CN105074019B - 钢轨的制造方法和制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的钢轨的制造方法是对高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造方法，所述高温钢轨以奥氏体区温度以上进行了热轧或者被加热至奥氏体区温度以上，其中，强制冷却开始后的10秒内，按照头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行强制冷却，强制冷却开始后经过10秒后至头部表面开始发生相变放热为止的期间，按照头部表面的冷却速度为1℃/秒以上5℃/秒以下的方式进行强制冷却，将相变放热开始至相变放热结束为止的期间作为相变中，相变中，按照头部表面的冷却速度小于1℃/秒或升温速度为5℃/秒以下的方式进行强制冷却，相变放热结束后至钢轨的头部的表面温度达到450℃以下为止的期间，按照头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行强制冷却。

Description

钢轨的制造方法和制造装置
技术领域
本发明涉及对奥氏体区温度以上的高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造方法和制造装置。
背景技术
通常，在铁路用等钢轨的制造过程中，将钢材料加热，在奥氏体区温度以上热轧成规定的形状后，或者再加热至奥氏体区温度以上后，为了确保钢轨头部所要求的硬度等所期望的品质，要进行强制冷却。强制冷却通过一边控制温度历程一边对钢轨喷射冷却介质(空气、水、喷雾等)以使钢轨头部的温度达到350℃～450℃左右为止来进行，使钢轨头部为微细的珠光体组织，能够得到耐磨耗性和韧性提高的高硬度的钢轨。例如，如煤炭等天然资源开采场等中的铁路输送那样，在载重量比客车等更重的苛刻的钢轨使用环境下，钢轨的磨耗剧烈，钢轨的使用寿命短，因而特别要求其耐磨耗性和韧性的提高。
此处，贝氏体的耐磨耗性低，马氏体的韧性低。因此，为了同时实现高耐磨耗性和高韧性，需要防止上述强制冷却时发生的钢轨头部的贝氏体相变和马氏体相变，使钢轨头部整体稳定地形成珠光体组织。此外，对珠光体来说，片层间距越微细则耐磨耗性和韧性越高，因而片层间距的微细化也很重要。
另外，强制冷却中的冷却速度会对强制冷却时向贝氏体或马氏体的相变产生影响。特别是，若在强制冷却中的全部时间使冷却速度为3℃/秒以上，则向贝氏体或马氏体相变的可能性高。作为用于解决这种问题的技术，例如专利文献1中公开了下述技术：在开始珠光体相变之前使头表面的冷却速度为1℃/秒～10℃/秒，使至表面下20mm以上的区域的珠光体相变结束为止的头表面的冷却速度为2℃/秒～20℃/秒。另外，专利文献2中公开了下述技术：以4℃/秒～15℃/秒的冷却速度从750℃以上的温度区域至600℃～450℃为止实施第1强制冷却，之后暂时停止强制冷却而进行升温，从而结束珠光体相变，之后以0.5℃/秒～2.0℃/秒的冷却速度实施第2强制冷却至400℃，由此抑制珠光体的回火。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3731934号公报
专利文献2：日本专利第4938158号公报
发明内容
发明要解决的课题
上述专利文献1的技术中，使钢轨头部表层的相变开始后的冷却速度为2℃/秒以上。但是，根据本发明发明人的研究，在冷却速度为2℃/秒以上的情况下，表层的珠光体相变未完成，一部分相变为贝氏体，存在耐磨耗性降低的问题。
另外，专利文献2的技术中，由于暂时停止强制冷却，因而冷却至目标冷却停止温度所需要的时间增加。此外，通过停止强制冷却，钢轨头部的表面温度大幅上升，结果会引起钢轨头部的中心部的冷却速度降低，还具有在中心部无法得到充分的硬度的问题。
此外，专利文献2的技术中，以4℃/秒～15℃/秒的冷却速度实施了第1强制冷却至600℃～450℃为止，但根据本发明发明人的研究，冷却速度为4℃/秒～15℃/秒的情况下，根据钢轨成分的不同，表层的一部分有时会发生马氏体相变或贝氏体相变。在表层的一部分发生马氏体相变的情况下，硬度上升，但延展性丧失。另外，表层的一部分发生贝氏体相变的情况下，硬度和耐磨耗性降低。
