JPH0459944A

JPH0459944A - 蒸気タービンロータ用低合金鋼

Info

Publication number: JPH0459944A
Application number: JP16971190A
Authority: JP
Inventors: Yoshikuni Kadoya; 好邦角屋; Ichiro Tsuji; 一郎辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1990-06-29
Filing date: 1990-06-29
Publication date: 1992-02-26

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、高低圧一体型蒸気タービンロータ用低合金鋼
に関し、さらに詳しくは、低温の蒸気に曝される部分は
優れた靭性と強度とを、また高温の蒸気に曝される部分
は優れた高温クリープ破断強さをそれぞれ有する高低圧
一体型蒸気タービンロータを形成する材料として使用さ
れる低合金鋼に関する。

従来の技術蒸気タービンのロータ材には低合金鋼の大型鍛造品が用
いられるが、近来のように蒸気タービンプラントの容量
が大きくなると、ロータ材の性状の制約上の面から、蒸
気タービンは高圧側と低圧側の２車室に分けて製造され
る。これらの単室を形成するそれぞれのロータ材として
、たとえば、第１表に示すように、高圧側の車室のロー
タ材には高温強度（たとえば、クリープ破断強さ）の優
れた化学組成を有する材料を使用し、低圧側の車室のロ
ータ材には常温強度（たとえば、耐力）及び靭性（たと
えば、■シャルピー衝撃値）の優れた化学組成を有する
材料が使用されている。

さらに大容量の蒸気タービンプラントでは、高圧、中圧
及び低圧の３車室に分けて製造されており、この場合の
中圧車室のロータ材としては、中程度の温度（概ね４８
０℃まで）で優れた高温強度と、常温付近の温度で優れ
た高温強度と、常温付近の温度で優れた靭性とを有する
化学組成の材料が用いられている。

上記のように、各車室の特性に応して２種又は３種のロ
ータ材を用いて蒸気タービンを２車室又は３車室に分け
て制作する場合には、蒸気タービンのコスト高を招き、
経済的に極めて不利である。

特に、５０５０−２Ｏ０クラスの中小型の発電用蒸気タ
ービン用ロータ材については、プラントの小型化、機構
の簡略化、立地面積の縮小などの見地から、高圧側から
低圧側までを同一の材料を用いて形成することが考えら
れている。このような目的のロータ材の化学組成として
は、後述の第２表に示すようなものがある。しかし、こ
れらのロータ材も、近年の蒸気タービンの高温化（従来
の発電用蒸気タービンの使用蒸気温度は高々５００℃で
ある）及び大写■化（従来の発電用蒸気タービンの容量
は高々７５ＭＷが多い）の傾向、ガスタービンと蒸気タ
ービンとの複合発電プラントにおける蒸気タービンの大
型化の傾向に対するには、その性状は不充分であった。

そこで、高温及び常温でも強度を有し、かつ常温でも優
れた靭性を有する化学組成の高低圧一体型蒸気タービン
用ロータ材を開発すべく鋭意研究が行われてきた。その
結果、高低圧一体型蒸気タービン用ロータ材として、２
・’／ａ　ＣｒＭｏＶ鋼が提案され（特公昭５４−１９
３７０号）、さらに、この２・′／４ＣｒＭｏＶ鋼にＮ
ｂを添加した低合金鋼による高低圧−体型蒸気タービン
用ロータ材も提案されている（特開昭６０−２４５７７
２号）。また、既に公知化されたものとしてＣｒＭｏＶ
鋼にＮｂを添加したものもある（特公昭５８−１１５０
４号）。これら２−’／４ＣｒＭｏＶ鋼、２．１／４Ｃ
ｒＭｏＶＮｂ鋼及びＣｒＭｏＶ鋼にＮｂを添加した低合
金鋼の高低圧一体型低合金鋼の化学組成について下記第
２表に併せて示す。

発明か解決しようとする課題このような発電用蒸気タービン用高低圧一体型タービン
用ロータでは、−本のロータで、高圧部及び中圧部にお
いて高温強度を有すること、また低圧部においては靭性
、引張強さ及び耐力の優れていることが必要である。

