(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
横断面にて互いに間隔を持って位置しかつ互いに異なる質量を持つレール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）を有するレールを熱間圧延により形成し、熱間圧延されたレールを圧延温度から冷却する方法において、先ず最初に、計算ユニット（４０）と協働する熱放射量測定手段（３０〜３２）を用いて計算プログラムにより、レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）の質量と温度とに応じてレール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）からそれぞれ奪うべき熱量と、そのために必要な冷却媒体（４８）の供給量とを調べて計算し、その後、γ固溶体がフェライトおよび／またはパーライトに崩壊するときに、レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）が変態熱を放出しながら同時点で変態線Ａｒ３／Ａｒ１に達するように、レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）またはその質量中心部位（１〜５）の冷却が制御されて行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
レールの異なる質量中心部位（１〜５）が同時点で最終温度に達するように、変態温度から所定の最終温度まで更に冷却が行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）を加熱すべき熱量を計算する際に、基礎とする鋼品質の変態温度が考慮されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
圧延したレールまたはそのレール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）を冷却する際に、異なるレール面に生じる熱伝達係数を検出し、この熱伝達係数によって、レール面の冷却に必要な冷却媒体（４８）の供給量を予め定めることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
レールがレール頭部（１０）を下にして吊り下げて冷却床（５０）上を案内され、その際異なる質量中心部位（１〜５）の制御された冷却の少なくとも一部が、自然対流と、レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）の質量と温度に応じて奪うべき熱量に基づいて、冷却媒体（４８）の付加的な使用によって行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の方法。
【請求項６】
熱の奪い取りが、レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）への冷却媒体（４８）の噴霧によって行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
レールの長さにわたって存在する温度差を補正するために、レールが圧延された長さ方向に見て異なる強さで冷却されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の方法。
【請求項８】
制御される熱の奪い取りが、レール全体またはそのレール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）を冷却媒体内に浸漬することによって１回または複数回繰り返して設定したサイクル時間で行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の方法。
【請求項９】
レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）またはレール脚部（１２）のような異なるレール部分からの熱の放射量を測定するための熱放射量測定手段（３０，３２）が、レールのわきにレールの圧延長さに沿って間隔をおいて設けられ、この熱放射量測定手段がデータライン（３３〜３５）を介して計算ユニット（４０）に接続され、レール頭部（１０）、レールウェブ（１１）、レール脚部（１２）の寸法または質量が入力データライン（３６）によってこの計算ユニットに入力され、かつ温度と質量の積を計算し、この積に応じて信号ライン（３７）を介して冷却媒体供給装置（４５〜４７）を制御するようプログラミングされていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の方法を実施するための装置。
