平成22年度版 - 新エネルギー・産業技術総合開発機構

Ｐ０５００５
平成２２年度実施方針
エネルギー対策推進部
１．件名：プログラム名
エネルギーイノベーションプログラム
ナノテク・部材イノベーションプログラム
（大項目）
発電プラント用超高純度金属材料の開発
２．根拠法：
独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構法 第１５条第１項第２号
３．背景および目的・目標
近年、省資源・省エネルギー、レアメタルの枯渇への対応、地球環境問題への対応あるいは安心・安全な社
会の構築等を実現する観点から、高温強度、疲労強度等の機械的性質や耐食性、耐応力腐食割れ性等の耐環境
性に優れた新しい金属材料の開発が切望されている。具体的には、発電プラント等では、高温腐食や摩耗ある
いは応力腐食割れに起因する事故が発生しており、材料自体の耐環境特性の向上が望まれている。さらに、よ
り高温、過酷環境で利用できる構造部材が開発されることによる発電プラントの効率向上に伴う省エネルギー
（燃料消費量の低減）、地球環境問題への対応（CO2 削減）や、部材交換頻度の減少等に伴う安全で耐久性の高
い発電プラントの実現、発電コスト軽減等が期待される。
これまでの元素添加と熱処理による現行の金属材料開発手法等では、金属材料の新たな特性を引き出し、飛
躍的に向上させることは限界に近づいている。また、レアメタルの枯渇に対応するために希少金属の代替技術
の開発が重要視されている。そこで、金属の超高純度化により、従来の材料より遙かに優れた特性（耐環境性、
靱性、加工性等）を有することを確認したナノメタル技術プロジェクトでの成果を踏まえ、超高純度金属材料
（超高純度 Fe-Cr 合金等）を産業化することは、我が国の発電、素材産業の発展に大きく貢献すると考えられ
る。
本事業では、現状、材料コストが高い超高純度金属材料をその優れた特性を維持しながら、量産化・低コス
ト化するための各種製造技術を開発するとともに、開発材の産業（発電プラント等）への適用性を明らかにす
ることを目的とし、以下を研究開発目標とする。
[委託事業]
研究開発項目①「超高純度金属材料の低コスト・量産化製造技術の開発」
[最終目標]
（１）現状の市販 CaO ルツボに比較して溶湯の純度を下げず、３倍以上の耐久性（溶解回数１０回以上）の新
規高耐久ルツボを開発する。 （想定コストは１００kg 用１個当たり４０万円）
（２）低コスト原料から C、Si、Mn、P、S、N、O の不純物総量が５０ppm レベル以下の超高純度金属材料を得
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るために必要な溶解量１００kg 級の高真空誘導溶解炉及び精錬技術を開発する。
研究開発項目②「開発材による部品製造技術の開発及び実用性評価」
[最終目標]
（１） 不純物濃度と各種特性の関係を明らかにする。
（２） 新材料による部材の開発と評価
(a)実用化検討部材（プロジェクト期間終了時に実機に適用できる目途をたてるもの）
開発材料を火力発電プラントの煙突ライナー・煙道に適用できる見通しを得るために、以下の目標を達成
すること。
○候補材料系：Fe-20Cr 系超高純度合金
○目標：
・ 現用材である SUS316 の１０倍以上の硫酸露点腐食に対する耐食性
（溶接部を含む）
・ 室温耐力２００MPa 以上
・ 現用材である SUS316 と同程度の薄板加工性及び溶接性の確認
・ 想定コストは１万円/kg 以下（量産時）
(b)中期的開発部材（2015 年頃に実用化が期待できるもの）
開発材料を廃棄物発電プラントの過熱器管に適用できる見通しを得るために、
以下の目標を達成すること。
○候補材料系：Fe-20～30Cr 系超高純度合金又は Fe-Cr-Ni 系高耐食超高純度合金
○目標：
・ 現用材である SUS310 の５倍以上の廃棄物発電環境での耐食性
（溶接部を含む）
・ 室温耐力２００MPa 以上、伸び３０％程度
・ 現用材である SUS310 と同程度のチューブ加工性及び溶接性の確認
・ 想定コストは１万円/kg 以下（量産時）
(c)長期的開発部材（2030 年頃に実用化が期待できるもの）
平成２２年度においては、開発材料を 700℃級先進超々臨界圧火力発電プラントの過熱器管に適用でき
る見通しを得るために、以下の目標を達成すること。
○候補材料系：Fe-Cr-Ni 系超高純度合金
○目標：
・ 実用化段階の目標である 700℃、10 万時間におけるクリープ破断強度 70MPa 以上あること
を見通すため、プロジェクト終了時に得られたクリープ破断データから外挿した 700℃、
10 万時間のクリープ破断強度が 70MPa 以上であること。