従来から提案されている第２表に示すような化学組成の
高低圧一体型ロータ材は次のような不都合がある。

すなわち、第２表に示す化学組成よりなるロータにおい
ては、ロータ直径において約φ１６００ｍｍ以上となる
場合には、高圧部の高温強度が充分ではなく、また充分
な焼入性が得られず、低圧部の中心部の靭性も充分でな
いなどの欠点を有している。

課題を解決するための手段発明者らは、後述の特定の合金組成とすることにより、
第２表に示す化学組成よりなるロータの材料特性に比へ
て、高圧部及び低圧部で優れた強度特性を発揮でき、ま
た低圧部で優れた靭性を発揮でき、常に所要の性状を発
揮させ得る高強度、高靭性高低圧一体型蒸気タービン用
ロータ材を提供できることを見出し、本発明に至った。

従って、本発明による高低圧一体型蒸気タービンロータ
用低合金鋼は、重量基準で、炭素０１５０３５％、ケイ
素０．１５％以下、マンガン１２％以下、ニッケル０．
５−２．０％、クロム３．５−４．５％、モリブデン０
．５−１．５％、タングステン０．５−１．０％、バナ
ジウム０．１−０．３５％を含有し、さらに、必要であ
ればニオブ０．１％以下あるいはタンタル０１％以下の
うちのいずれか１種を含有し、残部か鉄及び不可避的不
純物元素からなり、Ｎｉ　＋　Ｃｒ＋　Ｍｏ＋　Ｖの含
有量が５６５％を越え、７．３％以下である合金組成を
有することを特徴とする。

前記３件の発明に係る低合金鋼に比べて、本発明の低合
金鋼では、Ｎｉ、　Ｃｒの各元素の含有■が多くなって
いる。これは、近年高低圧一体型蒸気タービンプラント
の発電容量が大きくなり（従来は高々７５ＭＷであった
ものが、近年では２００ＭＷとなっている）、そのため
ロータ材も大型となり、焼入性向上を図る必要が生じ、
焼入性向上のための合金元素が多く必要になったためで
ある。

作用以下に、本発明の低合金鋼の組成及びその含有量（重量
基準）について、上記のように限定した理由を記す。

仄芙工Ω Ｃは、焼入性を増大させ、耐力及び靭性を確保するため
には必要不可欠な元素である。本発明によるロータ材に
必要な耐力及び靭性を発現させるためには０．１５％以
上必要であるが、あまり多足に添加すると、かえって靭
性を害し、また加工性か悪くなるので、その含有量を０
．１５−０．３５％とした。

矢１旦Ｓｌは、溶鋼の脱酸剤として有効な元素である。

しかし、Ｓｉを多く添加すると脱酸による生成物である
Ｓｉｎ、か鋼中に残存し、鋼の洗浄度を害し、靭性を低
下させ、また、クリープ破断伸び（延性）を低下させ、
さらに、高温使用中において焼もどし脆性を助長するの
で、その含有量を０．１５％以下とした。

なお、近年、ロータ材には真空カーボン脱酸法やエレク
トロスラグ再溶解法が適用され、必ずしもＳｉ脱酸を行
う必要がなくなってきており、Ｓｉ量は低減できる。

二Ｚガ之」皿Ｍｎは、溶鋼の脱酸剤、脱硫剤として有効であり、また
、焼入性を増大させて強度を高めるのに有効な元素であ
る。しかし、あまり多く添加すると靭性及び延性を害す
るので、その含有量を最大１２％とした。

二二泣コ目よりＮｉ１は鋼の焼入性を増大させ、室温における強度及び
靭性を高めるのに有効な元素で、特に靭性向上に有効で
ある。また、これらの効果は、Ｎｉ及びＣｒ両元素の含
有量の多い場合には、その相乗効果により著しく増加す
る。しかし、Ｎｉはあまり多く添加すると、高温強度（
クリープ強さ、クリープ破断強さ）を害し、また、焼も
どし脆性を助長するので、その含有量を０．５−２．０
％とした。