另外，上述专利文献2的技术中，以0.5℃/秒～2.0℃/秒的冷却速度实施了第2强制冷却。但是，根据本发明发明人的研究，冷却速度为0.5℃/秒～2.0℃/秒的情况下，根据钢轨成分的不同，有时会发生珠光体的回火，硬度降低。
本发明是为了解决上述课题而进行的，其目的在于提供一种钢轨的制造方法和制造装置，其中，不增加冷却时间，表层为高硬度的珠光体组织，从钢轨的头部表面至中心部的整个头部能够得到高硬度。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题、达到目的，本发明的钢轨的制造方法是对高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造方法，上述高温钢轨以奥氏体区温度以上进行了热轧或者被加热至奥氏体区温度以上，其特征在于，上述强制冷却开始后的10秒内，按照上述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行上述强制冷却，上述强制冷却开始后经过10秒后至上述头部表面开始发生相变放热为止的期间，按照上述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上5℃/秒以下的方式进行上述强制冷却，将上述相变放热开始至相变放热结束为止的期间作为相变中，该相变中，按照上述头部表面的冷却速度小于1℃/秒或升温速度为5℃/秒以下的方式进行上述强制冷却，上述相变放热结束后至上述头部表面的温度达到450℃以下为止的期间，按照上述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行上述强制冷却。
优选的是，上述强制冷却使用第1冷却装置和第2冷却装置进行，从上述强制冷却开始至上述相变放热结束后，在上述钢轨的头部的内部的温度为550℃以上650℃以下的期间使用上述第1冷却装置进行上述强制冷却，接着，使用上述第2冷却装置按照上述钢轨的头部表面的冷却速度为2℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行强制冷却，直至上述头部表面的温度达到450℃以下为止。
优选的是，将在上述第1冷却装置中被强制冷却的上述钢轨搬运至冷却床的期间，利用上述第2冷却装置进行强制冷却。
优选的是，在上述第1冷却装置中使用空气或喷雾将上述钢轨强制冷却，在上述第2冷却装置中使用喷雾或水将上述钢轨强制冷却。
优选的是，在上述第2冷却装置中，向一个方向搬运上述钢轨，将上述钢轨强制冷却。
为了解决上述课题、达到目的，本发明的第1方式的钢轨的制造装置是对高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造装置，上述高温钢轨以奥氏体区温度以上进行了热轧或者被加热至奥氏体区温度以上，其特征在于，上述钢轨的制造装置具有：向钢轨的头部喷出冷却介质的头部冷却头、测定钢轨的头部的表面温度的头部温度计、和调整冷却介质从上述头部冷却头的喷射的控制部，上述控制部具备温度监视部，其对由强制冷却中的上述头部温度计得到的测定结果进行监视，此外，上述控制部具备冷却速度控制部，其中，上述强制冷却开始后的10秒内，按照上述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从上述头部冷却头的喷射，基于由上述温度监视部得到的上述测定结果历程来判断相变放热的开始和结束，同时，在相变放热开始至相变放热结束为止的期间，按照上述头部表面的冷却速度小于1℃/秒或升温速度为5℃/秒以下的方式调整冷却介质从上述头部冷却头的喷射，在上述相变放热结束后至上述头部表面的温度达到450℃以下为止的期间，按照上述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从上述头部冷却头的喷射。
