JPH0941097A - 吸収式冷暖房機機用オーステナイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吸収式冷暖房機に適した材料を提供する。 【構成】 このオーステナイト系ステンレス鋼は、Ｃ：
０．０８％以下，Ｓｉ：１．０〜５．０％，Ｍｎ：１．
０％以下，Ｐ：０．０４５％以下，Ｓ：０．００５％以
下，Ｃｒ：１６．０〜２５．０％，Ｎｉ：６．０〜２
０．０％，Ｍｏ：０．５〜３．０％及びＮ：０．００５
〜０．３５％を含み、更に必要に応じてＣｕ：０．５〜
３．０％を含み、残部が実質的にＦｅの組成をもつ。＃
８０以上の番手で研磨仕上げされた表面をもち、水を冷
媒とし、ＬｉＢｒを主成分とする吸収液を使用する吸収
式冷暖房機器の構造材として使用される。 【効果】 冷暖房機運転時のガス発生が抑制され、メン
テナンスにかかる負担が軽減された再生器等が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬｉＢｒを主成分とす
る吸収液を使用する吸収式冷暖房機器における再生器等
の構造材として使用されるオーステナイト系ステンレス
鋼に関する。

【０００２】

【従来の技術】環境問題から冷媒にフロンを使用しない
冷暖房システムとして、濃度５０％以上の高濃度のアル
カリ性ＬｉＢｒ水溶液を吸収材として使用する吸収式冷
暖房機器が注目されている。吸収式冷暖房システムで
は、たとえば図１（ａ）に示すように、凝縮器１と再生
器２との間、及び蒸発器３と吸収器４との間で水蒸気５
を移動させている。凝縮器１には、再生器２から加熱蒸
発したＬｉＢｒ水溶液６の蒸気が送り込まれ、循環媒体
７によって熱量が系外に持ち出される。凝縮器１から蒸
発器３に純水８が送り込まれ、冷房ルーム９との間に配
管したブライン移送管１０を流れるブラインを冷却す
る。そして、薄いＬｉＢｒ水溶液１１を収容した吸収器
４に送り込まれ、熱媒体１２と熱交換される。この吸収
式冷暖房システムでは、たとえば図１（ｂ）に示す構造
を持つ再生器が使用される。再生器を構成するフレーム
１２の内部に希吸収液及び燃焼排ガス用流路を交互に形
成し、燃焼ガスを排ガスとして、希吸収液を沸騰吸収液
及び水蒸気としてそれぞれ送り出す。このとき、希吸収
液と燃焼排ガスとの熱交換効率を高めるため、熱交換器
１３で流路を形成する。また、希吸収液の漏洩や大気の
混入を防止するため、熱交換器１３をフレーム１２にろ
う付け１４する。

【０００３】すでに実用化されている業務用大型機にお
いては、吸収式冷暖房機の再生器を炭素鋼，キュプロニ
ッケル等の材料で作り、再生器中でＬｉＢｒを主成分と
する高濃度のアルカリ性ハロゲン吸収液を最高１５０℃
で加熱している。吸収式冷暖房機器の普及を図るために
は、従来の業務用をベースに設計された大型の機器を小
型化，軽量化する必要がある。小型化，軽量化のために
は吸収冷却方式を水冷から空冷に変更する必要があり、
それに伴って運転効率を高効率化させる必要性が生じ
る。このようなことから、空冷式の吸収式冷暖房機にお
いては再生器の運転温度が最高約２００℃と高くなるた
め、炭素鋼では十分な耐食性が得られない。そこで、炭
素鋼に代わる材料が検討されており、耐食性及びコスト
の面からステンレス鋼が最も有望な材料と考えられてい
る。フェライト系ステンレス鋼に関しては、Ａｌ，Ｃ
ｏ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｃｕ等の添加によって高濃度の
ハロゲン化物中でも優れた耐食性を示すことが特公平６
−３７６９２号公報，特公平５−３４４１９号公報等で
紹介されている。特開平２−２９８２３７号公報では、
冷暖房機用のオーステナイト系ステンレス鋼を紹介して
いる。また、特開平７−３５４３３号公報では、Ｓｉ添
加によって自然腐食電位を再不動態化電位より低くする
ことにより、耐食性を改善したステンレス鋼が開示され
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ａｌ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｎ
ｉ，Ｍｏ，Ｃｕ等の添加は、特公平６−３７６９２号公
報，特公平５−３４４１９号公報等にもみられるよう
に、高濃度のハロゲン化物中で優れた耐食性をステンレ
ス鋼に付与する。しかし、これら添加元素の作用は酸性
の吸収液に対しては有効であるものの、吸収式冷暖房の
吸収液はアルカリ性であり、アルカリ性のＬｉＢｒ吸収
液に対するこれらステンレス鋼の合金成分の有効性は不
明である。特に再生器の熱交換部等は複雑な形状になっ
ているため、良好な加工性，溶接性及びろう付け性が要
求される。たとえば、ろう付けでは、耐食性に問題があ
るＣｕろうを使用できず、Ｎｉろうが使用される。しか
し、Ｎｉろうを使用するろう付けが比較的高温で行われ
るため、フェライト系ステンレス鋼では結晶粒が粗大化
することになる。