１二に剋ｎＣｒは、通常のロータ用低合金鋼の添加元素としても最
も重要な元素である。Ｃｒを鋼に添加すると、耐食性、
耐酸化性を改善し、焼入性を増大させて、室温における
引張性質を向上させる。また、これらの効果は、Ｎｉ及
びＣｒ両元素の含有量の多い場合には相乗効果により著
しく増加する。さらに、Ｃｒはクリープ強さやクリープ
破断強さなど高揚強度の改善にも有効な元素である。但
し、４．５％を越すと大幅な改善は難しく、多量の添加
は必要ない。

また、上述のように焼入性（ベイナイト焼入性）を向上
させるので、ロータ材の質量効果を考慮して、その含有
量を３．５−４．５％とした。因みに、従来、高温ロー
タ材としてはＣｒｉは１％程度か最適といわれてきたが
、靭性向上の観点から、ロータ材の大型化の場合、焼入
性を考慮するとＣｒは若干多めの前記含有量が最適であ
る。

ｉ史１云ヱ］剋Ｍｏは、Ｃｒと同様に通常のロータ用低合金鋼の添加元
素として重要な元素である。Ｍｏを鋼に添加すると、焼
入性を増大し、また、焼もどし時の焼もどし軟化抵抗を
大きくして、常温の強度（引張強さ、耐力）の増大に有
効である。また、ＭＯは固溶体強化元素として、炭化物
を生成して析出効果作用元素として、クリープ強さやク
リープ破断強さなとの高温強度の向上に非常に有効な元
素である。さらに、ＭＯは０５％程度以上添加すると、
鋼の焼もどし脆性を阻止する元素として非常に有効な元
素である。しかし、あまり多く添加すると、その効果は
飽和し、かえって靭性を害する。しかもＭｏは高価な元
素であり、あまり多く添加するとコスト高にもなる。そ
こで、ロータ材が大型化した場合の質量効果（焼入性）
を考慮して、Ｍｏｆｆ１を０．５−１．．５％とした。

９’ｙグツｊシ」胆Ｗは、固溶体強化元素として、クリープ強さやクリープ
破断強さなどの高温強度の向上に非常に有効な元素であ
る。しかし、あまり多く添加すると凝固偏析など大型鋳
造品として好ましくない現象もでてくるので、Ｗ量を０
．５−１．０％とした。

ユ去２盈４ｄ号 ■は、Ｍｏと同様に常温における強度（引張強さ、耐力
）を向上するに有効な元素であり、また、固溶体強化元
素として、炭化物を生成する析出硬化作用元素として、
クリープ強さやクリープ破断強さなど高温強度を増加さ
せる元素として重要な元素である。さらに、■はある程
度の添加範囲（００３−０３５％）の添加量であれば、
結晶粒を微細化させて靭性向上にも有効である。しかし
、あまりに多量に添加すると靭性を害し、また高価な元
素であり、コスト高となるのでその含有量を０．１−０
．３５％とした。

主例主Ｐ、　５ＳＣｕなどは不純物元素として製鋼の原材料よ
り混入され、避けられないものであるが、これらはでき
るだけ低い方が望ましい。しかし、原材料を厳選すると
コスト高となるので、Ｐは００１５％以下、Ｓは０．０
１０％以下、Ｃｕは０．５０％以下であることが望まし
く、その他の不純物元素としてＡ１、Ｓｎ。

Ｓｂ、　Ｐｂ、　Ａｓなどがある。

本発明による蒸気タービンロータ用低合金鋼では、上述
の必須の構成元素に加えて、必要に応じてニオブ及びタ
ンタルのうちいずれか１種を任意成分として添加できる
。

これら任意元素の含有量の限定理由は次のとおりである
。

ニオブ（Ｎｂ）は、■と同様に引張強さや耐力などの常
温強度、並びにクリープ強さやクリープ破断強さなどの
高温強度の増大に有効な元素であると同時に、結晶粒を
微細化させ、靭性向上に非常に有効な元素であるが、０
．０１％未満では、その効果は充分でない。本発明のロ
ータ材では、Ｎｂ添加は強度の上昇にあまり期待せず、
結晶粒微細化による靭性向上を期待しており、あまり多
く添加すると、多量のＮｂ炭化物を形成し、かえって靭
性を害し、有効でない。そこで、Ｎｂの含有量は０１％
以下とした。

