(57)【要約】レール（１）、特に熱間圧延された車道用レールまたは鉄道用レール（１）の頭部のエッジ領域において、冷却中の熱処理によって圧延熱から微細層のパーライト組織を得るため、しかもその際にベイナイトが生じないようにするため、本発明によれば、７５０℃−８５０℃のコア温度へ予冷却（１２）した後に、より強く冷却したエッジ領域を少なくともコア温度へ加熱し、その後仕上げ冷却する。
2005504174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール（１）、特に異なる寸法の異形部分を備える熱間圧延された車道用レールまたは鉄道用レールの熱処理方法であって、異形領域の異形部分、特にレール頭部（２）の異形部分の所定の熱処理および冷却によって圧延熱からレール（１）に高強度の所望の組織を与えるようにした前記熱処理方法において、
ａ）レール（１）を圧延熱から７５０℃−８５０℃のレール頭部（２）のコア温度へ予め冷却する所定の予冷却工程と、
ｂ）レール頭部（２）のエッジゾーン（５）を少なくともコア温度へ加熱する加熱工程と、
ｃ）レール頭部（２）のコアゾーン（６）に対し可能な限り短いｔ８／５時間（等温変態線図において８００℃ないし５００℃の冷却時間）が達成される程度の熱流密度をもったレール（１）を仕上げ冷却する仕上げ冷却工程と、
を含むことを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
エッジゾーン（５）をベイナイト始動温度で冷却せずに所望の微細層のパーライト組織が生じるような速さでレール頭部（２）全体を変質ゾーンによって冷却させることを特徴とする、請求項１に記載の熱処理方法。
【請求項３】
レール（１）の予冷却をレール横断面サイズに応じて空気を用いて自然対流冷却により行い、または、ベンチレータ或いはノズルにより水・空気混合物を用いて強制的に行う（エアゾール冷却）ことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱処理方法。
【請求項４】
予冷却の冷却工程を実施している間に、表面温度を、有利にはレール頭部の中心部の表面温度を、無接触で、たとえば高温計を用いて測定することを特徴とする、請求項３に記載の熱処理方法。
【請求項５】
予冷却中の温度測定に加えて、表面温度を、有利にはレール頭部の中心部の表面温度を、加熱中および仕上げ冷却中にも測定することを特徴とする、請求項４に記載の熱処理方法。
【請求項６】
測定した温度値を、測定・制御装置（１５）を用いて、個々の工程に対するレール（１）の熱処理全体の時間的変化および強度を制御するために使用することを特徴とする、請求項４または５に記載の熱処理方法。
【請求項７】
レール（１）、特に異なる寸法の異形部分を備えた熱間圧延される車道用レールまたは鉄道用レールの熱処理方法であって、異形領域の異形部分、特にレール頭部（２）の異形部分の所定の熱処理および冷却によって圧延熱からレール（１）に高強度の所望の組織を与えるようにした請求項１から６までのいずれか一つに記載の熱処理方法を実施するための設備（１０）において、
ａ）レール（１）を圧延熱から７５０℃−８５０℃のレール頭部（２）のコア温度へ適宜冷却するための予冷却装置（１２）と、
ｂ）仕上げ冷却装置（１４）のすぐ上流側に配置される加熱装置（１３）、たとえばレール（１）が通過する１個または複数個の誘導コイルと、
ｃ）レール頭部（２）のコアゾーン（６）に対し可能な限り短いｔ８／５時間（等温変態線図において８００℃ないし５００℃の冷却時間）が達成される程度の熱流密度をもつようにレール（１）を冷却する前記仕上げ冷却装置（１４）、たとえば水冷区間と、
を有する設備。
【請求項８】
予冷却装置（１２）および仕上げ冷却装置（１４）と加熱装置（１３）とがそれぞれ、熱処理全体の個々の工程を実施している間にレール頭部（２）の温度値が入力される測定・制御装置（１５）と接続され、該測定・制御装置（１５）により制御、調整されることを特徴とする、請求項７に記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レール、特に異なる寸法の異形部分を備える熱間圧延された車道用レールまたは鉄道用レールの熱処理方法であって、異形領域の異形部分、特にレール頭部の異形部分の所定の熱処理および冷却によって圧延熱からレールに高強度の所望の組織を与えるようにした前記熱処理方法およびこの方法を実施するための設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レールを冷却ベッド上で圧延熱から８０゜以下の温度まで冷却することは知られている。レールには種々の異形部分があり、寸法構成が非対称であるので、レールの頭部と足部との間には異なった冷却挙動が生じる。足部は頭部よりも急速に冷え、その結果冷却時にレールが湾曲する。まだ熱い状態にあるレールを前もって湾曲させることにより、或いは、頭部と足部とで冷却プロセスを異ならせることにより、この湾曲を防止することができる。しかしながら、前もって湾曲させることにより、或いは、異なった冷却プロセスにより、レールに残留応力が発生し、レールの機械的特性、よって寿命に悪影響を及ぼす。