【請求項１０】
冷却媒体（４８）が水、空気、水／空気混合物であり、冷却床（５０）がこれら冷却媒体（４８）のための制御可能な冷却媒体供給装置（４５〜４７）を備えていることを特徴とする請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横断面にて互いに間隔を持って位置しかつ互いに異なる質量を持つレール頭部、レールウェブ、レール脚部を有するレールを熱間圧延により形成し、熱間圧延されたレールを圧延温度から冷却する方法およびこの方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レールは冷却床上で圧延温度から８０°Ｃ以下まで冷却される。形材の質量が非対称に配置されているので、レールの頭部と脚部の間で異なる冷却状態が生じる。この場合、脚部は質量に比べて熱放出面積が大きいので、頭部よりも早く冷却される。その結果、レールは冷えたときに曲がる。この曲がりは、まだ高温のレールを予め曲げることにより、或る程度防止することができる。これはしかし、成果が不確かでコストのかかる熱間曲げ工程を必要とする。その際いかなる場合でも、レールは冷却後矯正しなければならない。冷却プロセスおよび特に矯正によって、内部応力がレール内に発生し、この内部応力はレールの強度に悪影響を及ぼす。この欠点を効果的に防止するために、既に多数の提案がなされた。
【０００３】
ドイツ連邦共和国特許出願第４２３７９９１号明細書は、圧延スタンドで熱間圧延された成形圧延材、特にレールを、冷却床上で自然対流または強制空気冷却によって冷却するための方法を示している。この発明は、頭部を下にしてレールを吊り下げて冷却床上を搬送することにある。この手段により、自然対流の場合熱伝達が良好に変化し、それによってレールを横にしたときのレールの頭部と脚部の温度差が約１４０°Ｃであるのに対し、レールを吊り下げたときには約５０°Ｃに低下する。頭部と脚部の温度差が小さいので、曲がる欠点が小さくなり、ほとんど真っ直ぐなレールが仕上げ矯正するための矯正機械に挿入され、それによってレール材料の最終応力が非常に小さくなる。
【０００４】
ドイツ連邦共和国特許第２１６１７０４号明細書から、応力と歪みを生じないように、鉄道レールを冷却するための方法と装置が知られている。この場合、冷却すべき同じようなレールプロフィルの脚部を、対をなして対称にかつ互いに支持部を形成するように一緒に保持し、横方向コンベヤによって冷却床上を搬送する。各々のレール頭部がレール脚部とほぼ同じ大きさの質量を有しているが、レール脚部の外周がレール頭部の外周の約２倍であるので、一緒に保持されたレール脚部の質量に対する外周面の比は、レール頭部の外周面と質量の比とほぼ同じ大きさである。それによって、レール頭部とレール脚部が均一に冷却される。この手段は実際に、レール脚部が互いに支持し合って対をなしている場合、ほとんど歪みのない冷却にとって充分であった。
【０００５】
米国特許第４６８７８８号明細書には、レールを冷却するための方法が開示されている。この場合、レールは、装置内で頭部を下にして吊り下げられ、水を満たした槽内に全部または一部を浸漬されて冷却される。その際、レールは同時に、押圧ボルトによって固定された支持台に押しつけられる。
【０００６】
ドイツ連邦共和国特許第４０４１２７号明細書では、非対称の横断面の金属棒特に鉄道レールを矯正するための方法が開示されている。この発明は、横断面の大きな部分が調整された人工的な冷却を受け、すべての部分の太さが不均一であるにもかかわらず同じ程度に収縮し、棒が大気温度まで冷却される際に真っ直ぐのままである。この結果は、液体内への浸漬、散水湿潤、噴霧された液体、蒸気、空気または他のガスの吹き付けによる人工的な冷却を行うことによって達成される。この場合、使用される媒体は冷却時間の間中であるいは冷却時間の一部で常時または中断されて作用する。この方法の場合、棒がが硬質鋼または硬化可能な合金からなっている場合でも、棒が冷却中硬化しないということが注目される。
【０００７】
ドイツ連邦共和国特許第１９４２９２９号明細書から、レールを冷却するための方法が知られている。この方法は異なる物理的原理に基づいている。レールはオーステナイト変態温度に達する前に、熱を反射する層の上に離してレール脚部を降ろされる。その際付加的に、レールの踏面上に、冷却の途中で絶縁材を載せることができる。この方法の場合、レールが直接並べて置かれ、レールの脚部が側方で接触することにより、放射によって相互に積極的に影響し合う。この手段は、外部エネルギーを供給しないで、反射層で戻し放射し、踏面を絶縁被覆することによって、レール横断面の部分の冷却に積極的に影響を与える。オーステナイト変態温度に達する前に、熱を反射する層の上に離してレールの脚部を置くことにより、レール脚部とレールウェブのオーステナイト変態が早く開始されることを防止するという利点がある。それによって、レール材料の技術的値が個別的に、すなわち鋼分析に応じて、正確な温度調節によって影響を与えられ、大きな強度、膨張値および収縮値が達成可能である。
