冶金技術と鋳造技術の世界的な進歩により、廃棄物発電所、セメント生産、鉱山事業の重要なコンポーネントである耐熱鋼格子の性能と寿命が大幅に向上しています。高温腐食に対抗する新しい合金組成から、寸法精度と構造的完全性を保証する高度な鋳造プロセスに至るまで、これらの開発は産業効率と持続可能性の新たなベンチマークを設定しています。中国、ヨーロッパ、日本全土で、研究者とメーカーの共同努力により、極端な熱サイクル、磨耗、腐食環境に耐えるように設計された火格子コンポーネントが生み出されています。
格子と格子プレートは、幅広い高温産業機器の必須コンポーネントとして機能します。廃棄物焼却プラントでは、燃焼用空気を流しながら都市固形廃棄物を輸送および撹拌する移動床を格子バーが形成します。セメント生産では、火格子冷却器がプロセスのために熱を回収しながらクリンカーを急速に冷却します。焼結作業では、火格子バーが激しい熱応力に耐えながら鉱石の負担を支えます。これらの用途では、酸化、クリープ変形、化学的攻撃に耐えながら、多くの場合摂氏 900 度を超える動作温度でも強度を維持する材料が求められます。
現代の火格子用途の材料要件はますます洗練されています。廃棄物発電施設では、火格子バーは高温だけでなく、燃焼中に放出される塩素や硫黄化合物を含む腐食性雰囲気にも耐える必要があります。研究によると、燃焼ゾーンで動作する火格子セグメントは摂氏 650 ～ 950 度の温度にさらされ、優れた高温強度と微細構造の安定性が必要です。また、往復運動中に廃棄物や灰が部品の表面を摩耗させるため、優れた耐摩耗性も発揮する必要があります。さらに、連続した付着性の酸化物層が下層の金属を急速な劣化から保護するため、材料の耐酸化性も重要です。
廃棄物焼却技術の国際的リーダーは、先進的な火格子材料の重要性を長年認識してきました。 NOELL などのドイツ企業は、都市固形廃棄物の燃焼に見られる高温腐食環境向けに特別に設計された特殊な耐熱二相鋳鋼を開発しました。 Babcock & Wilcox Volund や三菱重工業などのデンマークと日本の企業は、火格子のコンポーネントにニッケル基超合金を採用し、かなりのコストがかかるにもかかわらず、優れた性能と靭性を達成しました。これらの材料は、摂氏 1000 度までの燃焼温度でも完全性を維持し、エネルギーへの無駄を経済的に実行できる耐用年数を提供します。
中国国内の製造業者と研究機関は、現代の火格子用途の厳しい要件を満たす、コスト効率の高い代替品の開発で大きな進歩を遂げました。初期の中国の火格子の設計では、3Cr18Mn12Si2N や 2Cr20Mn9Ni9 などのクロム系耐熱鋼がよく使用されていましたが、最近の技術革新は、性能と手頃な価格のバランスをとる合金組成の最適化に焦点を当てています。 RTSi5、RQTSi4、RQTSi5、RQT2Si4Mo などのシリコン系耐熱鋳鉄は、その優れた鋳造特性、摂氏 800 度までの優れた耐酸化性、および比較的低コストにより広く受け入れられています。
火格子鋳造技術の顕著な進歩は、安徽省コンクカワサキ機器製造社によるもので、セメント工場の火格子クーラー用途向けに特別に設計された耐摩耗性と耐熱性の高い鋳物を開発しました。同社の革新的な合金設計には、2.3 ～ 2.8 パーセントの炭素、23 ～ 28 パーセントのクロム、およびモリブデン、銅、チタン、イットリウムの戦略的添加を含む慎重にバランスの取れた組成が組み込まれています。この高度な化学反応により、耐酸化性マトリックスと、高温での摩耗に耐える硬くて熱的に安定した相を組み合わせた微細構造が形成されます。