为了解决上述课题、达到目的，本发明的第2方式的钢轨的制造装置是对高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造装置，上述高温钢轨以奥氏体区温度以上进行了热轧或者被加热至奥氏体区温度以上，其特征在于，上述钢轨的制造装置具有：第1冷却装置，其具有向钢轨的头部喷出冷却介质的第1头部冷却头、和测定钢轨的头部的表面温度的第1头部温度计；第2冷却装置，其具有向钢轨的头部喷出冷却介质的第2头部冷却头、和测定钢轨的头部的表面温度的第2头部温度计；和控制部，其调整冷却介质从上述第1头部冷却头和上述第2头部冷却头的喷射，上述控制部具备温度监视部，其对由强制冷却中的上述第1头部温度计和第2头部温度计得到的测定结果进行监视，此外，上述控制部具备冷却速度控制部，其中，上述强制冷却开始后的10秒内，按照上述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从上述第1头部冷却头的喷射，基于由上述温度监视部得到的上述第1头部温度计的测定结果历程来判断相变放热的开始和结束，同时，在相变放热开始至相变放热结束为止的期间，按照上述头部表面的冷却速度小于1℃/秒或升温速度为5℃/秒以下的方式调整冷却介质从上述第1头部冷却头的喷射，在上述相变放热结束后至上述钢轨的头部的内部的温度达到550℃以上650℃以下为止的期间，按照上述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从上述第1头部冷却头的喷射，在上述钢轨的头部的内部的温度达到550℃以上650℃以下后，将钢轨搬运至第2冷却装置，对于在上述第1冷却装置中被强制冷却的上述钢轨，按照该钢轨的头部表面的冷却速度为2℃/秒以上20℃/秒以下的方式，在该钢轨的头部表面的温度达到450℃以下为止的期间调整冷却介质从上述第2头部冷却头的喷射。
优选的是，已在上述第1冷却装置中被强制冷却的上述钢轨被搬运至冷却床为止的期间，上述第2冷却装置进行上述强制冷却。
优选的是，上述第1冷却装置中，上述冷却介质为空气或喷雾；上述第2冷却装置中，上述冷却介质为喷雾或水。
发明的效果
根据本发明，可以不停止头部的强制冷却而保持或提高头部表层的相变中的头部的表面温度，可以不增加冷却时间而使从钢轨的头部表面至中心部的整个头部得到高硬度。
附图说明
图1是示出作为本发明的第1实施方式的钢轨的制造装置的整体结构的示意图。
图2是示出图1所示的冷却装置的结构的示意图。
图3是说明钢轨的强制冷却部位的图。
图4是示出图1所示的钢轨的制造装置的控制体系的结构的框图。
图5是说明通过作为本发明的第1实施方式的冷却控制处理所实现的钢轨的头部表面的冷却速度或升温速度的速度模式的图。
图6是示出作为本发明的第1实施方式的冷却控制处理的处理步骤的流程图。
图7是示出作为本发明的第2实施方式的钢轨的制造装置的整体结构的示意图。
图8是示出图7所示的第2冷却装置的结构的示意图。
图9是示出图7所示的钢轨的制造装置的控制体系的结构的框图。
图10是说明通过作为本发明的第2实施方式的冷却控制处理所实现的钢轨的头部表面的冷却速度或升温速度的速度模式的图。
图11是示出作为本发明的第2实施方式的冷却控制处理的处理步骤的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图对作为本发明的第1和第2实施方式的钢轨的制造装置的结构及其动作进行说明。
〔第1实施方式〕
[整体结构]
首先，参照图1，对作为本发明的第1实施方式的钢轨的制造装置的整体结构进行说明。
图1是示出作为本发明的第1实施方式的钢轨的制造装置的整体结构的示意图。如图1所示，作为本发明的第1实施方式的钢轨的制造装置1用于在符合所期望的硬度等所要求的品质的特定冷却条件下将产品截面形状的钢轨强制冷却，其具备冷却装置2。
冷却装置2为对高温钢轨进行后述的强制冷却的装置，该高温钢轨为在轧钢机4中以奥氏体区温度以上进行热轧后根据情况用切断机5进行分割而成的高温钢轨、或者为再加热至奥氏体区温度以上的高温钢轨；其沿着在制造线内由搬运装置等形成的钢轨的搬运路径与轧钢机同时进行设定。冷却装置2中，将被送入处理位置的钢轨的头部和脚部强制冷却。
需要说明的是，对钢轨来说，例如有时以100m左右的轧制长度的状态送入冷却装置2中进行冷却，有时将每一根的长度例如切断(锯断)成25m左右的长度，之后送入冷却装置2中进行冷却。作为将锯断的钢轨作为冷却对象的冷却装置，根据锯断后的长度来分割冷却区域。