【０００８】
これと逆の効果、すなわち迅速冷却法によるレール頭部の硬化が、フランス国特許第５４３．４６１号明細書に従って達成され、レールをさかさまにして脚部を上向けに吊り下げて、水を入れた槽内で一連の浸漬工程を非常に短い時間受けさせる。
【０００９】
上記の方法は多少の経験に基づいているという共通の欠点がある。すなわち、所望の冷却結果を保証するためには、方法を実施する際にどのパラメータを守らなければならないかを、先ず最初に、長時間かかる試験で確かめなければならない。その際、少なくとも装入の度に、熱間圧延された形材の試験片が使用される。この試験は、即座に満足できる結果が得られない場合には繰り返す必要があり、不良品が何度も生じることになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
これらの技術水準から出発して、本発明の根底をなす課題は、上記の難点に打ち勝ち、圧延温度から冷却する際に、コストや時間のかかる試験を行わずに、かつそれに伴う不良品を発生することなく、歪みのない冷却結果が得られるように、請求項１の上位概念に記載した種類の、熱間圧延されたレールを冷却する方法と装置を改良することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明による方法では、先ず最初に、計算ユニットと協働する熱放射量測定手段を用いて計算プログラムにより、レール頭部、レールウェブ、レール脚部の質量と温度とに応じてレール頭部、レールウェブ、レール脚部からそれぞれ奪うべき熱量と、そのために必要な冷却媒体の供給量とを調べて計算し、その後、γ固溶体がフェライトおよび／またはパーライトに崩壊するときに、レール頭部、レールウェブ、レール脚部が変態熱を放出しながら同時点で変態線Ａｒ３／Ａｒ１に達するように、レール頭部、レールウェブ、レール脚部の冷却が制御されて行われることによって解決される。
【００１２】
この方法により、異なる装入の際に、コストのかかる経験的な試験を必要とせずに、レールが曲がらない完璧な冷却結果が得られる。
方法の実施形では、レールの異なる質量中心部位がほぼ同時点で（できるだけ小さな時間的なずれでもって）最終温度に達するように、変態温度から所定の最終温度まで更に冷却が行われる。この手段により、レールが曲がらない完璧な冷却結果に加えて、レール横断面にわたって硬さが均一の最適な鋼調質が達成される。
【００１３】
レール頭部、レールウェブ、レール脚部を加熱すべき熱量を計算する際に、基礎とする鋼品質の変態温度が考慮されると合目的である。
本発明の他の合目的な実施形では、水によってレールまたはそのレール頭部、レールウェブ、レール脚部を冷却する際に、異なるレール面に生じる熱伝達係数を検出し、この熱伝達係数によって、レール面の冷却に必要な冷却媒体の供給量を予め定める。
【００１４】
方法の非常に有利な実施形では更に、レールが頭部を下にして吊り下げて冷却床上を案内され、その際レール頭部、レールウェブ、レール脚部の制御された冷却の少なくとも一部が、自然対流と、レール頭部、レールウェブ、レール脚部の質量と温度に応じて奪うべき熱量に基づき、冷却媒体の付加的な使用によって行われる。それによって、レールの曲がりが小さくなり、矯正を全く必要としなくなるかあるいは不利な応力を回避しつつ少しだけ矯正すればよい。
【００１５】
その際、熱の奪い取りは、レール頭部、レールウェブ、レール脚部への冷却媒体の適切で有利な間歇的噴霧によって行うことができる。
レールの長さにわたって存在する温度差を補正するために、更に、レールは圧延された長さ方向に見て異なる強さで冷却される。そして、制御される熱の奪い取りは、レール全体またはそのレール頭部、レールウェブ、レール脚部を冷却媒体内に浸漬することによって１回または複数回繰り返して設定したサイクル時間で行われる。
【００１６】
本発明による方法を実施するための装置では、レール頭部、レールウェブまたはレール脚部のような異なるレール部分からの熱の放射量を測定するための熱放射量測定手段が、レールのわきに好ましくはレールの圧延長さに沿って間隔をおいて設けられ、この熱放射量測定手段がデータラインを介して計算ユニットに接続され、レール頭部、レールウェブ、レール脚部の寸法または質量が入力データラインによってこの計算ユニットに入力され、かつ温度と質量の積を計算し、この積に応じて信号ラインを介して冷却媒体供給装置を制御するようプログラミングされている。
