(57)【要約】【課題】内部を含むレール頭部の全体を高硬度化すること。【解決手段】製造装置２は、レール１頭部１１の頭頂面１１１、頭側面１１２、顎下面１１３、およびレール１足部１２の足裏面１２１のそれぞれに冷却媒体を噴射する頭頂冷却ヘッダ２１、頭側冷却ヘッダ２２、顎下冷却ヘッダ２３、および足裏冷却ヘッダ２４を備え、オーステナイト域温度以上で熱間圧延され、あるいは、オーステナイト域温度以上に加熱された高温のレール１の少なくとも頭部１１の強制冷却を行う。これにより、内部を含むレール１頭部１１の全体を高硬度化することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト域温度以上で熱間圧延され、あるいは、オーステナイト域温度以上に加熱された高温のレールの少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造装置であって、
レール頭部の頭頂面、頭側面、顎下面、およびレール足部の足裏面のそれぞれに冷却媒体を噴射する頭頂冷却ヘッダ、頭側冷却ヘッダ、顎下冷却ヘッダ、および足裏冷却ヘッダを備えることを特徴とするレールの製造装置。
【請求項２】
前記顎下冷却ヘッダ、前記頭頂冷却ヘッダ、前記頭側冷却ヘッダ、および前記足裏冷却ヘッダは、互いに分離され隙間を有して配置されることを特徴とする請求項１に記載のレールの製造装置。
【請求項３】
前記顎下冷却ヘッダの冷却媒体の噴射口であるノズルは、レール頭部の頭側面よりレール幅方向の内側に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載のレールの製造装置。
【請求項４】
前記顎下冷却ヘッダが、レール頭部の顎下面およびレール腹部の腹部表面に冷却媒体を噴射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のレールの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、オーステナイト域温度以上の高温のレールの少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、鉄道用等のレールの製造過程では、鋼素材を加熱し、オーステナイト域温度以上で所定の形状に熱間圧延した後、あるいは、オーステナイト域温度以上に再加熱した後に、レール頭部に要求される硬度等の所望の品質を確保するための強制冷却が行われる。強制冷却（熱処理）は、温度履歴をコントロールしながらレールに冷却媒体（空気、水、ミスト等）を噴射することで行われ、レール頭部を微細なパーライト組織とし、耐摩耗性や靭性を向上させた高硬度のレールとすることができる。例えば石炭等の天然資源採掘場等における鉄道輸送のように、積載重量が客車等と比べて重く過酷なレールの使用環境下では、レールの摩耗が激しく、レールの使用寿命が短く、レールの頭部の中心部（内部）が摩耗するまで使用されることから、内部を含むレール頭部の耐摩耗性および靭性の向上が特に求められている。
【０００３】
ここで、レール頭部を安定したパーライト組織とするためには、強制冷却時の冷却速度を適当に速くする必要がある。しかしながら、レール頭部の内部は、表面（頭頂面や頭側面）が温度低下した後に熱伝導によって冷却されるため、表面との距離が長い内部の冷却速度を上昇させることは困難であった。そこで、内部の冷却速度を上昇させるために表面の冷却速度を上昇させると、レール頭部の表面に過冷却部が発生し、この過冷却部が均一なパーライト組織とならずにマルテンサイト変態したりベイナイト変態したりする場合があった。ここで、ベイナイトは耐摩耗性が低く、マルテンサイトは靭性が低い。そのため、高い耐摩耗性と高い靭性とを同時に達成するためには、特にレール頭部の表面に対してはパーライト変態前には緩冷却でレール頭部のベイナイト変態やマルテンサイト変態を防止して、レール頭部の全体を安定的にパーライト組織とすることが必要となる。
【０００４】
通常、レールの強制冷却は、レールの頭部を上に足部を下にしてレールを正立させた状態で、頭部表面と足裏面との両側から行われる。すなわち、前述したように、レール頭部の品質を確保するために頭部の冷却が行われ、頭部と足部との温度差に起因して発生する熱応力によるレールの上下方向の反りを防止するために足部の冷却が行われる。その場合に、さらに、頭部および足部と腹部との温度差に起因して発生する熱応力を低減して曲がりや残留応力の増加を抑制するための技術が知られている。例えば、特許文献１には、頭部表面、足裏面に加え、腹部表面を冷却する技術が開示されている。また、特許文献２には、頭側面を冷却する頭側冷却ヘッダからの空気（冷却媒体）が、顎下面から腹部表面および足部に向けて流れるように、ガイドを設けて各部を冷却する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１０５５３８号公報
