成果報告書詳細
管理番号20120000000984
タイトル平成21年度~平成23年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 挑戦研究 耐用温度800℃級蒸気タービン用新鍛造材料の開発
公開日2012/9/28
報告書年度2009 - 2011
委託先名国立大学法人東北大学 株式会社日立製作所
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約1.諸言 CO2排出量を削減するため、石炭火力発電所への更なる効率化が求められております。欧州や日本では、超々臨界圧発電(Advanced Ultra Super Critical,A-USC)の技術開発が進められており、蒸気温度が700℃/720℃/720℃のダブル加熱システムの送電端効率は、従来型USC発電(送電端効率:42%)と比較して10%効率が向上することが期待されています。また更に効率を上げるため、主蒸気温度を750℃以上にすることが検討されています。(U.S.ULTRAGEN III) 700℃級A-USCプラント用の候補材として、Alloy617、Alloy263、In740等が欧州で検討されています。日本では、Ni基合金の開発が報告されています。750℃では約100MPaのクリープ破断強度を示す材料がありますが、蒸気タービンロータやボイラー配管の鋳塊製造性や熱間加工性が十分ではありません。このような蒸気タービンロータやボイラー配管などの大型鍛造品は、約1000℃で熱間鍛造によって成形されます。一般的に、1000℃での熱間加工性と750?800℃での高温強度とを両立させることは困難とされており、A-USC高効率化の障害となっております。本研究では、熱力学的な計算を用いてNi基合金の有望成分を決定し、基礎的な高温特性を調査しました。
2.結果 熱力学的な計算を用い、熱間加工性と実用温度(700?800℃)での強度とを両立させるには、Ti、Ta、Nbは添加しないことが望ましいことが分かりました。この概念に基づいて、熱間加工性と実用温度での強度とを両立させた合金Aを開発しました。また、相安定性、クリープ強度、偏析特性を検討し、800℃級蒸気タービン用材料の成分を決定しました。この改良合金Aは、オリジナル合金Aよりも優れたクリープ強度を示します。この改良した合金Aの組成を適用し、ダブルメルト法(VIM-VAR)によって800mmφの鋳塊の製造に成功しました。またこの800mmφVAR鋳塊から、3ton鍛造材の製造に成功しました。この3ton鍛造材のクリープ強度は、USC141の1.5倍、Alloy263の2倍と大幅に向上しました。タービン材としての合金Aのクリープ耐熱温度は、推定780℃となりました。3ton鍛造材から、ボイラー用配管材やタービンブレード型鍛造材を製造しました。また、合金Aよりも更にクリープ耐熱温度が高い合金Bも開発しました。合金BはCo3(Al,W)によってCo基を強化するように設計されています。合金Bの組成を適用し、ダブルメルト法(VIM-VAR)によって450mmφの鋳塊の製造に成功しました。またこの450mmφVAR鋳塊を用い、1ton鍛造材の製造に成功しました。タービン材としての合金Bのクリープ耐熱温度は、推定800℃以上であり、大幅な向上を達成しました。
英文要約Title:Energy Conservation Innovetive Technology Development Project/Challenge Phase/Development of New Wrought Material for over 800°C Class Steam Turbine (FY2009-FY2011) Final Report

1.Introduction: To reduce CO2 emissions, further improvements to coal-fired power generation plants are required. Research and development on Advanced Ultra Super Critical (A-USC) power generation is underway in Europe and Japan. The double-reheat system for steam temperatures of 700°C/720°C/720°C with an electric transmission efficiency of 46% is expected to improve efficiency by 10% compared to conventional USC power plants (electric transmission efficiency of 42%). For further efficiency gains, increasing the main steam temperature to 750°C or higher is being discussed (U.S. ULTRAGEN III). Among the candidate materials for 700°C class A-USC plants, Alloy617, Alloy263, IN740, etc., are being studied in Europe. In Japan, the development of Ni-based alloys has been reported. At 750°C, some alloys exhibit a creep rupture strength of approximately 100 MPa, but ingot manufacturability and hot workability are not sufficient for steam turbine rotors or piping for boilers. Large forgings such as steam turbine rotors or piping are formed by hot forging at approximately 1000°C. However, it is generally difficult to satisfy both hot workability at 1000°C and high temperature strength in the range of 750?800°C, which is a major obstacle to enhancing A-USC efficiency. The purpose of this research is to develop Ni-based alloys which can be used at 750°C or higher, and which have superior large ingot manufacturability and forgeability. In this study, using a thermodynamic calculation, a promising composition for a Ni-based alloy is determined and its fundamental high temperature properties are investigated.
2.Result: Using a thermodynamic calculation, we found that it is desirable not to add Ti, Ta, or Nb in order to achieve a good balance between hot workability and service temperature (700?800℃) strength. Based on this principle, we developed Alloy-A which shows good balance between hot workability and service temperature (700?800℃) strength. Considering the phase stability, creep strength, and segregation properties, Alloy-A displays a promising composition for an 800°C class steam turbine. This alloy exhibits superior creep strength to the original Alloy-A. Using Alloy-A, a 800mm-dia ingot was made using a double melt process (VIM, VAR). A 3-ton forging was made using the 800mm-dia VAR ingot. The creep strength of Alloy-A from the 3-ton forging is 1.5 times higher than that of USC141, and twice that of Alloy263. The extrapolated creep resistant temperature of Alloy-A as a turbine material is estimated to be more than 780°C. A tube for a boiler and a closed-die-forging turbine blade were made using the 3-ton forging.We also developed AlloyB with an even higher creep resistant temperature than Alloy-A. AlloyB is designed as Co3(Al,W) strengthened Co-based alloy. Using Alloy-B, a 450mm-dia ingot was made using a double melt process (VIM, VSR). A 1-ton forging was made using the 450mm-dia VAR ingot. The extrapolated creep resistant temperature of Alloy-B as a turbine material is estimated to be more than 800°C.
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