【０００３】
このため、レールの足部と頭部とを均一に冷却することが保証されるように、特許文献１では、頭部が下方へ垂れ下がった状態でレールを冷却ベッドを介して搬送することが提案され、さらに特許文献２では、下方へ垂れ下がっているレール頭部の全体または一部を、水で充填した容器の中に浸漬させ、その際同時に押圧ねじを用いて強固な対向支持部に対して押圧させることが提案されている。
【０００４】
冷却の際に生じる組織変質については特許文献３に記載されている。この文献で提案される構成によれば、圧延材を高々１１００℃の平均温度で、しかし少なくとも７５０℃の温度で直線状に方向を調整し、次に横方向に持ち来たし、第１の冷却工程において、同じ局所冷却強度でＡｒ以上の８６０℃と１２０℃の間の温度に冷却し、その後第２の冷却工程において、横断面にて広範囲に異なっている同じ冷却強度で且つ表面積に対する体積成分に応じて圧延材から長手方向において熱を引き出してマルテンサイトを含まない微細層の構造へ組織変質させ、次に仕上げ工程で再び同じ局所冷却強度で室温になるまで冷却を続行する。
【０００５】
特許文献４から知られている方法では、再加熱による中間工程によって冷却を中断させて、まず圧延熱からレールを冷却することにより横断面全体に変質を生じさせ、次にレール頭部を特に誘導加熱により再度オーステナイト化し、引き続きさらに冷却する。結果的には微細層のパーライト組織が得られるが、ベイナイトやマルテンサイトのような望ましくない成分が組織内に形成される恐れがある。
【０００６】
これを避けるために、特許文献５では、種々の合金成分を点火する以外に、方法的には、レール頭部をまず通過時に５０ｍｍ以下の十分な深さでバーナーを用いて、或いは誘導的に９５０℃ないし１０５０℃の温度へ加熱し、次に圧縮空気によりレール頭部を第１の冷却段階において１０秒ないし２０秒以内で６５０℃ないし６００℃のパーライト変質範囲前の温度に冷却し、第２の冷却段階において、第１の冷却段階に比べて空気量を絞って２分ないし４分の時間内でパーライト変質終了までにほぼ４００℃に冷却させて微細層のパーライト組織を形成させる。引き続き、レール頭部を４分ないし６分の時間で新たに６００℃ないし６５０℃の温度へ加熱し、その後急速に１００℃以下へ冷却する。
【０００７】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許公開第４２３７９９１Ａ１号公報
【特許文献２】
米国特許第４６８７８８号公報
【特許文献３】
欧州特許第０６９３５６２Ｂ１号公報
【特許文献４】
ドイツ連邦共和国特許第３００６６９５号公報
【特許文献５】
欧州特許第０１８７９０４Ｂ１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、上記従来の技術から出発して、特にレール頭部の冷却中に所定の熱処理を可能にさせ、特定の硬度レベルを特徴とし、よって高い耐磨耗性を特徴とする微細層のパーライトを有する組織を簡単な手段により発生させ、冷却中に特にレール頭部のエッジゾーンにベイナイトが生じないような方法および設備を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、前記種類のレールの場合、方法によれば、以下の工程を連続的に設けることを特徴とする請求項１の構成により解決される。
ａ）レールを圧延熱から７５０℃−８５０℃のレール頭部のコア温度へ予め冷却する所定の予冷却工程。
ｂ）レール頭部のエッジゾーンを少なくともコア温度へ加熱する加熱工程。
ｃ）レール頭部のコアゾーンに対し可能な限り短いｔ８／５時間（等温変態線図において８００℃ないし５００℃の冷却時間）が達成される程度の熱流密度をもったレールを仕上げ冷却する仕上げ冷却工程。
【００１０】
本発明に従って実施されるこれら工程は、まず所定の冷却を行ない、引き続き再加熱を行い、再加熱によって、冷却したエッジゾーンを少なくとも再びコア温度へ加熱するものであるが、直接に接続している冷却区間において、エッジゾーンをベイナイト硬化温度以下に冷却することなく、レールに対し高い熱流密度を発生させることができる。しかも同時に、コアゾーンに対しては可能な限り短いｔ８／５時間が達成されるよう保証される。これが意味するところは、特に、所望の微細層のパーライト組織が生じるような高速度でレール頭部全体が変質ゾーンへ冷却されるということである。
【００１１】
