(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷間圧延機によりレール頭部と足裏の圧下量を調整してレールに下反りを付与し、ついで千鳥状に複数のローラーを配置したローラー矯正機によって矯正を行うことを特徴とするレールの矯正方法。
【請求項２】
レールに対して千鳥状に複数のローラーを配置したローラー矯正機の入側に、レールに反りを付与する冷間圧延機を配置したことを特徴とするレールの矯正装置。
【請求項３】
請求項２記載の冷間圧延機がレールに下反りを付与するようにレール頭部と足裏の圧下量の異なる冷間圧延機であることを特徴とする請求項２記載のレールの矯正装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の冷間圧延機が上下のロール径が異なる冷間圧延機であることを特徴とする請求項２又は３に記載のレールの矯正装置。
【請求項５】
請求項２又は３に記載の冷間圧延機が上下のロールの幅方向曲率が異なる冷間圧延機であることを特徴とする請求項２又は３に記載のレールの矯正装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレール製造のうち矯正における、残留応力の発生を抑制または制御する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レールは上下方向の形状を矯正する目的で、水平ロールを用いて、垂直のローラー矯正を行っている。この矯正工程では残留応力として頭部と底部に長手方向引張応力、柱部に圧縮応力が生じる。これらの残留応力によって頭部は上へ、足部は下へと逆方向に反りかえろうとするので、腹部に脆性亀裂ができた場合、亀裂の伝播を著しく促進させる危険性がある。かつて、米国で実際に腹部脆性亀裂の伝播によるレールの破損事故があり、大きな問題となり、この原因の一つにこの残留応力分布が考えられていた。
【０００３】
そこで、このような残留応力を冶金的にもしくは機械的に緩和する方法が提案された。
【０００４】
冶金的な残留応力制御方法としては、特開平２−２８２４２６号公報に開示された「パーライト変態を利用した、脆性亀裂が頭頂側へ抜けないことを目的とした方法」が知られているが、腹部脆性亀裂自体をそれほど短くできていない。
【０００５】
機械的な残留応力制御方法としては特開平７−１８５６６０号公報に開示された「ローラー矯正での塑性変形を軽くすることにより残留応力を軽減する方法」、特開平６−３１２２１６号公報で開示された「ローラー矯正後段で小径ロールで軽く圧延する方法」が知られている。
【０００６】
これらのうち、後者の技術はレールの頭部と足裏の表層に圧縮応力を付加するので、腹部脆性亀裂の伝播を抑制する残留応力分布が得られ、手段として比較的簡単であるにもかかわらず抜本的に残留応力分布が改善される点で、非常に有効である。特に小径ロールとした理由は塑性変形を頭頂と足裏に限定するためであり、全体としての形状をほとんど変えることなく残留応力が付与できるからである。
【０００７】
さらに、この技術では、生産性を落とすことなく、実施例に示されるように４億通トン以上の長寿命のレールが得られることがわかった。
【０００８】
しかし、特開平６−３１２２１６号公報開示の方法は、矯正後であるにもかかわらず、特に上反り等の形状不良が生じることがある。この上反りは最大で１２ｍあたり６０ｍｍ（曲率半径で３００ｍ、二階微分係数換算の曲率で１．６７×１０-3ｍ-1）にも達し、ＡＲＥＡの規格である１２ｍあたり１９ｍｍの反り量を遥かに上回る。このような場合、仕上にプレス矯正を行ったり、再度曲げ矯正を負荷する等の対応が必要になる。特に、再度の曲げ矯正を与えることは残留応力制御の効果がなくなるので、好ましくない。
【０００９】