【００１７】
装置の有利な実施形では、冷却床が例えば水、空気、水／空気混合物のような異なる冷却媒体のための制御可能な冷却媒体供給装置を備えている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明による方法と、例示的に示した装置を、図に基づいて説明する。
図１は、異なる横断面部分の異なる冷却経過の曲線をＺＴＵ（時間−温度−変態線）−グラフで示している。この横断面部分はその質量、ひいてはその温度中心に応じて、比較的に異なる時間で変態線Ａｒ１に達する。この場合発生する時間的な違いは４０〜１２０秒の差を生じる。グラフは次の冶金組成（重量％）を有する鋼に関する：Ｃ＝0.63；Ｓｉ＝0.29；Ｍｎ＝1.72；Ｐ＝0.020 ；Ｓ＝0.027 ；Ｃｒ＝0.099 。この鋼は５分間加熱した後１５分の保持時間によって、９５０°Ｃでオーステナイト化された。
【００１９】
グラフにおいて、
Ａ＝オーステナイト
Ｐ＝パーライト
Ｚｗ＝中間段階
Ｍ＝マルテンサイト
曲線群の経過から判るように、試料が５分間９５０°Ｃでオーステナイト化された後で、低い冷却速度でＡｒ１線が所定の温度および冷却時間のときに達成される。冷却速度が速いと、鋼は変態慣性範囲に基づいてパーライト線に達せず、低い温度のときは中間段範囲（ベイナイト）で変態するかまたはまだ速い冷却速度のときはマルテンサイト線（約２６０°Ｃ）に達して初めて変態する。グラフを完全なものとするために、室温で測定した硬度値ＨＶ２（単位：Ｎ／ｍｍ２  ）が曲線の下部にある円の中に記入されている。
【００２０】
鋼の冷却時およびＡｒ３変態線またはＡｒ１変態線に達したときに、γ固溶体の崩壊によってフェライトまたはパーライト内にいわゆる変態熱が遊離することが知られている。この変態熱は、共析点（Ｃ＝0.86％）に達するまでＣ含有量が増えるにつれて最大値まで増大する。
【００２１】
冷却速度およびＣ含有量に応じて、そのとき遊離する熱は、９０ｋＪ／ｋｇまでに達する。この変態プロセスの場合同時に、長さが約0.3 ％増大する。非対称形材の公知の塑性変形は冷却床上で大部分が上記の変態相のときに発生し、形材の曲がりは冷却床の終端で初めて温度調整時に横断面に見えるようになる。それと関連する内部応力は、矯正によって完全に除去することができない。次に、レールの例についてこの過程を説明する。
【００２２】
圧延後レールを冷却する際に、レール脚部１２（図５）はその小さな質量および質量に比べて大きなその放射面に基づいて、先ず最初に変態線Ａｒ３／Ａｒ１に達し、大きくなり始める。この長さ変化は、まだオーステナイト範囲にあるレール頭部１０（図５）において塑性的な伸長を生じることになる。変態後、レール脚部１２は温度が低下するにつれて収縮する。この場合、レール頭部１０はその小さな強度に基づいて実質的に妨害されないで、少しだけ圧縮される。そして、レール頭部１０が変態線Ａｒ３／Ａｒ１に達するときに、レール頭部は変態による長さ伸長を開始する。しかし、この伸長は、既に変態した冷たいレール脚部１２（このレール脚部の降伏点はこの温度範囲においてはるかに高い）によって抑制されるので、まだ軟らかいレール頭部１０は塑性変形、すなわち圧縮される。冷却床５０（図５）の終端でレール横断面にわたって温度が調整されるときに、レールは圧縮された短いレール頭部１０によって曲がり始める。この曲がりは長いレールの場合、冷却床５０上を更に搬送して矯正機械に通すのが非常に困難なほど大きい。
【００２３】
レールを例にして、本発明による冷却方法がどのようにして計算および実際されるかについて説明する。
図２において、レールの横断面はほぼ実際の寸法で示してある。この場合、レール片は１〜５で示す個所に熱電対を備えている。レール片は炉の中で１０００°Ｃでオーステナイト化され、続いて空気の自然対流で冷却される。その際の測定個所１〜５の冷却経過をグラフに記入した。
【００２４】
これは図３に示してある。図３には、図２の測定個所１〜５に対応する冷却経過が個々の曲線で記入してある。このグラフから判るように、例えばレール頭部１０を付加的に冷却しないで自然対流によって冷却すると、レール脚部１２の質量中心部位４が約6.5 分後にＡｒ３／Ａｒ１線に達し、１０分後に変態が終了する。レール頭部１０の質量中心部位１は、約8.5 分後に変態を開始し、１２分後に変態が終了する。この時点で、レール脚部１２は既に約１００°Ｃまで下がっており、レール頭部１０よりも高い熱降伏点を有する。従って、変態によるレール頭部１０の伸長は、レール脚部１２によって完全にまたは部分的に抑制され、それによってレール頭部１０が塑性変形、すなわち圧縮されることが予想される。これは、レールが冷えると、レール頭部１０の顕著な曲がりを生じる。レール脚部１２と同じ時点でレール頭部が変態線Ａｒ３／Ａｒ１に達するようにするためには、どれ位の熱量をレール頭部１０から奪わなければならないかを、計算プログラムによって計算した。この場合、対応する鋼（0.8 ％Ｃ）の変態熱が本発明に従って一緒に考慮された。計算に基づいて、レール頭部１０は自然対流に加えて、付加的な水の噴霧によって冷却された。
