JP2003161434A

JP2003161434A - 耐食性耐熱鋳鋼を炉壁に内張りした燃焼炉

Info

Publication number: JP2003161434A
Application number: JP2001361252A
Authority: JP
Inventors: Takuhiro Ishiyama; 卓弘石山; Yuzo Kawahara; 雄三川原; Hiroshi Nishimura; 宏西村
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】無機質耐火断熱材に耐食性耐熱鋼を内張りし
た構造の炉壁において、高いクリンカ防止機能を有する
とともに、高温における強度の高い、高耐酸化腐食性の
耐食性耐熱鋳鋼を用いた燃焼炉の提供。【解決手段】無機質耐火断熱材に耐食性耐熱鋼を内張
りした構造の炉壁において、前記耐食性耐熱鋳鋼が炭
素；０．１０〜０．４０重量％、Ｃｒ；１８〜２６重量
％、Ｎｉ；０．５〜６．０％、Ａｌ；１．５〜５．５重
量％、Ｍｎ；０．５重量％以下、Ｓｉ；２．５重量％以
下、残部が実質的にＦｅからなる組成であることを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術の分野】本発明は、無機質耐火断熱
材に耐食性耐熱鋼を内張りした構造の炉壁において、高
いクリンカ防止機能を有するとともに、高温における強
度の高い、耐食性耐熱鋳鋼を炉壁に内張りした燃焼炉に
関する。

【０００２】

【従来の技術】都市ごみなど廃棄物を焼却し減容化する
と同時に、エネルギや有用資源を回収する廃棄物焼却炉
では、近年プラスチックなど燃焼温度を高める成分が処
理対象に増えている。また燃焼で発生するダイオキシン
類など有害物質の生成抑制のため、燃焼温度を高く制御
して運転する必要がある。これらの要因で、焼却炉の内
部の構造において、従来使用してきた耐熱耐高温腐食性
の炉壁材質では、種々の問題が発生している。

【０００３】図３に廃棄物焼却炉の例として、ストーカ
式焼却炉４１を示した。廃棄物４５は投入ホッパ５０か
ら供給され、ストーカ４３上で一次空気４６に接して燃
焼、かつ熱分解する。さらに、気化した燃焼成分は二次
燃焼部４４で二次空気４７に接して、さらに燃焼し、高
温の燃焼排ガスは熱回収部４９で放熱して外部に排出さ
れる。燃焼残渣（灰）は受槽４８に落下し取り出され
る。ここで、４２は炉壁であって、耐火・断熱材とそれ
を支持する構造材で構成されている。

【０００４】図２はそのストーカ式燃焼炉の炉壁を現し
た全体図である。３１はホッパの一部で、ここより廃棄
物燃料が供給され、この部分の下部に備えられた、プッ
シャー３２により内部へと送りこまれる。３３はストー
カ上で燃える、燃焼部である。４４は前記した二次燃焼
部で、３４は未だ高温の灰が落下する灰取り出し部であ
る。５は炉壁を構成する耐火材であって、図示していな
いが、構造材で支持されて断熱材を介して内側（火側）
に貼られている。炉内側の温度によって、この耐火断熱
材は変化するが、最も耐火性、耐クリンカ付着性、高熱
伝導率の材質はシリコンカーバイドのセラミックスレン
ガである。これであっても、レンガの酸化による消耗は
激しく、数ヶ月で１０mm〜４０mmの腐食が観察される。

【０００５】燃焼温度が１０００度を超えると、燃焼で
生成したクリンカ（灰分）が溶融して、この炉壁の表面
に反応固着して、堆積する。この現象はクリンカの融点
付近で最も顕著で、それ以上になると、むしろ、炉材自
体の酸化減耗が激しくなる。これらの現象は堆積物の生
長によって運転不能となる場合があり、耐火材の消耗が
速まるなどの障害が生じた。さらに、運転停止して修繕
するなど、稼動率の低下やメンテナンスコストが嵩むな
どの不具合をもたらした。

【０００６】これらを改善するためクリンカが付着、生
長しない鋳鋼製プレートを内張りした炉壁構造が採用さ
れ始めているが、そこに用いる鋳鋼材質は必ずしも満足
するものが見出されていない。高いクリンカ付着性能を
有し、合わせて耐食性、高強度の鋳物材料が強く要求さ
れている。

【０００７】例えば、特許第２９９７８６９号には、成
分がＣ：０．１〜０．４重量％、Ｓｉ：０．２〜１．２
重量％、Ｍｎ：１．０〜１０．０重量％、Ｃｒ：２２．
０〜２７．０重量％、Ｎｉ：３．０〜６．０重量％、残
部が実質的にＦｅで該成分中Ｍｎ＋Ｎｉが少なくとも
６．０重量％である耐熱鋳鋼材を前記用途に適した材質
が開示されている。