・ 現用材である火 SUS304 J1HTB と同程度の加工性と溶接性があること。
・ 既存加工プロセスで製作が可能なこと。
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③超高純度金属材料の特性評価結果、コスト試算結果等から、対象とするシステムのメリットが現用材を用
いたシステムより優れることを確認する。
４．実施内容及び進捗（達成）状況
プロジェクトリーダー：超高純度金属材料技術研究組合 技術部長菅原 彰氏及びサブプロジェクトリー
ダー：三菱重工業株式会社 技術本部 長崎研究所 技監・技師長 納富 啓氏、株式会社日立製作所 日
立研究所 主管研究員 児島 慶享氏、株式会社東芝 電力・社会システム技術開発センター 金属材料開
発部 技術主幹 山田 政之氏の下、以下の研究開発を実施した。
４．１ 平成２１年度（委託）事業内容
研究開発項目①「超高純度金属材料の量産化・低コスト化製造技術の開発」
高純度ルツボ・耐火材については、平成１８年度に開発した URC 技術を用いて、従来の CaO 耐火材の課題
である耐久性の向上の研究開発を実施し、平成１９年度までに表面改質型の耐火材で優れた耐久性を実証し
た。平成２０年度においてはさらに耐久性を高めるため、URC 技術を用いて表面改質ではなく基材自体を改
良することにより更なる耐久性の向上が期待できることを確認した。また、実用段階で必要とされる耐火レ
ンガを用いた大型炉についての見通しをつけるため、開発した耐火材を目地によって接合する試験を実施し
た。
高真空誘導溶解炉を用いて、純 Fe、Fe-20Cr 合金、Fe-20Cr 系合金の溶解試験を実施し、脱酸材（Al）を
添加しない条件で、純 Fe の C,N,S のガス成分濃度が 6ppm 程度、脱酸材を添加した Fe-20Cr 合金の C,N,O,S
濃度は 33ppm 程度という結果を平成１９年度までに達成した。
平成２０年度においてはさらに、
Fe-30Cr-30Ni
系合金の溶解、真空溶解その他の溶解試験を実施し、低コスト・量産化のための精錬技術の知見蓄積を進め
た。平成２１年度においては、実用時に不可欠なサンプリング添加機構について、高真空、高純度に対応し
たシステムの開発を実施し、平成２０年度に導入した迅速分析装置と合わせたトータルシステムとしての妥
当性についての評価を行った。また、真空中での溶解試験を実施し、真空精錬の効果について評価を行うと
ともに、真空精錬時の耐火材のガス放出挙動についての知見を蓄積した。さらに、出発原料として kg 当た
り数百円程度の低価格の鉄を用いた溶解試験を実施し、CaO 耐火材による精錬効果、ガス出しその他の溶解
プロセスによる精錬効果についての評価を行った。
（実施体制：超高純度金属材料技術研究組合、共同研究先 東北大学、再委託 ＪＦＥテクノリサーチ㈱）
研究開発項目②「開発材による部品製造技術の開発及び実用性評価」
平成２１年度において煙突ライナー等を想定した実用化検討部材及び廃棄物発電過熱器管等を想定した
中期的開発部材の実用性評価を継続的に実施した。実用化検討部材については耐食性が現用材の７倍程度で
あることが確認され、さらに、実環境での優位性を確認するための腐食試験を実施中である。
また、中期的開発部材については、平成２０年度の試験で耐食性に問題があることが判明したため２１年
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度においては耐食性向上のため組成を変更して評価試験を実施した。その結果、耐食性の大幅な向上が確認
されたが、一方従来手法の技術では加工できず、新たな加工技術の開発が必要であることが明らかとなった。
超高純度材を実用化する際に必須となる、｢実用上許容できる不純物量の最大値を明かにする｣観点から検
討を進め、18Cr-Fe 合金、実用化検討部材及び中期的開発部材を対象に、不純物元素の添加効果について定
量的に検討した。その結果、シャルピー衝撃値で有意な差が生ずることが確認される一方、その他の特性に
ついては、サンプル数に限りがあること等から明確に差があるとは判定できなかった。
実用化に長期間を要する高温高強度材に関しては、大学共研による基礎研究の結果、現在の高温過熱器管
用材料である SUS347 を遙かに凌駕するクリープ強度を有し、かつ低温靱性、耐応力腐食割れ性等で有望視
される材料特性が確認され、その特性が、溶製後の組織制御プロセスに大きく影響されることが確認された。
（実施体制：超高純度金属材料技術研究組合、共同研究先 東北大学）
４．２ 実績推移
実績額推移（百万円）： 平成１７年度
エネルギー特別会計
平成１８年度
平成１９年度 平成２０年度 平成２１年度
１９９
９２２
４００
３６４
２３８
特許出願件数（件）：
０件
０件
１件
４件
０件