タンタル（Ｔａ）もＮｂと同じ効果を有している。

本発明による低合金鋼は、温度９００−１０５０℃から
焼入れ、温度５５０−７５０℃で焼もどし処理され、従
来のロータ材よりも、高温の蒸気に曝される部分（高圧
側）は高温強度が優れ、クリープ破断試験においても切
欠強化（平滑クリープ破断時間が切欠クリープ破断時間
よりも短い）を示し、また、低温の蒸気に曝される部分
（低圧側）は常温においても優れた強度（耐力）と靭性
を有する高低圧−体型タービン用ロータ材を提供する。

以下に、本発明の実施例を示す。

実施例下記の第３表に示す化学組成を有する本発明の低合金鋼
を実験室的規模の真空溶解炉にて溶解し、５０Ｋｇ鋼塊
を溶製した。

これらの鋼塊から、実機ロータの加熱、鍛造工程（据込
１／２．８Ｕ、鍛伸３．７Ｓの鍛練）を行って小型鍛造
材を制作した。その後、この鍛造材につき結晶粒度調整
を目的とする予備熱処理（たとえば、１０１０℃空冷及
び７２０℃空冷）を施した。この鍛造材を、高低圧一体
型ロータ材の高圧部に当たる部分の最大径φ１６００ｍ
ｍの強制空冷時及び低圧部に当たる部分の最大径φ２０
００　ｍｍの水焼入時の中心部及び外周部の焼入冷却速
度をシミュレートした熱処理に供した。

すなわち、高圧部に当たる部分の熱処理として、９５０
℃で加熱して完全にオーステナイト化後、・高圧部中心
部の焼入冷却速度（９５０℃−３００℃の平均）：約２
５℃／Ｈｒ、（供試材Ａとする）・高圧部外周部の焼入
冷却速度（９５０℃−３００℃の平均）：約７５℃／Ｈ
ｒ、（供試材Ｂとする）の２通りの冷却速度で焼入れし
た後、これら供試材Ａ及びＢを６５０℃で焼もどしした
。なお、上記供試材Δ及びＢが、焼もどし処理により、
高低圧一体型蒸気タービンロータの高圧部の設計に必要
な強度、すなわち０．２％耐力が〜７０Ｋｇ／ｍｍ”に
なるように調整した。

低圧部に当たる部分の熱処理として、９００℃で加熱し
て完全にオーステナイト化後、・低圧部中心部の焼入冷却速度（９００℃−３００℃の
平均）：約５０℃／Ｈｒ、（供試材Ｃとする）・低圧部
外周部の焼入冷却速度（９００℃−３００℃の平均）；
約１６００℃／Ｈｒ、（供試材りとする）の２通りの冷
却速度で焼入れした後、これら供試材Ｃ及びＤを６５０
℃で焼もどしした。なお、上記供試材Ｃ及びＤが、焼も
どし処理により、高低圧一体型蒸気タービンロータの低
圧部の設計に必要な強度、すなわち０．２％耐力が〜７
７Ｋｇ／ｍｍ２になるように調整した。