Anhui Conch Kawasaki が開発した鋳造プロセスは、従来の砂型鋳造法に比べて大幅に改善されました。自動静圧成形ラインを活用することで、従来に比べて優れた寸法精度と表面仕上げを実現します。この方法は、正確なコアの作成から始まり、その後、一貫した金型密度を確保する高度な圧縮技術を使用した金型の準備が続きます。溶解および精製作業では、温度と組成を厳密に制御し、溶融金属の処理中にアルゴンを吹き込んで溶存ガスや介在物を除去します。注湯後、コンポーネントは制御された冷却、シェイクアウト、洗浄、そして最後に熱処理を受けて機械的特性を最適化し、残留応力を軽減します。得られた火格子プレートは、収縮気孔や砂混入欠陥のない緻密な微細構造を示し、高温セメント クリンカー冷却用途において耐用年数を大幅に延長します。
廃棄物エネルギーの分野では、研究者は火格子のコンポーネントに影響を与える複雑な劣化メカニズムを理解し、軽減することに重点を置いています。都市固形廃棄物焼却プラントにおける ZG30Cr20Ni10 耐熱鋼保護プレートの詳細な破損分析により、材料組成と使用環境の間の相互作用についての重要な洞察が明らかになりました。炉の鋼構造を高温腐食から保護するプレートは、焼却炉の前方供給セクションでのわずか 7 か月の運転後に早期に破損しました。
破損したコンポーネントの化学分析により、ほとんどの要素は標準要件を満たしていましたが、炭素含有量が規格限界を超えていたことがわかりました。この過剰な炭素は、オーステナイト粒界に沿って広範な炭化物ネットワークの形成を促進し、腐食攻撃の優先経路を作り出しました。金属組織学的検査により、塩素が豊富な浸出水による化学腐食と高温酸化の両方が劣化に寄与し、攻撃が粒界炭化物に沿って伝播することが明らかになりました。鋳物に微細気孔が存在すると、腐食が開始される場所がさらに増えるため、損傷がさらに加速します。
これらの発見に基づいて、研究者らは、炭素含有量を減らして粒界炭化物を最小限に抑えると同時に、塩素誘起腐食に対する耐性を高めるためにモリブデン、銅、チタンを添加することで合金組成を最適化することを推奨しました。ニッケル含有量を増やすと、オーステナイト微細構造が安定化し、高温性能が向上することも示唆されています。さらに、均一な微細構造を確保し、鋳造欠陥を排除するために、均質化熱処理と完全溶体化焼鈍を組み合わせたロストフォーム鋳造の採用が提案されました。これらの改善は、焼却炉の乾燥ゾーンでの浸出水による化学腐食と燃焼ゾーンでの高温酸化という二重の課題に直接対処します。
ロストフォーム鋳造は、多数の小さな穴と複雑な形状を備えた複雑な火格子コンポーネントを製造するための特に効果的な方法として浮上しました。 Quxian Jincheng Alloy Casting Company に付与された特許には、穴あき耐熱鋼格子プレート用に特別に設計された高度な消耗品鋳造プロセスが詳しく記載されています。この方法では、最終コンポーネントの形状に合わせて正確に成形されたコポリマー STMMA フォーム パターンが使用されます。これらのパターンは、摂氏 45 ～ 60 度の温度で焼成サイクルを挟みながら、特殊な耐火コーティングに複数回浸漬する、慎重に制御されたコーティング プロセスを経ます。 0.8 ～ 1.5 ミリメートルの累積コーティング厚により、適切なガスの逃げを可能にしながら、鋳造中に金型の完全性を維持するのに十分な強度が得られます。
コーティング後、パターンはそれぞれ 10 個のコンポーネントからなるクラスターに組み立てられ、負圧フラスコ システムに埋め込まれます。振動圧縮により複雑なパターン形状の周囲に均一な砂密度が確保され、真空の適用により注湯中に鋳型が安定します。パターン除去中に酸素富化燃焼を導入すると、溶融金属を受け入れる準備ができた中空シェルが作成されます。このアプローチは、従来の方法では砂の焼結により開口部が閉塞したり、砂の混入欠陥により表面品質が損なわれることが多かった、小穴鋳物の製造の歴史的な課題に効果的に対処します。ロストフォームシェル鋳造技術により、労働要件と製造コストを削減しながら、きれいで明確な穴と優れた表面仕上げを備えた格子プレートの製造が可能になります。