論文発表数（報）：
０件
０件
０件
０件
０件
フォーラム等（件）：
１件
１件
２件
１件
２件
（電原勘定）
５．事業内容
超高純度金属材料研究組合 技術部長 廣田 耕一氏をプロジェクトリーダーとし、さらに九州電力株式
会社 火力発電本部 発電技術開発部 再生可能エネルギーグループ長 村田 憲司氏、九州電力株式会社
技術本部 総合研究所 機械・金属グループ長 主席研究員 金谷 章宏氏をサブプロジェクトリーダーと
して超高純度金属材料技術研究組合の集中研を中心に以下の研究開発を実施する。なお、実施体制について
は、別紙を参照のこと。
５．１ 平成２２年度（委託）事業内容
研究開発項目①「超高純度金属材料の量産化・低コスト化製造技術の開発」
平成２１年度までに実施した研究のフォローアップとして補完的な溶解試験を追加実施するとともに、超高
純度金属の普及及び標準化との連携を図り、認証用標準物質を作製する。
（実施体制：超高純度金属材料技術研究組合、共同研究先 東北大学）
研究開発項目②「開発材による部品製造技術の開発及び実用性評価」
最終目標を達成すべく、平成２１年度に引き続き下記の各研究を実施する。
なお、平成２２年度は、主として長期的開発部材（2030 年頃に実用化が期待できるもの）の材料特性評価を
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中心として実施する。
１）超高純度金属材料の開発
（ア）長期的開発部材の析出相の推定及び析出挙動調査
・高純度材及び市販純度材について、各温度における析出相と平衡析出量を推定する。
・高純度材及び市販純度材について、時間と温度を種々変えた時効熱処理後に析出物調査を行う。
（イ）クリープ強度評価
・母材や溶接継手のクリープ強度評価のため、種々の条件下でのクリープ破断試験を実施する。
・クリープ破断強度や破断延性の差異についての組織的調査を実施する。
２）部材製造技術開発
（ア）溶接性評価
・オーステナイト系ステンレス鋼、インコネル系材料及び長期的開発部材のトランスバレストレイン試験
（溶接中ひずみ付与試験）を行い、他のオーステナイト材との高温割れ感受性の比較評価を行う。
・ＴＩＧ溶接にて、共金継手及びフェライト鋼との異材継を製作し、継手部の組織健全性、硬さ分布等を
調査すると同時に、従来の異材継手（フェライト鋼-ステンレス鋼、フェライト鋼-インコネル）との違
いを評価する。
（実施体制：超高純度金属材料技術研究組合）
５．２ 平成２１年度事業規模
エネルギー特別会計（電源勘定）
９０百万円 （継続）
事業規模については、変動があり得る。
６．その他重要事項
６．１ 評価
ＮＥＤＯは、技術的及び政策的観点から、研究開発の意義、目標達成度、成果の技術的意義及び将来の産
業への波及効果等について、研究開発の事後評価を平成２２年度事業終了後速やかに実施する。
６．２ 情報発信・広報活動
特許出願と学会・プレス発表等の外部広報活動に関して、年間計画を立案する。ＮＥＤＯは、随時、活動
状況の報告を受け、その実行を確認する。
６．３ 運営管理
本プロジェクトの推進方針等については、必要に応じて、ＮＥＤＯに設置する委員会及び技術検討会等、
外部有識者の意見を運営管理に反映させる他、四半期に一回程度プロジェクトリーダー等を通じてプロジェ
クトの進捗について報告を受けること等を行う。
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６．４ 複数年度契約の実施
平成１７年度～平成２２年度の複数年度契約を締結して実施する。
７．実施方針の改訂履歴
（１）平成２２年３月、制定
（２）平成２２年１１月、改訂
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別 紙
発電プラント用超高純度金属材料の開発 実施体制
プロジェクトリーダー
ＮＥＤＯ
指示・協議
超高純度金属材料技術研究組合 技術部長
廣田 耕一氏
サブプロジェクトリーダー
委託
九州電力株式会社 火力発電本部 発電技術開発部
再生可能エネルギーグループ長
村田 憲司氏
[委託先]
九州電力株式会社 技術本部 総合研究所機械・金属グループ長
超高純度金属材料技術研究組合
主席研究員 金谷 章宏氏
超高純度金属材料技術研究組合技術部
（研究計画全体の立案・分室等への指
示、高真空誘導溶解炉及び汎用誘導
溶解炉を用いた溶解試験、実用化に
向けたデータ収集と整理（分室分を
含む））
共同研究
[共同実施先]
東北大学金属材料研究所
[集中研分室]
（認証用標準物質の作製について共同実施）
①三菱重工業株式会社 分室
（開発材による部品製造技術の開発
及び実用性評価）
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