【特許文献２】特開平８−２９５９３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、腹部表面を冷却する腹部冷却ヘッダは、ノズル直下に対する冷却能率は高いものの、屈折した部位に対する冷却能率は低いため、顎下面の冷却ができず、頭部の内部の冷却速度を上昇させる効果は小さい。また、特許文献２に記載の技術では、頭側冷却ヘッダは、ノズル直下にあたる頭側面に対する冷却能率は高いものの、顎下面や腹部表面に対しては冷却媒体による間接的な冷却に過ぎず、冷却能率は低い。加えて特許文献２に記載の技術では、顎下面および腹部表面の輻射によりガイドが加熱されるため、レールを保温する効果が生じて顎下面および腹部表面の冷却能率が低下し、レール頭部の内部の冷却速度が上昇せず硬度が低下する。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内部を含むレール頭部の全体を高硬度化することが可能なレールの製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るレールの製造装置は、オーステナイト域温度以上で熱間圧延され、あるいは、オーステナイト域温度以上に加熱された高温のレールの少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造装置であって、レール頭部の頭頂面、頭側面、顎下面、およびレール足部の足裏面のそれぞれに冷却媒体を噴射する頭頂冷却ヘッダ、頭側冷却ヘッダ、顎下冷却ヘッダ、および足裏冷却ヘッダを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るレールの製造装置は、上記発明において、前記顎下冷却ヘッダ、前記頭頂冷却ヘッダ、前記頭側冷却ヘッダ、および前記足裏冷却ヘッダは、互いに分離され隙間を有して配置されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係るレールの製造装置は、上記発明において、前記顎下冷却ヘッダの冷却媒体の噴射口であるノズルは、レール頭部の頭側面よりレール幅方向の内側に配置されることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係るレールの製造装置は、上記発明において、前記顎下冷却ヘッダが、レール頭部の顎下面およびレール腹部の腹部表面に冷却媒体を噴射することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内部を含むレール頭部の全体を高硬度化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の一実施形態の製造装置の要部構成を示す模式図である。
【図２】図２は、本実施の形態の製造装置によるレールの強制冷却部位を説明するための説明図である。
【図３】図３は、他の実施の形態の製造装置の要部構成を示す模式図である。
【図４】図４は、他の実施の形態の製造装置の要部構成を示す模式図である。
【図５】図５は、比較例１に使用される製造装置の要部構成を示す模式図である。
【図６】図６は、比較例２に使用される製造装置の要部構成を示す模式図である。
【図７】図７は、比較例３に使用される製造装置の要部構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。
【００１５】
図１は、本実施の形態のレール１の製造装置２の要部構成例を示す模式図であり、図２は、製造装置２によるレール１の強制冷却部位を説明する図である。図１に示すように、レール１の製造装置２は、製品断面形状のレール１を所望の硬度などの要求される品質に応じた所定の冷却条件で強制冷却（以下、単に「冷却」ともいう。）するためのものであり、製造ライン内に搬送装置などで形成されるレール１の搬送経路に沿って加熱炉や圧延機などとともに設置される。製造装置２には、圧延機においてオーステナイト域温度以上で熱間圧延され、あるいは、加熱炉でオーステナイト域温度以上に加熱された高温のレール１が処理位置まで搬入される。製造装置２は、搬入されたレール１の頭部１１および足部１２を強制冷却する。
【００１６】
なお、レール１は、例えば１００ｍ程度の圧延長のまま製造装置２に搬入されて冷却される場合もあれば、１本当たりの長さが例えば２５ｍ程度の長さに切断（鋸断）された後に製造装置２に搬入されて冷却される場合もある。鋸断されたレール１を冷却対象とする製造装置２として、鋸断後の長さに応じて冷却ゾーンが分割されたものもある。
【００１７】