【０００８】また、特開２０００−１９９６２１には、
成分がＣ：０．０５〜０．４重量％、Ｓｉ：０．１〜
２．０重量％、Ｍｎ：１．０〜２．２重量％、Ｃｒ：２
２．０〜２８．０重量％、Ｎｉ：４．０〜１２．０重量
％、Ａｌ０．３〜１．５重量％、残部が実質的にＦｅで
該成分中Ｎｉ＋Ｃｒ＋Ｍｎが少なくとも２８．０重量％
以上である耐熱鋳鋼材などが前記用途に適した材質とし
て開示されている。

【０００９】これら耐熱鋳鋼材は、その技術思想とし
て、Ｎｉ・Ｃｒ系耐熱耐腐食鋳鋼をベースにＭｎを添加
することにより、該鋳鋼の使用条件である高温酸化雰囲
気暴露により塩基性の酸化物を生成させ、加えてＡｌを
添加して耐酸化、耐腐食性の高いＡｌ２Ｏ３を生成させ
るとしている。これにより、同じく塩基性のクリンカ
は、塩基性のＭｎ酸化物を含む鋳鋼表面と反応し難く且
つ該Ｍｎ酸化物が鋳鋼表面から剥がれ易いため、クリン
カが物理的に溶融付着しても、共に剥がれ落ちるとして
いる。

【００１０】なお、本願出願人は、平成４年８月５日
に、焼却炉の別の目的、すなわち、火格子用材料、ノズ
ル、バーナ、等耐熱・耐腐食・耐摩耗を要求される各種
高温部部品用材料として、その組成がＣ：０．８〜２．
０重量％、Ｃｒ：１５．０〜３０．０重量％、Ａ１．
５〜５．０重量％、Ｓｉ：１．０〜４．０重量％、Ｎ
ｉ：０．５〜６．０重量％、希土類金属：０．０１〜
０．５重量％、残部が実質的にＦｅである耐熱鋳鋼材
を出願し、特許第２９２３１３０号を得ている。

【００１１】本発明者等はこれら従来の耐熱鋳鋼材を再
検討し、更に高いクリンカ付着防止性能を有し、合わせ
て耐食性、高強度の炉壁内貼り材料に適した鋳物材料を
開発しようとして、鋭意研究をおこなった。

【００１２】そもそも、前記従来技術のクリンカ剥離
性、耐酸化腐食性のメカニズムを検討するに、目的とす
る鋳鋼を炉内の高熱・高腐食性雰囲気に曝すと、鋳鋼合
金の表面上に酸化物層が生成する。図４はその状況を説
明的に描いた模式図であるが、この鋳鋼合金１上の酸化
物層は二層から成っている。表層は比較的脆く、酸素透
過性の酸化物によってなる酸化物層５でＦｅ２Ｏ３、Ｍ
ｎＯに富んだ密度の低い不安定なもので、クリンカ８が
融着すると、崩れて剥がれ落ちる性質がある。一方酸化
物層６はＣｒ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２などを含ん
だ層であり、自体酸素不透過性で保護機能の発揮が期待
されるが、前記先行技術の耐熱鋳鋼材においては、Ｍｎ
を１．０〜１０．０重量％若しくは１．０〜２．２重量
％と比較的多量に含有しているのが特徴であった。この
ように多量なＭｎが存在すると、図４の酸化物層６中に
も符号７で示すように、多量のＭｎＯが生成され、その
ため該酸化物層６が著しくポーラスになる。従って皮膜
の付着強度は低下するので、クリンカが付着し、剥離す
るときは該層６も共に脱落し、なるほどクリンカ付着防
止機能は向上するが、酸素不透過を期待するこの層６が
なくなり、この部分で酸化腐食性が著しく低下する。加
えてこの層６自体のポーラスな物理特性は緻密保護性を
低下させ、酸素透過性も大きくするので耐酸化腐食防止
機能が低下して、酸化腐食による損耗が激しくなる。す
なわち、焼却炉の内張り材として使用したとき、減耗の
速度が著しい。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる従来の
問題点に鑑みてなされたもので、無機質耐火断熱材に耐
食性耐熱鋼を内張りした構造の炉壁において、高いクリ
ンカ防止機能を有するとともに、高温における強度の高
い、高耐酸化腐食性の耐食性耐熱鋳鋼を用いたことを特
徴とする燃焼炉の提供を目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の燃焼炉は、無機
質耐火断熱材に耐食性耐熱鋼を内張りした構造の炉壁に
おいて、前記耐食性耐熱鋳鋼が炭素；０．１０〜０．４
０重量％、Ｃｒ；１８〜２６重量％、Ｎｉ；０．５〜
６．０％、Ａｌ；１．５〜５．５重量％、Ｍｎ；０．５
重量％以下、Ｓｉ；２．５重量％以下、残部が実質的に
Ｆｅからなる組成であることを特徴とする。

