内で不純物としてのNiの混在が許容さ
れる。 なお、上記外層および内層を形成する各耐熱鋼
は、材質の改善を目的として鉄の一部が、３％以
下のNb、８％以下のＷ、５％のMo、0.3％以下
のＮから選ばれる１種ないし２種以上の元素で置
換された化学組成としてもよい。 実施例 横型遠心鋳造により、HK40相当のFe−Cr−
Ni系耐熱鋼からなる外層を鋳造し、その最内面
まで凝固したのち、高ＣのFe−Cr系耐熱鋼溶湯
を鋳込んで内層を形成することにより、外径135
mm、肉厚23mm（外層厚：15mm、内層厚：８mm）の
二層管を得た。なお、外層鋳造時にフラツクス
（SiO₂：50％、Na₂B₄O₇：30％、Na₂CO₃：20％）
を通常の使用法に従つて鋳型内溶湯面に散布投与
した。 比較例として、上記と同じFe−Cr−Ni系耐熱
鋼からなる外層の鋳造後、低ＣのFe−Cr系耐熱
鋼溶湯を鋳込んで内層を形成することにより、上
記と同じ管サイズの二層管を得た。その外層鋳造
の際には上記と同じフラツクスを同じ要領で溶湯
面に散布投与した。但し、内層溶湯の鋳込みは、
外層との過度の混り合いを抑制する目的でやや低
めの温度で行つた。 第１表に内・外層の耐熱鋼の化学成分組成、融
点、および鋳込み温度を示す。

【表】 前記２つの二層管のそれぞれの径方向断面図を
第１図（発明例）および第２図（比較例）に示
す。両図から明らかなように、比較例の二層管
は、層界面の融着が不完全であるのに対し、発明
例のそれは、外層と内層とが全周に亘つて薄い融
合層を介して金属学的に密着結合し、その層境界
は比較的明瞭であり、両合金の過度の混り合いや
偏肉等のない健全な層構造を有している。 以上のように、本発明方法により製造される
Fe−Cr−Ni系耐熱鋼の外層とFe−Cr系耐熱鋼の
内層とからなる二層管は健全な積層構造を有し、
両層合金の過度の混り合いがなく、必要最小限の
融合層を介して両層の強固な密着結合関係が形成
されている。従つて炭化水素類の熱分解・改質反
応管としての使用においては、異種耐熱鋼の積層
複合効果として、反応管に必要な高温強度・耐熱
性・耐食性等が保証されると共に、管内面に対す
る反応系からの固形炭素析出沈積の改善効果によ
り、反応効率の向上・安定化、管材劣化防止等と
ともに、沈積固形炭素除去のための操業中断や除
去作業（所謂デコーキング）等の頻度が減少し操
業効率の改善・安全性向上等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は二重遠心鋳造管の径方向
断面における金属組織を示す図面代用写真であ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ C0.2〜0.6％（重量％、以下同じ）、Si2.5％以
   下、Mn2.5％以下、Cr20〜30％、Ni15〜40％、
   残部鉄および不純物であるFe−Cr−Ni系耐熱鋼
   からなる外層を鋳造し、その最内面まで凝固した
   のち、C1.5〜3.5％、Si2.5％以下、Mn2.5％以下、
   Cr12〜30％、残部鉄および不純物であつて、前
   記外層耐熱鋼より低い融点を有するFe−Cr系耐
   熱鋼からなる内層の鋳造を行うことを特徴とする
   炭化水素類の熱分解・改質反応管用二重遠心鋳造
   管の製造方法。