この製造装置２は、レール１の頭部１１を冷却するための頭頂冷却ヘッダ２１、頭側冷却ヘッダ２２、および顎下冷却ヘッダ２３と、レール１の足部１２を冷却するための足裏冷却ヘッダ２４とを備える。
【００１８】
これらの頭頂冷却ヘッダ２１、頭側冷却ヘッダ２２、顎下冷却ヘッダ２３、および足裏冷却ヘッダ２４（以下、これらを包括して適宜「冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４」という。）は、それぞれ配管を介して冷却媒体源と接続され、不図示の複数のノズル（噴射口）から冷却媒体（空気、スプレー水、ミストなど）を噴射する。具体的には、頭頂冷却ヘッダ２１のノズルは、処理位置のレール１の頭部１１上方にレール１の長手方向に沿って配置され、図２に示す頭部１１の頭頂面１１１に向けて冷却媒体を噴射する（図１の矢印Ａ１１）。また、頭側冷却ヘッダ２２のノズルは、処理位置のレール１の両側方にレール１の長手方向に沿って配置され、図２に示す頭部１１の頭側面１１２に向けて冷却媒体を噴射する（図１の矢印Ａ１２）。また、顎下冷却ヘッダ２３のノズルは、処理位置のレール１の両側方にレール１の長手方向に沿って配置され、図２に示す頭部１１の顎下面１１３に向けて冷却媒体を噴射する（図１の矢印Ａ１３）。また、足裏冷却ヘッダ２４のノズルは、処理位置のレール１の下方にレール１の長手方向に沿って配置され、図２に示す足部１２の足裏面１２１に向けて冷却媒体を噴射する（図１の矢印Ａ１４）。
【００１９】
これらの冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４の各々は、冷却媒体の吐出量や吐出圧、温度、水分量の調整が可能に構成されている。これらの冷却媒体の吐出量や吐出圧、温度、水分量の調整は、頭部１１表面および足部１２裏面の冷却速度を制御するためのものであり、例えば、冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４は、冷却媒体として空気やスプレー水を用いる構成の場合には、冷却媒体の吐出量、吐出圧、および温度のうちの少なくともいずれか１つの調整が可能に構成されていればよい。また、冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４は、冷却媒体としてミストを用いる構成の場合には、吐出量、吐出圧、温度、および水分量のうちの少なくともいずれか１つの調整が可能に構成されていればよい。
【００２０】
なお、これらの冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４の各々は互いに分離され、各ヘッダ間の隙間に冷却媒体の排出口が設けられている。これにより、各冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４において冷却媒体が滞留して冷却能率が低下することを防止している。
【００２１】
また、顎下冷却ヘッダ２３のノズルは、レール１頭部１１の頭側面１１２よりレール１の幅方向の内側になるように配置される。これは、顎下冷却ヘッダ２３のノズルがレール１頭部１１の頭側面１１２よりレール１の幅方向の外側に配置された場合、頭側冷却ヘッダ２２から噴射された冷却媒体が頭側面１１２に衝突した後に足部１２の方向に流れ、顎下冷却ヘッダ２３から噴射された冷却媒体の勢いを阻害するためである。
【００２２】
また、製造装置２は、処理位置のレール１の足部１２の両側方において互いに対向する位置に、１対のクランプ２５を備える。このクランプ２５は、処理位置のレール１の足部１２を両側で挟持し、冷却中にレール１が上下方向に移動しないようにその変位を拘束するものであり、処理位置のレール１の長手方向に沿って適所に複数組配置される。例えば、クランプ２５は、処理位置のレール１の長手方向に沿って概ね５ｍ間隔で設置される。
【００２３】
また、製造装置２は、レール１の頭部１１上方に設けられ、頭部１１の表面温度（例えば、頭頂面１１１内の１箇所）を測定する頭部温度計２６１と、レール１の足部１２下方に設けられ、足部１２の表面温度（例えば、足裏面１２１内の１箇所）を測定する足部温度計２６２とを備える。これら頭部温度計２６１および足部温度計２６２は、不図示の制御部と接続されており、随時測定値を制御部に出力する。
【００２４】
レール１の頭部１１を表面だけでなく内部（中心部）まで高い耐摩耗性および高い靭性を有する高硬度とするためには、頭部１１の全体をパーライト変態させることが重要である。そのために、制御部は、強制冷却を開始してから終了するまでの強制冷却の過程において、少なくとも頭部１１表層の変態中における頭部１１の表面温度を保温または昇温させるように頭部１１表面の冷却速度または昇温速度（冷却能率）を制御する。本実施の形態では、制御部は、冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４からの冷却媒体の噴射を制御することにより頭部１１表面の冷却速度または昇温速度を制御する。ここで、冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４の各々のノズルからの冷却媒体の噴射開始のタイミングは、同時にしてもよいし、必要に応じて互いにずらしてもよい。