【０００５】この点、オーステナイト系ステンレス鋼
は、加工性，溶接性及びろう付け性がフェライト系ステ
ンレス鋼よりも優れており、耐孔食性及び耐隙間腐食性
においても優れた特性を呈する。しかし、オーステナイ
ト系ステンレス鋼を再生器用機材として使用すると、再
生器の運転中に水素ガスが発生し、冷暖房能力を低下さ
せる傾向を示す。そのため、オーステナイト系ステンレ
ス鋼製の再生器を使用する場合、発生した水素を除去
し、再生器内の真空度を適正な圧力に維持することが必
要になる。しかし、水素ガスの除去には専用の装置が要
求され、また水素ガスの除去操作中に機器の運転を止め
る必要がある。したがって、吸収式冷暖房機を実用化す
る上では、ガス発生量を抑制することが重要な問題とな
る。本発明は、このような問題を解消すべく案出された
ものであり、耐応力腐食割れ性に優れ、十分な加工性及
びろう付け性をもつオーステナイト系ステンレス鋼の表
面仕上げを規制することにより、ガス発生量を抑制し、
５０％以上の高濃度アルカリ性ＬｉＢｒ吸収液を使用す
る冷暖房機に適したオーステナイト系ステンレス鋼を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のオーステナイト
系ステンレス鋼は、その目的を達成するため、Ｃ：０．
０８重量％以下，Ｓｉ：１．０〜５．０重量％，Ｍｎ：
１．０重量％以下，Ｐ：０．０４５重量％以下，Ｓ：
０．００５重量％以下，Ｃｒ：１６．０〜２５．０重量
％，Ｎｉ：６．０〜２０．０重量％，Ｍｏ：０．５〜
３．０重量％及びＮ：０．００５〜０．３５重量％を含
み、残部が実質的にＦｅの組成を持ち、＃８０以上の番
手で研磨仕上げされた表面をもち、水を冷媒とし、Ｌｉ
Ｂｒを主成分とする吸収液を使用する吸収式冷暖房機器
の構造材として使用されることを特徴とする。このステ
ンレス鋼は、更にＣｕ：０．５〜３．０重量％を含むこ
とができる。

【０００７】

【作用】吸収式冷暖房機においては、濃度５０％以上の
高濃度アルカリ性ＬｉＢｒ水溶液を約２００℃の高温に
加熱する。冷暖房機内は、真空に引いた後で密閉して運
転を開始するため、通常の環境と異なり、腐食反応又は
皮膜形成時のカソード反応により水素ガスがステンレス
鋼の表面に発生する。発生した水素ガスは、非凝縮性の
ガスであるため、熱交換効率を大幅に低下させる。本発
明者等は、水素ガス発生メカニズムを詳細に検討した結
果、ステンレス鋼の表面状態によって水素ガスの発生が
変わることを見い出した。すなわち、２Ｂ又は２Ｄ仕上
げのように酸洗によりオーステナイト系ステンレス鋼表
面に不動態皮膜を形成した場合にはガス発生量が増加
し、酸洗後に生じた不動態皮膜を研磨によって一旦除去
するときガス発生量が抑制される。ＬｉＢｒ濃度５５
％，アルカリ度０．０２Ｎ，Ｌｉ₂ Ｍｏ₄ ３００ｐｐｍ
の吸収液を１５０℃に保持し、アノード分極曲線がステ
ンレス鋼の表面状態によってどのように変わるかを調査
した。アノード分極曲線は、分極速度２０ｍＶ／分で動
電位法によって測定した。アノード分極曲線は、２Ｂ仕
上げした表１Ｅのステンレス鋼板では図２、同じ材料を
６００番で研磨仕上げしたものでは図３に示す曲線であ
った。

【０００８】図２と図３との比較から明らかなように、
研磨処理を施した材料は、不動態維持電流が小さく、ガ
ス発生量も少ないことが判る。このことから、研磨仕上
げは、ガス発生を抑制する有効な手段であるといえる。
しかし、研磨仕上げした材料は、２Ｂ，２Ｄ仕上げを施
した材料と比較すると、鋼中の非金属介在物等の欠陥部
が鋼表面に露出し易く、耐孔食性に劣る。そのため、研
磨目が粗いよりも研磨目が細かい方が実質的な表面積を
小さくし、欠陥が鋼表面に露出する頻度を低くできる上
で好ましい。このことから、最低でも８０番以上の番手
で研磨する必要があり、好ましくは２４０番以上の番手
で研磨仕上げする。また、鋼種としても、高温の高濃度
アルカリ性ＬｉＢｒ水溶液に接する環境において研磨状
態で優れた耐食性が得られる合金設計を採用した。すな
わち、本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に含まれ
る合金成分及びその含有量を次のように定めた。

