抄紙機の乾燥機シリンダーにおけるフェライト系-オーステナイト系二相ステンレス鋼の応用上の利点

抄紙機の乾燥シリンダーは製紙の主力です-内部の蒸気を使って湿った紙ウェブ（水分 60-70% から 5-8% まで）を乾燥させる大きな回転ドラムです。しかし、彼らの仕事は過酷です。100 ～ 150 度で動作し、湿った紙や残留化学物質 (パルプ化で生じる硫酸など) と常に接触し、紙ウェブの重量に加えて回転による機械的ストレスに耐えます。何十年もの間、工場はこれらのシリンダーに標準的なオーステナイト系ステンレス鋼 (304 や 316L など) を使用していましたが、早期に故障することがよくありました。304 は 2 ～ 3 年以内に錆びてしまい、316L は耐食性に優れていますが、重い荷重を歪ませることなく扱う強度が不足していました。

そこで、フェライト-オーステナイト二相ステンレス鋼（単に「二相鋼」と呼ばれることも多い）の登場です。この材料は、オーステナイト鋼（316L など）の耐食性とフェライト鋼の高強度という 2 つの長所を組み合わせています。 2205 (乾燥機で最も一般的) や 2304 などのグレードは、現在、抄紙機乾燥機のゴールド スタンダードになりつつあります。-これには十分な理由があります。これらは、従来の鋼材の 2 つの最大の問題点を解決します。それは、湿気が多く化学物質が豊富な環境に耐えることと、10 年以上使用できるほど十分な強度を備えていることです。-この記事では、二相鋼が乾燥機のシリンダーに非常に適している理由を、実際の工場データと実際的な利点とともに詳しく説明します。

最初: 二相ステンレス鋼は何が違うのでしょうか?​

利点について説明する前に、簡単に説明しましょう。二相鋼は単なる 1 種類の金属ではなく、-次の 2 つの微細構造が混在しています。

オーステナイト相 (組織の約 50%): 鋼に優れた耐食性と延性を与えます (曲げても割れません)。

フェライト相 (残りの 50%): 高い引張強度と応力腐食割れ (熱と湿気の下での従来の鋼の一般的な問題) に対する耐性が追加されます。

これを従来の 316L (100% オーステナイト) と比較してください。2205 二相鋼は 2 倍の引張強度 (800 MPa 対 316L では . 485 MPa) を持ち、乾燥機シリンダーを悩ませる「湿潤腐食」に対する耐性が優れています。これは、過酷な乾燥環境に最適な「腐食シールド」と「強度のバックボーン」の両方を備えた素材を備えているようなものです。-

ドライヤーシリンダーにおける二相鋼の主な応用上の利点

二相鋼の利点は理論上のものだけではなく、{0}実際の節約と製紙工場のダウンタイムの削減につながります。工場での経験に裏付けられた 4 つの最大の利点は次のとおりです。

1. 湿潤および化学腐食に対する優れた耐性 (漏れがなくなりました)

乾燥機シリンダーは腐食の悪夢です。

内部の蒸気により常に結露が発生するため、シリンダーの内面は湿った状態に保たれます。

紙パルプからの残留化学物質（硫黄化合物や脂肪酸など）が外面に付着し、湿気と反応して弱酸を形成します。

従来の 316L はしばらくの間は持ちこたえますが、3-4 年後には内面に「孔食」（小さな穴）が発生することがよくあります。これらの穴は漏れに変わり、工場の停止とシリンダーの交換を余儀なくされます。二相鋼 (2205) はこれを阻止します。

その混合微細構造は、湿気や化学物質をブロックする、より高密度で安定した酸化物層 (Cr₂O₃ + MoO₃) を形成します。

テストでは、2205 は模擬乾燥機条件 (120 度、5% 硫酸溶液) で 0.005 mm/年という腐食速度を示しました。これは 316L の 0.05 mm/年よりも 10 倍低い値です。