特開平７−１８５６６０号公報で開示したように、矯正の強度を弱めて残留応力を制御する技術もある。しかし、冷却後の反りが大きいものに必ずしも対応できるものではない。但し、負荷がある程度より低いと残留応力も低くなることは明らかにされた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、頭頂と足裏に生じる引張残留応力を軽減したローラー矯正をすること、または、ローラー矯正での負担を軽減することによって、頭頂と足裏の引張残留応力を軽減して、耐腹部脆性亀裂伝播特性のよいレールをローラー矯正で製造することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
当初、本発明者らは、ローラー矯正機で真直に矯正されたレールについて上下方向を圧下する軽圧下圧延実験とこれに関する圧延解析を数多く試み、軽圧下後に反りの発生しない残留応力制御方法を検討してきた。
【００１２】
この検討において、下ロールを上ロールに比べて大径にすること、もしくはロールの幅方向曲率を大きくすることで、上反りを抑制することができた。
【００１３】
一方、レールは圧延後の冷却で上下の放熱量が異なるため、頭部を内側にするように反る（上反りする）。ローラー矯正の最大の目的はこの反りをなくすことにある。
【００１４】
ローラー矯正の負荷が高いと頭頂と足裏で高い引張残留応力が生じる。しかし、負荷がある程度より低いと残留応力も低くなることがわかっている。そこで、下反りを起こさせるような軽圧下圧延を施し、反りを軽減してから、ローラー矯正して真直なレールを得る方法が考えられた。
【００１５】
本発明はこれらの知見に基づいて完成したもので、レールの製造におけるローラー矯正において、頭頂と足裏の圧下量の異なる冷間圧延を水平ローラー矯正前に施すことを特徴としている。その具体的要旨は次の通りである。
【００１６】
（１）  冷間圧延機によりレール頭部と足裏の圧下量を調整してレールに下反りを付与し、ついで千鳥状に複数のローラーを配置したローラー矯正機によって矯正を行うことを特徴とするレールの矯正方法。
【００１７】
（２）  レールに対して千鳥状に複数のローラーを配置したローラー矯正機の入側に、レールに反りを付与する冷間圧延機を配置したことを特徴とするレールの矯正装置。
【００１８】
（３）  上記（２）記載の冷間圧延機がレールに下反りを付与するようにレール頭部と足裏の圧下量の異なる冷間圧延機であることを特徴とする上記（２）記載のレールの矯正装置。
【００１９】
（４）  上記（２）又は（３）に記載の冷間圧延機が上下のロール径が異なる冷間圧延機であることを特徴と上記（２）又は（３）に記載のするレールの矯正装置。
【００２０】
（５）  上記（２）又は（３）に記載の冷間圧延機が上下のロールの幅方向曲率が異なる冷間圧延機であることを特徴とする上記（２）又は（３）に記載のレールの矯正装置。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明について詳細に説明する。
【００２２】
図１に本発明の装置の概略図を示す。
【００２３】
図１に示すように、熱延後の冷却で上反りしているレール１は冷間圧延機（軽圧下圧延機）による軽圧下圧延のため上下ロール２、３によって軽圧下圧延される。このとき、頭頂と足裏に圧縮の残留応力が付与されると同時に上反りの大部分が解消される。この直後、レール１はレールに対して複数のローラー（矯正機のローラー）４〜６を千鳥状に配置したローラー矯正機を通過し、各ローラー４〜１０で軽く曲げられる。この時、反りの大部分は既に解消されているので、残留応力は軽圧下された状態から大きく変化しないでレールはローラー矯正機を通過する。
【００２４】
この方法では冷間圧延機による軽圧下圧延がレールの最初から最後まで施されるので、ローラー矯正で直せない端曲がりも大部分が矯正される。
【００２５】
上下の圧下量の異なる圧延方法としては、下ロールを上ロールに比べて大径にすること、もしくはロール幅方向曲率を大きくする等がある。幅方向曲率を変えるよりもロール径を変えることの方が下反りを発生させる機構が簡単である。
【００２６】
下ロールを上ロールに比べて大径にすると、下側のロール面圧が分散するので上側が伸びて下反りが発生する。これは上下径比の差が大きくなるほどこの傾向は大きい。