【００２５】
その結果が図４のグラフの曲線群によって示してある。その際、両曲線４，１が変態温度ｔ４  −ｔ１  に達するときの時間差はたったの２５秒であった。これは、レール頭部１０とレール脚部１２がほぼ同時にＡｒ３／Ａｒ１線に達し、そして同時に変態を終了することを意味する。実験室で試されたこの方法は、大規模な実験で証明された。その際、期待された結果が得られた。本発明に従って処理されたレールはほぼ室温で冷却工程を終了した後で、処理されないレールよりも１０の累乗だけ真っ直ぐで応力が小さかった。
【００２６】
図５には本発明の実施の形態が示してある。その際、レールはレール頭部１０を下にして吊り下げられ、レール脚部１２が保持装置２１内に配置されている。測定ヘッド３０，３１，３２は、測定ヘッド３０がレール脚部１２の熱放射を、測定ヘッド３１がレールウェブ１１の熱放射を、そして測定ヘッド３２がレール頭部１０の熱放射を検出し、測定値をデータライン３３，３４，３５を経て計算ユニット４０に報告するように配置されている。この計算ユニットには更に、入力データライン３６を経て、成形部分１０，１１，１２の寸法または質量が入力される。これらから、プログラミングされた計算ユニットは、個々の成形部分１０，１１，１２について温度と質量の積が算出され、この積に応じて冷却媒体供給装置４５〜４７が信号ライン３７を介して制御される。この冷却媒体供給装置は作動して、適切な噴射流４８の冷却媒体を、吊り下げられたレール頭部１０に噴霧する。一点鎖線５０は冷却床を例示的に示している。この冷却床はいろいろな冷却媒体４８のための制御可能な冷却媒体供給装置４５〜４７を備えている。この冷却媒体は例えば水、空気、水／空気混合物である。
【００２７】
本発明では、適切な手段により、主要な部分、すなわちレール頭部１０、レールウェブ１１およびレール脚部１２がほぼ同じ時点で変態線Ａｒ３／Ａｒ１に達し、異なる成形部分の長さ変化が同様に同時に生じるように、レールの冷却プロセスが行われる。それにより、レールプロフィルの範囲が圧縮または膨張することが防止される。その後の冷却床５０上での冷却時に、再び横断面に温度差が生じるがしかし、それによって生じる応力はその都度の降伏点よりもはるかに小さいので、弾性範囲内の変形は次のように生じる。すなわち、このようにして処理されたレールが、冷却後ほとんど応力を有しないように、かつ本発明による処理の前で熱間圧延された状態のようにほぼ真っ直ぐになるように生じる。これは本発明に従い、コンピュータで前もって算出した熱量を奪うことによって達成されるので、変態線Ａｒ３／Ａｒ１に達するまでＺＴＵグラフで経過した、レールのすべての主要な部分の時間は、図３と４の比較から明瞭に判るように、少なくともほぼ同じである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  レール片の連続的な冷却のＺＴＵグラフである。
【図２】  熱電対を埋め込んだレールの横断面図である。
【図３】  自然対流でレール片を冷却する際の、図２に示す個々の測定個所の冷却経過のグラフである。
【図４】  本発明による冷却経過を示すグラフである。
【図５】  冷却装置の概略図である。
【符号の説明】
１〜５                  質量中心部位
１０                    レール頭部
１１                    レールウェブ
１２                    レール脚部
３０〜３２              熱放射量測定手段
３３〜３５              データライン
３６                    入力データライン
３７                    信号ライン
４０                    計算ユニット
４５〜４７              冷却媒体供給装置
４８                    冷却媒体
５０                    冷却床
【図１】
0004020445.tif 000002
【図２】
0004020445.tif 000003
【図３】
0004020445.tif 000004
【図４】
0004020445.tif 000005
【図５】
0004020445.tif 000006