在冷却装置2中被强制冷却的钢轨被搬运至冷却床6。
[冷却装置的结构]
接着，参照图2，对冷却装置2的结构进行说明。
图2是示出图1所示的冷却装置2的结构的示意图。如图2所示，冷却装置2具备：用于冷却钢轨10的头部11的头顶冷却头31及头侧冷却头33(将头顶冷却头31和头侧冷却头33统称为“头部冷却头”)；和用于冷却钢轨10的脚部13的脚心冷却头35。需要说明的是，也可以为根据需要进一步具备用于冷却钢轨1的腹部15的冷却头的结构。
头顶冷却头31、头侧冷却头33以及脚心冷却头35(下文中，将它们一并适宜称为“冷却头31、33、35”)分别通过配管与冷却介质源连接，由未图示的多个喷嘴喷射冷却介质(空气、喷雾水、喷雾等)。具体地说，头顶冷却头31的喷嘴在处理位置的钢轨1的头部11上方沿着钢轨10的长度方向进行配置，向图3所示的头部11的头顶面111喷射冷却介质(图2的箭头A11)。另外，头侧冷却头33的喷嘴在处理位置的钢轨10的头部11两侧方沿着钢轨10的长度方向进行配置，向图3所示的头部11的头侧面113、115喷射冷却介质(图2的箭头A13)。另外，脚心冷却头35的喷嘴在处理位置的钢轨10的脚部13下方沿着钢轨10的长度方向进行配置，向图3所示的脚部13的背面(脚心)131喷射冷却介质(图2的箭头A15)。
这些冷却头31、33、35分别以能够控制冷却介质的喷射的方式构成。即，以能够调整由冷却头的排出量和排出压力、温度、水分量的方式构成。这些冷却介质的排出量和排出压力、温度、水分量的调整用于改变冷却介质所产生的冷却能力，通过对它们进行调整，从而控制头部11表面和脚部13背面的冷却速度。例如，对于冷却头31、33、35来说，在为使用空气或喷雾水作为冷却介质的结构时，以能够调整冷却介质的排出量、排出压力和温度中的至少任一者的方式构成即可。另外，对于冷却头31、33、35来说，在为使用喷雾作为冷却介质的结构时，以能够调整排出量、排出压力、温度和水分量中的至少任一者的方式构成即可。
另外，冷却装置2在处理位置的钢轨10的脚部13的两侧方相互对置的位置具备一对夹具37。该夹具37在两侧夹持处理位置的钢轨10的脚部13，使冷却中的钢轨10在上下方向不会发生移动而限制其位移，沿着处理位置的钢轨10的长度方向在适当的位置设置两个以上。例如，夹具37沿着处理位置的钢轨10的长度方向以约5m的间隔进行设置。
另外，冷却装置2具备：设置于钢轨10的头部11上方并测定头部11的表面温度(例如头顶面111内的1处)的头部温度计391；和设置于钢轨1的脚部13下方并测定脚部13的表面温度(例如背面131内的1处)的脚部温度计393。如图4所示，这些头部温度计391和脚部温度计393与控制部50连接，随时将测定值输出至控制部50。
作为主要的功能部，控制部50具备温度监视部51和冷却速度控制部53。为了形成不仅钢轨10的头部11的表面具有高耐磨耗性和高韧性、且内部(中心部)也具有高耐磨耗性和高韧性的高硬度钢轨，使头部11整体发生珠光体相变很重要。为此，控制部50在开始强制冷却至结束强制冷却的强制冷却过程中对头部11表面的冷却速度或升温速度进行控制，从而保持或提高至少头部11表层在相变中的头部11的表面温度(冷却控制处理)。本实施方式中，控制部50中，温度监视部51对由头部温度计391得到的测定结果、即冷却中的钢轨10的头部11的表面温度进行监视，冷却速度控制部53基于表面温度历程(由头部温度计391得到的测定结果历程)对冷却介质从冷却头31、33、35的喷射进行控制，从而使头部11表面的冷却速度或升温速度为参照图5在下文中说明的速度模式。
该控制部50与存储部7连接，该存储部7存储有为了实现冷却控制处理所需要的程序和数据等。存储部7通过能够更新存储的闪存或RAM之类的各种IC存储器、硬盘、各种存储介质等存储装置而实现。此外，虽未示出，但控制部50也可根据需要适宜连接有下述装置：用于输入上述温度监视或冷却速度控制等所需要的信息的输入装置；或用于监视显示冷却中的钢轨10的头部11或脚部13的表面温度等的显示装置；等等。
首先，对冷却控制处理的原理进行说明。图5是说明通过作为本发明的第1实施方式的冷却控制处理所实现的头部11表面的冷却速度或升温速度的速度模式的图。