したがって、中間時点でのエッジゾーンの過冷却と、エッジゾーンにおける早期の変質とが阻止され、ベイナイトの発生が回避される。同時に、最終的な冷却区間に進入する前のレール頭部の温度プロフィールが均一化されるので、レール頭部のコアゾーンもエッジゾーンと同様に微細層のパーライト組織に変質する。
【００１２】
本発明による方法を適用しなければ、冷却区間は熱流密度が著しく低い状態で作動し、或いは、レール頭部のエッジゾーンでのベイナイトの形成を回避させるために設定されるべき熱伝導率がほぼ３０％ないし４０％低くなる。これによりコア領域に対してはｔ８／５時間がかなり長くなり、パーライト組織内での層間隔が大きくなり、よって硬度が小さくなる。
【００１３】
レール頭部を予め７５０℃ないし８５０℃のコア温度へ冷却する工程は、本発明によれば、自然対流により、或いは強制的にベンチレータを用いて空気で冷却することにより行なう。他方、ノズルを用いて水・空気混合物により冷却してもよい（エアゾール冷却）。この場合には、この冷却を、適当な数量の横置きスペースを備えた横搬送機上で行うのが有利である。
【００１４】
冷却工程を実施している間に、表面温度を、たとえばレール頭部中心部における表面温度を高温計を用いて無接触に測定する。ここで検出したエッジゾーン温度は、冷却の種類および強度に応じて、まだ存在しているコア温度以下のほぼ３０℃ないし６０℃である。
【００１５】
本発明による方法の有利な構成によれば、レール頭部の温度測定は熱処理を行なっている間中行い、すなわち予冷却装置に進入した時点から仕上げ冷却装置を離れるまでの間行なう。測定した値は測定・制御装置に蓄積し、仕上げ冷却の上流側で行なう加熱工程をも含めて、実施する個々の工程を制御するために使用する。
【００１６】
本発明による方法を実施するための設備は、以下の設備構成要素を設けたことを特徴としている。すなわち
ａ）レールを圧延熱から７５０℃−８５０℃のレール頭部のコア温度へ適宜冷却するための予冷却装置。
ｂ）仕上げ冷却装置のすぐ上流側に配置される加熱装置、たとえばレールが通過する１個または複数個の誘導コイル。
ｃ）レール頭部のコアゾーンに対し可能な限り短いｔ８／５時間（等温変態線図において８００℃ないし５００℃の冷却時間）が達成される程度の熱流密度をもつようにレールを冷却する前記仕上げ冷却装置、たとえば水冷区間。
【００１７】
本発明による設備の有利な構成によれば、予冷却装置は予冷却と仕上げ冷却とのために、そして加温または加熱装置は中間加熱のために測定・制御装置と接続し、測定・制御装置には温度測定値、特にレール頭部の温度測定値が入力されると共に、測定・制御装置は熱処理全体を適宜制御して、所望の温度または冷却条件および加熱条件が設定および維持されるようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１にはレール１の横断面が図示されている。レール１は異なる寸法の異形部分から成っており、すなわちエッジゾーン５およびコアゾーン６とを備えたレール頭部２と、中央部分３と、レール足部４とから成っている。図１ではレール頭部２のエッジゾーン５を線影で示した。エッジゾーン５は、初期の所定の熱処理によって微細層のパーライト組織に変質させるべき領域であり、しかも熱処理の際にこのエッジゾーンまたはこの領域５にベイナイトが生じないように変質させるべき領域である。
【００１９】
図２は、本発明に従って熱処理を実施するための熱処理設備１０の概略図である。この熱処理設備１０は、圧延ラインｘ−ｘ上において最後の圧延機１１の後方に直列に配置される、予冷却装置１２と、有利には誘導性の加熱装置１３と、仕上げ冷却装置１４とから成っている。レール１は圧延機１１から出た後これらの装置を順次通過する。熱処理の制御は、冷却または加熱の強度と、個々の装置１２，１３，１４を通過する通過速度とを含んでおり、測定・制御装置１５によりその都度測定した温度に依存して行う。測定・制御装置１５は、温度測定値および制御信号のための適当なケーブル１６，１７，１８を介してそれぞれの装置１２，１３，１４と接続されている。
【００２０】
図示した熱処理設備の実施形態は、順次行なわれる本発明による方法ステップが内容的に完全に維持される限りは、レールの種類およびサイズ、選定した予冷却および仕上げ冷却の種類、測定・制御装置の規模に応じて広範囲に変形できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】レールの横断面図である。
【図２】熱処理設備の工程図である。
【符号の説明】
【００２２】
１                  レール
２                  レール頭部
３                  レール中央部分
４                  レール足部
５                  エッジゾーン