また、本発明の低合金鋼の他に、現状の２・１／４Ｃｒ
ＭｏＶ鋼を前記と同じようにして溶製して（比較材Ｅ）
、これら低合金鋼の性状を比較した。

本発明の低合金鋼に係る供試材Ａ−Ｄの引張試験及び衝
撃試験の結果を第４表に示し、クリープ破断試験の結果
を第５表に示す。

！ｌ１供試材のクリープ破断試験の結果また、クリープ破断強さをラーソン・ミラー・パラメー
タで整理して、金属材料技術研究所のクリープ・データ
・シートＮｏ　、　９Ａ　（従来の高圧ロータ材ＣｒＭ
ｏＶ鋼のデータ）と比較して第１図に示す。すなわち、
第１図はラーソン・ミラー・パラメータ［Ｔ　（２０＋
　ｌｏｇ　ｔ）Ｘ　１０””　；　Ｔ＝クリープ試験温
度（°Ｋ）、ｔ＝クリープ破断時間（ｈｒ）コと応力（
Ｋｇ／ｍｍ’）との関係を示すグラフであり、グラフ中
の○は高圧部中心部相当の供試材Ａ、・は高圧部外周部
相当の供試材Ｂを示す。

第１図から明らかなように、高圧部相当の供試材Ａ及び
Ｂの０２％耐力は７０Ｋｇ／ｍｍ”以上であり、低圧部
相当の供試材Ｃ及びＤの０．２％耐力は１１Ｋｇ７ｍｍ
２以上の強度レベルとなっており、高低圧一体型蒸気タ
ービンロータとして充分な強度を有している。なお、伸
び、絞りも一般の低圧ロータで要求される伸び１６％以
上、絞り４５％以上を充分に満足している。

衝撃性に関しては、従来の高低圧一体型ロータの低圧側
の５０％ＦＡＴＴは＋８０℃以下であるが、今後は起動
発停止コストの低減からより低いＦＡＴＴが要求される
。比較材Ｅは現状の２・’ｌａ　ＣｒＭｏＶ鋼高低圧一
体型蒸気タービンロータであるが、低圧部の中心部の比
較材ＥのＦＡＴＴは６８℃と高く、高低圧−体型蒸気タ
ービンロータが大型化した場合、靭性については若干信
頼性の点で問題があり、改善が必要である。これに対し
、本発明による低合金鋼では、供試材Ａが１４０°Ｃ１
供試材Ｂが一８°Ｃ１供試材Ｃが＋２２℃、供試材りが
一１５℃とＦＡＴＴは低下しており、靭性は大幅に改善
されている。

これから明らかなように、耐カフ０−８０Ｋｇ／ｍｍ”
で比較的常温強度が優れ、かつ、靭性も改善され（一般
高圧ロータ材の中心部の５０％ＦＡＴＴ　：　８０１２
０℃）、さらに、クリープ破断強さは、従来の高圧ロー
タ材として好ましい性状を有していることが判明した。

なお、クリープ破断試験では、第２図に示す平滑−切欠
組合せ試験片を用いており、いずれの試験条件の下でも
、平滑部で破断しており、切欠強化で良好である。

発明の効果以上述べた如く、本発明による低合金鋼は、室温強度及
び靭性に優れ、従来のものよりも信頼性が高く、またよ
り大型の高低圧一体型蒸気タービンロータに適したロー
タ材を得ることができる。

なお、本発明による低合金鋼は、用途によっては必ずし
も高低圧一体型蒸気タービンロータでなくとも、低圧部
のみ、あるいは高圧部のみのロータ材としても使用され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロータ材のクリープ破断強さのラーソ
ン・ミラー・パラメータと応力との関係を示す図、第２
図はラーソン・ミラー・パラメータ測定に使用したクリ
ープ破断試験片（平滑−切欠組合せ型）の断面図である
。

Claims

【特許請求の範囲】

重量基準で、炭素０．１５−０．３５％、ケイ素０．１
５％以下、マンガン１．２％以下、ニッケル０．５−２
．０％、クロム３．５−４．５％、モリブデン０．５−
１．５％、タングステン０．５−１．０％、バナジウム
０．１−０．３５％を含有し、さらに、必要であればニ
オブ０．１％以下あるいはタンタル０．１％以下のうち
のいずれか１種を含有し、残部が鉄及び不可避的不純物
元素からなり、Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｏ＋Ｖの含有量が５．５
％を越え、７．３％以下である合金組成を有することを
特徴とする、蒸気タービンロータ用低合金鋼。