【００２７】
一方、荷重が大きくなれば圧縮残留応力が大きくなるが、これに合わせて下反りも大きくなる。
【００２８】
また、これと異なり、ロール径、ロール幅方向曲率を逆にすると上反りが発生することとなる。
【００２９】
したがって、上下ロール径比、軽圧下荷重、目標とする残留応力の間にはそれぞれ相関があり、矯正量と合わせてこれらの適当な値を調整することが望ましい。
【００３０】
【実施例】
本発明者らは矯正前のレールについて軽圧下圧延を行い、これにローラー矯正を施した。
【００３１】
このときの冷間圧延機（軽圧下圧延機）は上ロール径２５０ｍｍ、下ロール径３５０ｍｍであり、ロール径比は１．４である。この圧延では上下の周速差をできるだけ与えないために下ロールのみの駆動としてある。
【００３２】
実験として行った軽圧下圧延の荷重は４００ｋＮ、６００ｋＮ、８００ｋＮの３種類である。
【００３３】
軽圧下した直後にローラー径８００ｍｍ、ピッチ１５００ｍｍ（上同士または下同士で）の千鳥型にローラーを配置した矯正機でローラー矯正する。このときの矯正条件は、弾性計算で最大接触面圧で１２００ＭＰａとなる、通常より軽めの条件とする。
【００３４】
このようにして得られたレールは端曲がりも少なく、真直であった。
【００３５】
図２は、本発明と従来法との残留応力分布を示す図である。図中、本発明ではロール径比１．４、軽圧下したあと、最大の接触面圧で１２００ＭＰａの強度で矯正したものの残留応力分布を示す。そして、比較としての従来法では、軽圧下しないで接触面圧で１８００ＭＰａの強度（通常の強度）の矯正を施したレールの残留応力を示す。図２中で１１は軽圧下無しで通常強度の矯正をしたときの残留応力分布、１２は本発明での残留応力分布（軽圧下荷重８００ｋＮ）、１３は本発明での残留応力分布（軽圧下荷重６００ｋＮ）、１４は本発明での残留応力分布（軽圧下荷重４００ｋＮ）を示す。
【００３６】
通常の強度の矯正を施したものは、レールは真直であるが、頭頂と足裏で非常に高い残留応力が生じている。また、端曲がりまでは調整できていない。
【００３７】
一方、軽圧下してから矯正したレールは、同様に真直であり、端曲がりも軽微である。その上、頭頂と足裏での強い引張残留応力は生じていなかった。
【００３８】
表１に、これらレールに耐腹部脆性亀裂伝播特性を評価する方法として、腹部に水平に４５０ｍｍの長さの切り込みを入れ、その開口量を測定したものを示す。また、同表に、Δσ＝２００ＭＰａで足側を引張り片振りとした疲労試験を行って、破断するまでの回数を示す。
【００３９】
【表１】
0003754191.tif 000002
開口量は負となり、切り込みは閉じる方向になっており、亀裂が入っても伝播しにくいように残留応力が制御されている。また、足側の引張残留応力が軽減されているので、残留応力制御したものは疲労寿命も長いことがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
ローラー矯正の形状精度を保ちながら、耐腹部脆性亀裂伝播特性に優れ、疲労強度の高いレールを得られるようになった。また、端曲がりも軽減された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した装置を示す図である。
【図２】本発明と従来条件での残留応力分布の違いの例を示す図である。
【符号の説明】
１  矯正前の上反りしたレール
２  軽圧下圧延機の上ロール
３  軽圧下圧延機の下ロール
４  矯正機のローラー
５  矯正機のローラー
６  矯正機のローラー
７  矯正機のローラー
８  矯正機のローラー
９  矯正機のローラー
１０  矯正機のローラー
１１  軽圧下無しで通常強度の矯正をしたときの残留応力分布
１２  本発明での残留応力分布（軽圧下荷重８００ｋＮ）
１３  本発明での残留応力分布（軽圧下荷重６００ｋＮ）
１４  本発明での残留応力分布（軽圧下荷重４００ｋＮ）
【図１】
0003754191.tif 000003
【図２】
0003754191.tif 000004