高クロム鋳鉄は、特に耐摩耗性が最重要である焼結作業において、火格子用途にとってもう 1 つの重要な材料クラスを代表します。 Jinggong Measuring Tools Production Company は、焼結テーブルカーに使用される耐熱性高クロム鋳鉄格子バーの包括的な生産プロセスを開発しました。このプロセスは、スムーズな金型充填を保証するように設計されたクローズド ゲート システムを使用した粘土砂湿式鋳造から始まります。砂の被覆と金型の密閉に細心の注意を払うことで、キャビティへの破片の侵入を防ぎ、鋳造の完全性を確保します。
溶解作業には、銑鉄、スクラップ鉄、マイクロカーボンフェロクロムなどの装入組成を備えた中周波誘導炉が使用されます。温度制御は重要であり、約 1630 ℃まで過熱した後、ニッケルを添加して特性を最適化します。摂氏 1450 ～ 1500 度の注湯温度は慎重に制御され、最初はゆっくりと注湯して流れの圧力を下げ、乱流を防ぎます。その後、安定した充填と最終的な減速により欠陥なくキャビティの充填を完了します。
このプロセスの特徴はシェイクアウト作業のタイミングです。注湯後約10分後、鋳物の温度が約1050℃まで冷えると、鋳物砂から成分が抽出されます。この高温のシェイクアウトにより、表面の砂の付着が軽減されますが、鋳物は直接焼き入れするのに十分な熱を保ちます。摂氏 650 度までの制御された冷却とそれに続く自然冷却、および鋳物砂の積み重ねと被覆を組み合わせることで、別個の熱処理操作を行わずに効果的な焼き戻しが実現します。この熱処理への統合アプローチにより、エネルギー消費と取り扱いコストを最小限に抑えながら、微細構造と機械的特性が最適化されます。
日本のサプライヤーも耐熱鋼製格子の生産において強力な能力を維持しており、JIS 規格 SCH1 から SCH42 の材料グレードを満たすコンポーネントを提供しています。西日本商事などの企業は、主に鉱石製錬、石灰製造、セメント製造における予熱・冷却装置向けの火格子や関連部品を提供している。これらのサプライヤーは、半永久鋳型、インベストメント鋳造、ロストフォーム、シェルモールディングなどの複数の鋳造方法を提供しており、数キログラムから数十トンの範囲のコンポーネントの生産を可能にしています。ステンレス鋼、低合金グレード、耐熱合金、耐摩耗性材料などの標準および特殊鋳鋼の両方を提供できる能力は、世界市場で利用できる幅広い製造能力を示しています。
耐熱鋼鋳物を管理する基本的な規格は進化し続けており、材料の選択と品質保証に重要な指針を提供しています。 ASTM、AISI、BS、DIN、JIS、NF 仕様などの国際規格は、化学組成、機械的特性、試験方法の要件を定義しています。 BTMNiCr2、BTCr9Ni5、およびさまざまな BTMCr シリーズを含む GB/T 8263 グレード、DIN 1695 グレードおよび ISO 21988 分類などの材料指定は、特定の使用条件に適した材料を選択するための明確な仕様をエンジニアに提供します。
今後、ハイブリッドおよび複合格子設計への傾向により、性能と費用対効果のさらなる向上が期待されます。新しい溶接製造技術は、通常厚さ 8 ミリメートル未満の高合金耐摩耗性表面と従来の炭素鋼基板を組み合わせ、材料コストを削減しながら必要な高温性能を実現します。これらの複合格子は、炭素鋼リブサポートのオーバーレイ溶接および構造溶接によって製造され、最も要求の厳しい用途での耐用年数を延長しながら軽量化を実現します。
世界の産業がより高い効率とより低い排出ガスを追求し続けるにつれて、先進的な耐熱鋼鋳物の役割はますます重要になっています。廃棄物発電施設では、継続的な稼働を維持し、再生可能エネルギー生産を最大化するために、信頼性が高く寿命の長いコンポーネントが必要です。セメント工場は、生産性を向上させコストを削減するために、メンテナンス停止までのキャンペーン期間を延長することを目指しています。採掘および鉱物処理作業では、高温での研磨鉱石に耐える耐摩耗性コンポーネントが必要です。ここで説明する合金開発、鋳造プロセス、および品質保証における継続的な革新は、これらの産業ニーズに直接対応し、高温材料技術の継続的な進歩の基盤を提供します。