【０００９】Ｃ：０．０８重量％以下 オーステナイトを安定にする強力な元素であり、耐応力
腐食割れ性及び耐孔食性には大きな影響を与えない。し
かし、溶接部等での粒界腐食感受性を高めることから、
Ｃ含有量の上限を０．０８重量％に定めた。 Ｓｉ：１．０〜５．０重量％ 本発明のオーステナイト系ステンレス鋼においては、重
要な作用を呈する合金元素であり、１．０重量％以上の
含有量で表面に安定な皮膜を形成し、高濃度ハロゲン化
物中における気相部及び液相部における耐孔食性を著し
く改善する。また、Ｃｕとの複合添加で耐応力腐食割れ
性を高め、一定量のＭｏを添加しても耐応力腐食割れ性
を損なうことなく、耐隙間腐食性を改善する作用も呈す
る。しかし、強力なフェライト形成元素であることか
ら、Ｎｉ使用量を低く設定した状態でオーステナイト相
の安定化を図る上から、Ｓｉ含有量の上限を５．０重量
％に定める。

【００１０】Ｍｎ：１．０重量％以下 腐食の起点となり易い可溶性硫化物ＭｎＳを生成し、耐
孔食性や耐隙間腐食性を劣化させる。そのため、Ｍｎ含
有量は少ないほど好ましく、本発明ではその上限を１．
０重量％に規定した。 Ｐ：０．０４５重量％以下 熱間加工性を低下させる有害元素であることから、通常
のステンレス鋼に許容される０．０４５重量％をＰ含有
量の上限とした。 Ｓ：０．００５重量％以下 鋼中のＭｎと結合して可溶性硫化物ＭｎＳを生成し、耐
孔食性を悪化させる。Ｓ含有量は低いほど好ましく、本
発明ではその上限を０．００５重量％に規定した。

【００１１】Ｃｒ：１６．０〜２５．０重量％ ステンレス鋼においては耐食性を向上させる必要不可欠
の合金元素であり、本発明が対象とする高濃度ハロゲン
化物を含む吸収液環境においては１６．０重量％以上の
Ｃｒ含有が必要である。Ｃｒ含有量が多いほど耐食性が
向上するが、オーステナイト相を維持するために必要な
Ｎｉ量が増加し、また製造性や加工性も損なわれる。そ
こで、本発明においては、Ｃｒ含有量の上限を２５．０
重量％に定めた。 Ｎｉ：６．０〜２０．０重量％ オーステナイト相を維持するための主要合金元素であ
り、安定したオーステナイト相を確保するためには６重
量％以上のＮｉが必要である。しかし、２０重量％を超
えるＮｉ含有量は、鋼材コストを上昇させる原因とな
る。また、Ｎｉは、６．０〜２０．０重量％の範囲で耐
孔食性を改善する作用を呈し、特に耐孔食性が要求され
る部位に使用される材料としては１０重量％以上のＮｉ
含有量が好ましい。

【００１２】Ｍｏ：０．５〜３．０重量％ 高濃度ハロゲン化物中における耐食性、特に耐孔食性の
改善に有効な合金元素である。Ｍｏ含有によって不動態
皮膜は強化されるが、その作用は、Ｓｉとの複合添加に
よって一層顕著になる。このようなＭｏの添加効果は、
０．５重量％以上、好ましくは０．７重量％以上で顕著
になる。しかし、３．０重量％を超えるＭｏ含有量は、
高価なＭｏを多量に消費するため鋼材コストが高くなる
ばかりでなく、材料の硬質化によって製造性や加工性に
悪影響を及ぼす。 Ｎ：０．００５〜０．３５重量％ 強力なオーステナイト形成元素であると共に、オーステ
ナイト系ステンレス鋼の耐食性を改善する有効な合金元
素である。このような作用は、０．００５重量％以上の
Ｎ含有量で顕著になる。しかし、０．３５重量％を超え
る多量のＮ含有は、製造性及び加工性を著しく低下させ
る。 Ｃｕ：０．５〜３．０ 必要に応じて添加される合金元素であり、オーステナイ
ト系ステンレス鋼の耐孔食性を改善し、ハロゲン化物を
含む水溶液中における耐応力腐食割れ性を改善する。Ｃ
ｕの添加効果は、０．５重量％以上で顕著になり、３．
０重量％で飽和する。また、３．０重量％を超えて多量
のＣｕを含有させると、熱間加工性が劣化する。