フィンランドの製紙工場は、2018 年に乾燥機シリンダーを 316L から 2205 に切り替えました。古い 316L シリンダーは 3 年半後に漏れが発生しました。 2205 シリンダーは 6 年経っても漏れがなく、孔食の兆候もありません。{6} 「以前は 3 年ごとに乾燥機の交換を計画していました」と工場のメンテナンスマネージャーは言いました。 「今では、それについて考えさえしません。-ただ機能しているだけです。」

2. 高強度=薄壁と軽量 (エネルギーの節約)

乾燥機シリンダーは重い-従来の 316L シリンダー（長さ 5 メートル、直径 1.5 メートルの乾燥機の場合）の重量は約 2,800 kg です。内部の蒸気圧 (通常 0.5 ～ 1 MPa) と紙ウェブの重量に耐えるために、厚い壁 (15 ～ 20 mm) が必要です。

二相鋼の強度が高いため、工場は安全基準を満たしながら、より薄い壁 (2205 の場合は 10 ～ 12 mm) を使用できます。それが重要な理由は次のとおりです。

軽量化: 同じサイズの 2205 乾燥機シリンダーの重量は約 2,100 kg で、316L より 30% 軽量です。

エネルギー使用量の削減: 乾燥機の駆動モーターは、より軽いシリンダーを回転させるためにそれほど激しく働く必要はありません。フィンランドの工場では、2205 に切り替えた後、乾燥セクションの電力使用量が 4% 減少しました。

より速い熱伝達: 壁が薄いため、蒸気がシリンダーの外面をより速く加熱し、紙の乾燥時間を 2 ～ 3% 短縮します (1 時間あたりに生産される紙の量に換算します)。

米国のティッシュ工場はこれをさらに一歩進め、小型乾燥機シリンダーに 2304 二相鋼（2205 よりも強度がわずかに低く、コスト効率が高いグレード）を使用しました。{{3}壁の厚さを 14 mm から 10 mm に減らし、シリンダーの重量を 25% 削減し、シフトあたりのティッシュ生産量を 3% 増加させました。

3. 耐応力腐食割れ性（突発故障なし）

従来の鋼材の最も恐ろしい問題の 1 つは、応力腐食割れ（SCC）{0}}鋼材に（圧力や重量による）応力がかかり、湿気にさらされたときに形成される小さな亀裂です。 SCC は乾燥機シリンダーの突然の故障を引き起こす可能性があり、これは危険であるだけでなく、数日間生産を停止することになります。

二相鋼のフェライト相により、乾燥条件下でも SCC の影響をほとんど受けません。データは次のとおりです。

130 度 (通常の乾燥機温度)、1 MPa の圧力での 1,000 時間のテストでは、316L は 450 時間後に SCC 亀裂を発生しました。

2205 は 1,000 時間後でも亀裂は見られませんでした。

これは乾燥機を年中無休で稼働させる工場にとって非常に重要です。カナダのパルプ工場では、2020 年に SCC からの 316L 乾燥機シリンダーが故障し、ダウンタイムと修理に 120,000 ドルの費用がかかりました。すべての乾燥機を 2205 に切り替えて以来、SCC の問題は発生していません。

4. 長寿命と低メンテナンス (大幅なコスト削減)

二相鋼の最大の利点はその長寿命です。従来の 316L 乾燥機シリンダーの寿命は 3 ～ 5 年です。 2205 二相鋼の耐久性は 10 ～ 15 年です。 10 個の乾燥シリンダーを備えた工場のコスト削減の内訳を見てみましょう。

コスト要因	316L ステンレス鋼	2205二相ステンレス鋼
ユニットあたりのシリンダーコスト	$15.000​	$22.000 (30% 高い前払い)
交換サイクル	4年ごと	12年ごと
12年間にわたるシリンダーの総コスト	$450,000 (交換品 3 件)	$220,000 (1 交換)
メンテナンス費用 (年間)	$8.000 (漏れの修理、研磨)	$3.000 (最小限の維持費)
12年間の合計コスト	$546.000​	$256.000​