６                  コアゾーン
１０                熱処理設備
１１                圧延機
１２                予冷却装置
１３                加熱装置
１４                仕上げ冷却装置
１５                制御装置
１６                ケーブル
１７                ケーブル
１８                ケーブル
【国際公開パンフレット】
2005504174.tif 000003
2005504174.tif 000004
2005504174.tif 000005
2005504174.tif 000006
2005504174.tif 000007
2005504174.tif 000008
2005504174.tif 000009
2005504174.tif 000010
2005504174.tif 000011
2005504174.tif 000012
2005504174.tif 000013
2005504174.tif 000014
2005504174.tif 000015
2005504174.tif 000016
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005504174.tif 000017
2005504174.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月25日(2003.11.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レール（１）、特に異なる寸法の異形部分を備える熱間圧延された車道用レールまたは鉄道用レールの熱処理方法であって、異形領域の異形部分、特にレール頭部（２）の異形部分の所定の熱処理および冷却によって圧延熱からレール（１）に高強度の所望の組織を与えるようにした前記熱処理方法において、
ａ）中間時点でのエッジゾーンの過冷却とエッジゾーンにおける早期の変質とが阻止されるようにレール（１）を圧延熱から７５０℃−８５０℃のレール頭部（２）のコア温度へ予め冷却する所定の予冷却工程と、
ｂ）レール頭部（２）のエッジゾーン（５）を少なくともコア温度へ加熱する加熱工程と、
ｃ）レール頭部（２）のコアゾーン（６）に対し可能な限り短いｔ８／５時間（等温変態線図において８００℃ないし５００℃の冷却時間）が達成される程度の熱流密度をもったレール（１）を仕上げ冷却する仕上げ冷却工程と、
を含むことを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】
エッジゾーン（５）をベイナイト始動温度で冷却せずに所望の微細層のパーライト組織が生じるような速さでレール頭部（２）全体を変質ゾーンによって冷却させることを特徴とする、請求項１に記載の熱処理方法。
【請求項３】
レール（１）の予冷却をレール横断面サイズに応じて空気を用いて自然対流冷却により行い、または、ベンチレータ或いはノズルにより水・空気混合物を用いて強制的に行う（エアゾール冷却）ことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱処理方法。
【請求項４】
予冷却の冷却工程を実施している間に、表面温度を、有利にはレール頭部の中心部の表面温度を、無接触で、たとえば高温計を用いて測定することを特徴とする、請求項３に記載の熱処理方法。
【請求項５】
予冷却中の温度測定に加えて、表面温度を、有利にはレール頭部の中心部の表面温度を、加熱中および仕上げ冷却中にも測定することを特徴とする、請求項４に記載の熱処理方法。
【請求項６】
測定した温度値を、測定・制御装置（１５）を用いて、個々の工程に対するレール（１）の熱処理全体の時間的変化および強度を制御するために使用することを特徴とする、請求項４または５に記載の熱処理方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は、レール、特に異なる寸法の異形部分を備える熱間圧延された車道用レールまたは鉄道用レールの熱処理方法であって、異形領域の異形部分、特にレール頭部の異形部分の所定の熱処理および冷却によって圧延熱からレールに高強度の所望の組織を与えるようにした前記熱処理方法に関するものである。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