【００１３】

【実施例】冷暖房機の再生器に使用されるステンレス鋼
の研磨仕上げが再生器の運転中に発生するガス量に及ぼ
す影響を調査するため、表１に組成を示した各種ステン
レス鋼に対して２Ｂ仕上げ，２Ｄ仕上げ及び２Ｂ材に１
２０番研磨を施したものをそれぞれ用意した。

【００１４】

【００１５】各ステンレス鋼で気相部の容積が７００ｃ
ｃの再生器を作製し、ＬｉＢｒ濃度５５％，アルカリ度
０．０２Ｎ，Ｌｉ₂ Ｍｏ₄ ３００ｐｐｍの吸収液を使用
し、１９０℃で１００時間運転させた。運転後のガス発
生量を測定したところ、図４に示すように２Ｂ材及び２
Ｄ材に比較して研磨材では運転時のガス発生量が著しく
低減していた。また、何れの仕上げ材においても、孔
食，隙間腐食，応力腐食割れ等が観察されなかった。更
に、研磨材の耐食性を調査するため、吸収式冷暖房機に
おいて最も過酷な条件、すなわち何らかの原因で空気が
装置内に混入した場合を想定した実験を行った。耐食性
試験では、表１に示した各種ステンレス鋼の供試材を１
５０ｍｍ×３０ｍｍに加工した後、５００番のエメリー
紙で乾式研磨し、ＭｇＯ水溶液を用いて脱脂した後、一
晩以上乾燥させた。各試験片を濃度６０％のＬｉＢｒ水
溶液に浸漬部の深さが３０ｍｍとなるように試験片を半
浸漬し、液温を１５０℃に保持して１６８時間の半浸漬
試験を行った。その後、８０℃に保った３０％硝酸水溶
液中に試験片を浸漬することにより腐食生成物を除去
し、最大侵食深さを測定した。

【００１６】試験結果を図５に示すように、Ｍｏを０．
５重量％以上含むステンレス鋼は、空気混入下において
も良好な耐食性を示していた。また、Ｍｏを約１重量％
添加した鋼種Ｂ，Ｄ及びＥについてＳｉの複合添加効果
をみると、図６に示されるように、１重量％以上のＳｉ
を添加した鋼は、Ｍｏ単独添加の鋼種Ｂに比較すると大
気開放下における耐孔食性に優れている。すなわち、Ｓ
ｉとＭｏの複合添加は、吸収式冷暖房機の環境として考
えられる最も過酷な腐食環境においても孔食の発生及び
成長を抑制する作用を呈することが確認された。以上の
結果から、Ｓｉ及びＭｏを複合添加したオーステナイト
系ステンレス鋼は、吸収式冷暖房機器用に適した材料で
あることが判る。

【００１７】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、吸収式冷暖房機の構成材料として使用されるオース
テナイト系ステンレス鋼を研磨仕上げすることにより、
冷暖房機運転中のガス発生を抑制し、運転時のガス抜き
にかかる作業やコストが低減される。更に、適量のＳｉ
及びＭｏを複合添加することにより、吸収式冷暖房機の
環境として最も過酷な空気が混入した環境においても気
相部における腐食による被害が最少限に抑制され、メン
テナンスコストが大幅に削減される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 吸収式の冷暖房システム（ａ）及び再生器
（ｂ）

【図２】 研磨仕上げしていないオーステナイト系ステ
ンレス鋼のアノード分極曲線

【図３】 研磨仕上げしたオーステナイト系ステンレス
鋼のアノード分極曲線

【図４】 オーステナイト系ステンレス鋼の仕上げ状態
がガス発生量に及ぼす影響

【図５】 Ｍｏ含有量がオーステナイト系ステンレス鋼
の耐孔食性に及ぼす影響

【図６】 Ｍｏ及びＳｉの複合添加によって耐孔食性が
向上することを示したグラフ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｃ：０．０８重量％以下，Ｓｉ：１．０
   〜５．０重量％，Ｍｎ：１．０重量％以下，Ｐ：０．０
   ４５重量％以下，Ｓ：０．００５重量％以下，Ｃｒ：１
   ６．０〜２５．０重量％，Ｎｉ：６．０〜２０．０重量
   ％，Ｍｏ：０．５〜３．０重量％及びＮ：０．００５〜
   ０．３５重量％を含み、残部が実質的にＦｅの組成を持
   ち、＃８０以上の番手で研磨仕上げされた表面をもち、
   水を冷媒とし、ＬｉＢｒを主成分とする吸収液を使用す
   る吸収式冷暖房機器の構造材として使用されるオーステ
   ナイト系ステンレス鋼。
2. 【請求項２】 更にＣｕ：０．５〜３．０重量％を含む
   請求項１記載のオーステナイト系ステンレス鋼。