これは、二相鋼の初期費用が高くても、12 年間で 53% のコスト削減になります。-フィンランドの工場は、2205 年に切り替えるための ROI を計算しました。

前払いはさらに 60,000 ドルかかりますが、10 年間で 380,000 ドルを節約できました。

-世界の実例: ドイツ製紙工場の二相鋼の成功

完全な例を見てみましょう。包装紙を製造する中規模のドイツの工場です。- 2019 年以前は、316L 乾燥機シリンダーを使用しており、次のような問題に直面していました。

年間メンテナンス費用は 15,000 ユーロ (漏れの修理と腐食した部品の交換)。

乾燥機の交換は 4 年ごとで、1 セット (12 シリンダー) あたり 180,000 ユーロの費用がかかります。

乾燥機の修理のため、ダウンタイムが頻繁に発生します (年間 2 ～ 3 日)。

2019 年に 2205 二相鋼乾燥機に切り替えました。次のような変更を加えました。

シリンダーの壁厚を 18 mm から 12 mm に減少 (2205 の強度を使用)。

シンプルな表面研磨を追加しました (二相鋼の滑らかな表面により、316L でよくある問題である紙の貼り付きが軽減されます)。

既存の蒸気システムを維持します (アップグレードの必要はありません - 2205 は 316L と同じ圧力を処理します)。

2024 年 (5 年後) までに、結果は明らかでした。

乾燥機の漏れや SCC の問題はゼロです。

メンテナンス費用は年間 4,000 ユーロに下がりました。

乾燥機の生産停止時間は年間 0.5 日に短縮されました。

彼らは、2205 乾燥機はあと 7 ～ 8 年間持続し、2032 年まで 180,000 ユーロの交換費用を回避できると推定しています。

「最初は初期費用を支払うのが大変でした」と工場の運営責任者は語った。 「しかし今では、節約効果と乾燥機に触れることがほとんどなくなったことを考えると、-もう 316L には戻れません。」

乾燥機に適したデュプレックス グレードを選択する方法

すべての二相鋼が同じというわけではありません。-工場は、特定のニーズに基づいてグレードを選択する必要があります。

2205: 過酷な条件 (化学残留物が多く、温度 130 ～ 150 度) の工場に最適です。より高いモリブデン (3%) が含まれており、耐食性がさらに強化されています。

2304: より温和な条件の工場に適しています (化学物質の使用量が少なく、温度が 100 ～ 120 度)。 2205 よりも安く (約 15% 安く)、それでも 316L の 2 倍の強度を提供します。

「低グレード」二相グレードを避ける: コストを節約するために安価な二相グレード（2101 など）を試している工場もありますが、これらは耐食性が低く、多くの場合 5 年以内に故障します。 ASTM A240 認定の 2205 または 2304 を使用してください。

結論

フェライト系-オーステナイト系二相ステンレス鋼は、製紙機の乾燥機シリンダーにとって「優れた」材料であるだけではなく、-工場にとって最大の悩みである腐食、頻繁な交換、ダウンタイムを解決するソリューションでもあります。耐食性、高強度、長寿命の組み合わせにより、メンテナンスの軽減、エネルギー使用量の削減、より安定した生産という実質的な節約が実現します。

コスト削減と信頼性の向上を目指す製紙工場にとって、二相鋼 (特に 2205 と 2304) は賢明な投資です。初期費用は高くなりますが、10-15 年の耐用年数と長期的に 50% 以上のコスト削減を実現できるため、それだけの価値はあります。結局のところ、漏れがなく、ひび割れがなく、数年ごとに交換する必要がない乾燥機シリンダーは単なる部品ではなく、毎日紙を巻き続けるための手段なのです。