レールを冷却ベッド上で圧延熱から８０゜以下の温度まで冷却することは知られている。レールには種々の異形部分があり、寸法構成が非対称であるので、レールの頭部と足部との間には異なった冷却挙動が生じる。足部は頭部よりも急速に冷え、その結果冷却時にレールが湾曲する。まだ熱い状態にあるレールを前もって湾曲させることにより、或いは、頭部と足部とで冷却プロセスを異ならせることにより、この湾曲を防止することができる。しかしながら、前もって湾曲させることにより、或いは、異なった冷却プロセスにより、レールに残留応力が発生し、レールの機械的特性、よって寿命に悪影響を及ぼす。
特許文献６からは、レールを圧延熱からＡｒ３温度へ、或いはそれ以下へ冷却し、その後９５０℃以下のＡＣ３変質温度の温度範囲へ加熱し、続いて再び冷却することが知られるようになった。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
このため、レールの足部と頭部とを均一に冷却することが保証されるように、特許文献１では、頭部が下方へ垂れ下がった状態でレールを冷却ベッドを介して搬送することが提案され、さらに特許文献２では、下方へ垂れ下がっているレール頭部の全体または一部を、水で充填した容器の中に浸漬させ、その際同時に押圧ねじを用いて強固な対向支持部に対して押圧させることが提案されている。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
冷却の際に生じる組織変質については特許文献３に記載されている。この文献で提案される構成によれば、圧延材を高々１１００℃の平均温度で、しかし少なくとも７５０℃の温度で直線状に方向を調整し、次に横方向に持ち来たし、第１の冷却工程において、同じ局所冷却強度でＡｒ以上の８６０℃と１２０℃の間の温度に冷却し、その後第２の冷却工程において、横断面にて広範囲に異なっている同じ冷却強度で且つ表面積に対する体積成分に応じて圧延材から長手方向において熱を引き出してマルテンサイトを含まない微細層の構造へ組織変質させ、次に仕上げ工程で再び同じ局所冷却強度で室温になるまで冷却を続行する。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
【特許文献１】
ドイツ連邦共和国特許公開第４２３７９９１Ａ１号公報
【特許文献２】
米国特許第４６８７８８号公報
【特許文献３】
欧州特許第０６９３５６２Ｂ１号公報
【特許文献４】
ドイツ連邦共和国特許第３００６６９５号公報
【特許文献５】
欧州特許第０１８７９０４Ｂ１号公報
【特許文献６】
米国特許第４９３３０２４号公報


【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の課題は、上記従来の技術から出発して、特にレール頭部の冷却中に所定の熱処理を可能にさせ、特定の硬度レベルを特徴とし、よって高い耐磨耗性を特徴とする微細層のパーライトを有する組織を簡単な手段により発生させ、冷却中に特にレール頭部のエッジゾーンにベイナイトが生じないような方法を提供することである。


【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
この課題は、前記種類のレールの場合、以下の工程を連続的に設けることを特徴とする請求項１の構成により解決される。
ａ）中間時点でのエッジゾーンの過冷却とエッジゾーンにおける早期の変質とが阻止されるようにレールを圧延熱から７５０℃−８５０℃のレール頭部のコア温度へ予め冷却する所定の予冷却工程。
ｂ）レール頭部のエッジゾーンを少なくともコア温度へ加熱する加熱工程。
ｃ）レール頭部のコアゾーンに対し可能な限り短いｔ８／５時間（等温変態線図において８００℃ないし５００℃の冷却時間）が達成される程度の熱流密度をもったレールを仕上げ冷却する仕上げ冷却工程。


【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明に従って実施されるこれら工程は、まず所定の冷却を行ない、引き続き再加熱を行い、再加熱によって、冷却したエッジゾーンを少なくとも再びコア温度へ加熱するものであるが、直接に接続している冷却区間において、エッジゾーンをベイナイト硬化温度以下に冷却することなく、レールに対し高い熱流密度を発生させることができる。しかも同時に、コアゾーンに対しては可能な限り短いｔ８／５時間が達成されるよう保証される。これが意味するところは、特に、所望の微細層のパーライト組織が生じるような高速度でレール頭部全体が変質ゾーンへ冷却されるということである。


【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2005504174.tif 000019
2005504174.tif 000020
2005504174.tif 000021
2005504174.tif 000022
2005504174.tif 000023
2005504174.tif 000024
2005504174.tif 000025
2005504174.tif 000026