【００１５】本発明の目的に適う炉壁内張り材としての
必須の要件は、表面に物理的に融着したクリンカはその
最外層の皮膜によって、捕捉され、該皮膜の脆弱なるが
ゆえに、崩壊剥離することと、第２層の緻密な酸素不透
過性の酸化皮膜によって高温の酸素が遮断され更に、内
部の合金が侵されない保護機能を有することである。加
えて、１０００℃をこえるような高温において、該材質
を使用した内張り材プレートが多少の熱応力に曝されて
も容易に変形しない強度と靭性を備えることにある。

【００１６】本発明者等はこれらの要件を備える組成を
模索・検討し本発明の鋳鋼合金組成に行き着いたのであ
る。すなわち、クリンカ付着防止機能を担う、図４中符
号５に示す第１の層は、Ｆｅ２Ｏ３の組織により充分ク
リンカの剥離が可能なことを見出したので、先行技術に
おける、第２の層６に対して不利益をもたらすＭｎ成分
は、極力押さえ、しかし皮膜にアルカリ性を付与する利
益は残る程度の濃度とした。

【００１７】Ｃ量は高温の靭性を保つため本発明の範囲
が適当であり、Ｎｉ、Ｃｒについては耐熱・耐食鋼とし
ての基本的組成を採用した。本発明の更に特徴とすると
ころは、ＡｌとＳｉの比率と含有量を調整したところに
あり、これにより第２層にＡｌ、Ｓｉ、Ｃｒの酸化物か
らなる皮膜の酸素不透過性を大きく向上させ、かつ高温
強度を高めた。

【００１８】更に、本発明の燃焼炉は無機質耐火断熱材
に耐食性耐熱鋼を内張りした構造の炉壁において、前記
耐食性耐熱鋳鋼が炭素；０．１０〜０．４０重量％、Ｃ
ｒ；１８〜２６重量％、Ｎｉ；０．５〜６．０％、Ａ
ｌ；１．５〜５．５重量％、Ｍｎ；０．５重量％以下、
Ｓｉ；２．５重量％以下、希土類金属；０．１〜０．４
重量％、残部が実質的にＦｅからなる組成であることを
特徴とする。

【００１９】更に、希土類元素の添加は、高温強度を高
める効果があり、特にＮｂ若しくはＴａが好ましい。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
てを実施例を用いて詳しく説明する。但し本実施の形態
に記載される製品の寸法、形状、材質、その相対配置等
は特に特定的な記載がない限りは本発明の範囲をそれの
みに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

【００２１】（供試材の製造）実施例１〜３、比較例１
〜３の供試材を得るために、各成分を真空溶解して２０
ｋｇの金型に鋳込んで製造した。試験材は１１５０℃で
２４時間保持して、熱処理した。得られたサンプルの化
学組成は分析の結果、表１に示す百分率であった。

【００２２】

【表１】

【００２３】前記表の供試材の実施例１〜３は本発明の
組成からなる、鋳鋼合金であって、ＡｌとＳｉの比率及
び含有量を変化させたもの、比較例１は先行技術例、特
許第２９９７８６９号に開示された組成においてＣ及び
Ｓｉ含有量を減少させたもの、比較例２は先行技術例、
特許第２９９７８６９号そのものである。比較例３は従
来の耐熱Ｎｉ−Ｃｒ鋳鋼に本発明のＭｎ含有量の上限界
をやや超える量を添加したものである。

【００２４】（製造性の試験）供試材の鋳造において、
得られたインゴット中の欠陥の有無を目視試験で検査
し、その結果を表２に示す。

【００２５】

【表２】

【００２６】（高温腐食試験）（１）高温酸化腐食供試材の試験片を乾燥空気中で温度９００℃、１０００
℃、１１００℃、１２００℃の４段階において２００時
間保持して、重量増加を測定した。その結果を表３に示
す。（２）高温塩化腐食供試材の試験片を実機灰中に埋没し気中の雰囲気をＨＣ
ｌ１０００ｐｐｍ濃度の酸性雰囲気として５５０℃で１
００時間保持し重量減少量を測定した。その結果を表３
に示す。（３）高温硫化腐食供試材の試験片を合成灰中に埋没し気中の雰囲気を乾燥
空気として９００℃で１００時間保持し重量減少量を測
定した。その結果を表３に示す。