【００２５】
なお、レール１の腹部１３が高温の場合、熱伝導により頭部１１内部の冷却速度が降下するため、頭部１１の顎下面１１３に併せて腹部１３を冷却することが好ましい。そこで、製造装置２は、図３に例示するように、レール１の腹部１３を冷却するための腹部冷却ヘッダ２７をさらに備えた構成としてもよい。あるいは、図４に例示するように、顎下冷却ヘッダ２３がレール１の腹部１３を冷却するように構成してもよい。この場合、腹部冷却ヘッダ２７あるいは顎下冷却ヘッダ２３のノズルが、腹部１３の腹部表面１３１に向けて冷却媒体を噴射する（図３、図４の矢印Ａ１５）。
【００２６】
以上のように構成された本実施の形態の製造装置２によれば、顎下冷却ヘッダ２３が顎下面１１３を冷却するので、レール１頭部１１の内部の冷却速度を上昇させることができる。これにより、内部を含むレール１頭部１１の全体を高硬度化することができる。
【００２７】
また、各冷却ノズル２１，２２，２３，２４，２７が互いに分離され隙間を有して配置され、各隙間に設けられた排出口から冷却媒体が排出されるので、各冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４，２７において冷却媒体が滞留して冷却能率が低下することを防止できる。
【００２８】
また、顎下冷却ヘッダ２３のノズルが、レール１頭部１１の頭側面１１２よりレール１の幅方向の内側に配置されるため、頭側冷却ヘッダ２２から噴射された冷却媒体が顎下冷却ヘッダ２３から噴射された冷却媒体の勢いを阻害することを防止できる。
【００２９】
また、顎下冷却ヘッダ２３または腹部冷却ヘッダ２７が高温の腹部１３を冷却する場合、熱伝導により頭部１１内部の冷却速度が降下することを防止できる。
【００３０】
上記実施の形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。
【００３１】
（実施例）
以下に示す各種の製造装置２に、９００℃で熱間圧延された後に１００ｍに鋸断されたレール１を搬入してクランプ２５で拘束し、冷却媒体としての空気により１８０秒間の強制冷却を行った。強制冷却時の冷却速度は、頭部１１の表面（頭頂面１１１、頭側面１１２）で３℃／秒、足部１２の足裏面１２１で２℃／秒となるように、各製造装置２の頭頂冷却ヘッダ２１、頭側冷却ヘッダ２２、足裏冷却ヘッダ２４による冷却能率を制御した。また、顎下冷却ヘッダ２３、腹部冷却ヘッダ２７は、頭側冷却ヘッダ２２と同じ吐出圧になるように調整した。強制冷却後、各冷却ヘッダ２１，２２，２３，２４，２７からの空気の噴射を停止し、レール１をクランプ２５から外して製造装置２から搬出し、冷却床にて自然放冷した。そして、常温になったレール１について、頭頂面１１１の幅方向の中心より２５ｍｍ深さ位置の硬度を測定した。
【００３２】
実施例１，２，３では、それぞれ図１，３，４に示す製造装置２を使用した。また、比較例１では、図５に示すように、顎下冷却ヘッダ２３、腹部冷却ヘッダ２７のいずれも備えない従来の製造装置２を使用した。比較例２では、図６に示すように、腹部冷却ヘッダ２７を備えるが、顎下冷却ヘッダ２３を備えない、例えば特許文献１に記載された従来の製造装置２を使用した。比較例３では、図７に示すように、ガイド２８を設けて顎下面１１３と腹部表面１３１とを間接的に冷却する、例えば特許文献２に記載された従来の製造装置２を使用した。
【００３３】
表１は、上記実施例１〜３、比較例１〜３において測定されたレール１の頭部１１内部の硬度（ブリネル硬さ）の測定結果を示す。表１に示すように、本実施例１〜３の製造装置２によれば、ブリネル硬さ３７０以上が達成され、レール１頭部１１の内部が高硬度化されたことがわかった。
【００３４】
【表１】
2015066554.tif 000003
【符号の説明】
【００３５】
１  レール
１１  頭部
１１１  頭頂面
１１２  頭側面
１１３  顎下面
１２  足部
１２１  足裏面
１３  腹部
１３１  腹部表面
２  製造装置
２１  頭頂冷却ヘッダ
２２  頭側冷却ヘッダ
２３  顎下冷却ヘッダ
２４  足裏冷却ヘッダ
２７  腹部冷却ヘッダ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015066554.tif 000009
【図７】
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