【００２７】

【表３】

【００２８】（クリンカとの反応性、剥離性試験）テス
トプラントの炉壁にそれぞれの供試材で後述する構造の
内張りプレートを施工し、５０時間のテストを行い、結
果を観察した。暴露温度はおよそ１２００℃であった。
その結果を表４に示す。

【００２９】

【表４】

【００３０】（破壊靭性）供試材より切り出した規定寸
法の板材に２mmのＶノッチを設けて、シャルピ衝撃試験
片を作製し０℃と６００℃で衝撃破壊試験を実施した。
その結果を表５に示す。

【００３１】

【表５】

【００３２】（比較検討）高温腐食試験で実施例１〜３
何れの供試材も比較例１〜３の供試材と比べ、９００℃
乾燥空気中の酸化試験を除きその他のいかなる条件にお
いても、格段に優れた結果であった。また、クリンカ反
応性・剥離性では実施例の３例とも、Ｍｎが減じてある
にも関わらず、優れておりＦｅ２Ｏ３の剥離効果が充分
であることを示した。更に破壊靭性ではＡｌが極端に多
い組成は実施例中でも劣る数値を示したが、それ以外は
高温（６００℃）における靭性が比較例より優れてい
た。

【００３３】（テストプラントの炉壁施工例）図１は本
発明の燃焼炉である無機質耐火断熱材に耐食性耐熱鋼を
内張りした構造の炉壁の施工例で、各実施例の鋳造耐食
性耐熱鋼（供試材）を図のようにして、耐火断熱材に内
張りした。耐食性耐熱鋼板１はおよそ３５０×２４０mm
の大きさ、３０mmの厚さの供試材鋳鋼板である。この方
形の板の４隅に上図の如き固定手段用のザグリを儲け
て、下図の示すように耐火断熱材３内側に当接しボルト
２をパイプ９を介して支持構造４まで貫通させ、ナット
でかしめて、固定した。

【００３４】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、本発明によ
り、無機質耐火断熱材に耐食性耐熱鋼を内張りした構造
の炉壁において、高いクリンカ防止機能を有するととも
に、高温における強度の高い、高耐酸化腐食性の耐食性
耐熱鋳鋼を用いたことを特徴とする燃焼炉の提供を可能
にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃焼炉である無機質耐火断熱材に耐
食性耐熱鋼を内張りした構造の炉壁の施工例を示す平面
図、断面図。

【図２】ストーカ式燃焼炉の炉壁を現した全体概略
図。

【図３】ストーカ式焼却炉の概念図。

【図４】クリンカの付着状況、酸素の透過状況を説明
的に描いた模式図。

【符号の説明】

１耐食性耐熱鋼板２ボルト３耐火断熱材４支持構造５酸化物層６酸化物層７ＭｎＯ８クリンカ９パイプ３１ホッパの一部３２プッシャー３３ストーカ３４灰取り出し口４１ストーカ式焼却炉４２炉壁４３ストーカ４４二次燃焼部４５廃棄物４６一次空気４７二次空気４８受槽４９熱回収部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ２７Ｄ 1/00 Ｆ２７Ｄ 1/00 Ｄ (72)発明者西村宏東京都港区芝五丁目34番６号三菱重工環境エンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 3K065 AA01 AB01 AC01 BA09 FA02 FA12 FB13 FC06 4K051 AA00 AB03 BB00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無機質耐火断熱材に耐食性耐熱鋼を内張
りした構造の炉壁において、前記耐食性耐熱鋳鋼が炭
素；０．１０〜０．４０重量％、Ｃｒ；１８〜２６重量
％、Ｎｉ；０．５〜６．０％、Ａｌ；１．５〜５．５重
量％、Ｍｎ；０．５重量％以下、Ｓｉ；２．５重量％以
下、残部が実質的にＦｅからなる組成であることを特徴
とする耐食性耐熱鋳鋼を炉壁に内張りした燃焼炉。
【請求項２】無機質耐火断熱材に耐食性耐熱鋼を内張
りした構造の炉壁において、前記耐食性耐熱鋳鋼が炭
素；０．１０〜０．４０重量％、Ｃｒ；１８〜２６重量
％、Ｎｉ；０．５〜６．０％、Ａｌ；１．５〜５．５重
量％、Ｍｎ；０．５重量％以下、Ｓｉ；２．５重量％以
下、希土類金属；０．１〜０．４重量％、残部が実質的
にＦｅからなる組成であることを特徴とする耐食性耐熱
鋳鋼を炉壁に内張りした燃焼炉。
【請求項３】前記希土類金属がＮｂもしくはＴａであ
ることを特徴とする請求項２記載の耐食性耐熱鋳鋼を炉
壁に内張りした燃焼炉。