(1)强制冷却开始后的10秒内的冷却速度
向珠光体的相变大致在550℃～730℃的温度区域发生，但本发明的发明人发现，在550℃以上650℃以下的温度区域相变的珠光体的耐磨耗性和韧性高。另外，本发明的发明人发现，为了在该550℃以上650℃以下的温度区域发生珠光体相变，可以使强制冷却开始后的10秒内的头部11表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下。
因此，本实施方式的冷却控制处理中，如图5所示，强制冷却开始后的10秒内将头部11的表面的冷却速度控制为1℃/秒以上20℃/秒以下的速度范围R1内。
另外，在冷却高温钢材的情况下，一般来说刚开始强制冷却后(例如开始强制冷却后的10秒)冷却速度快，之后随着温度降低，冷却速度降低。但是，根据本发明发明人的研究，若将刚开始强制冷却后的冷却速度抑制为20℃/秒以下，不会发生贝氏体相变或马氏体相变。因此，也可以使刚开始强制冷却后的冷却速度为1℃/秒以上。
(2)强制冷却开始后经过10秒后至头部11表面开始发生相变放热为止的期间的冷却速度
本发明发明人发现，冷却开始后经过10秒以后，需要以1℃/秒以上5℃/秒以下的冷却速度将头部11表面冷却，至少头部11的表面开始发生相变放热之前，需要以1℃/秒以上5℃/秒以下的冷却速度将头部11表面冷却。若以超过5℃/秒的冷却速度进行冷却，则相变温度变得过低，结果发生贝氏体相变或马氏体相变，引起头部11的耐磨耗性或韧性的降低。另一方面，以小于1℃/秒进行冷却时，相变开始温度提高，会发生相变开始温度升高至超过650℃的温度的情况。如上所述，若相变开始温度超过650℃，则耐磨耗性或韧性降低，因而不优选。
因此，在本实施方式的冷却控制处理中，如图5所示，强制冷却开始后经过10秒后至头部11表面开始发生相变放热的时刻TA为止的期间，按照头部11表面的冷却速度在1℃/秒以上5℃/秒以下的速度范围R3内的方式进行控制。
(3)相变中的冷却速度或升温速度
在强制冷却开始后的冷却初期，头部11的表面温度逐渐降低，由于该表面温度的降低，头部11表层的相变(珠光体相变)开始。此处，相变中，冷却速度因相变放热而迅速降低。之后，随着相变的进行，头部11的表面温度暂时上升(升温)(冷却速度为负值)。并且，头部11的表面温度在头部11表层的珠光体相变几乎完成的时刻再次开始降低。
本发明发明人发现，为了使头部11整体发生珠光体相变，头部11表面开始发生相变放热，之后可保持头部11的表面温度或以5℃/秒以下的升温速度进行升温，珠光体相变被促进。此处，保持温度是指头部11表面的冷却速度小于1℃/秒的状态。若升温速度为5℃/秒以上，则头部11表层的相变放热变得过大，无法确保头部11中心部的冷却速度。结果，头部11中心部的相变温度上升，头部11中心部的硬度降低，无法得到高耐磨耗性。
因此，在本实施方式的冷却控制处理中，如图5所示，将如上所述头部11表面开始发生相变放热的时刻TA至头部11表面结束相变放热的时刻TB为止的期间作为相变中，该相变中，为了使冷却(冷却介质的喷射)本身不停止而继续、同时保持头部11表面的温度，以头部11表面的冷却速度小于1℃/秒的方式对TA～TB进行控制，或者以头部11表面的升温速度为5℃/秒以下的方式进行控制。即，按照头部11表面的冷却速度在-5℃/秒以上且小于1℃/秒的速度范围R5内的方式进行控制。5℃/秒以下的升温速度可以通过考虑上述相变放热来进行冷却介质的喷射控制从而在继续冷却的同时而实现。
此处，相变开始时刻TA如下判断即可：预先求出不发生相变放热时的冷却介质的喷射条件(压力或流量等)与冷却速度的关系，不满足该关系时，即以某种喷射条件进行强制冷却时实际得到的冷却速度慢于由该关系得到的冷却速度时，作为相变开始时刻TA。或者，可以预先求出能够实现相变前的冷却速度1℃/秒以上5℃/秒以下的某种一定的冷却介质喷射条件，在预先求出的一定的冷却介质喷射条件下进行强制冷却，将转变为升温时作为相变开始时刻TA。无论是哪种判断方法，所判断的相变开始时刻TA均无大幅偏差，从防止头部11中心部的相变温度上升的方面出发没有差异。关于头部11表面的相变放热结束时刻TB，也利用相同的方法将相变放热导致的冷却速度的降低或升温消失时作为相变放热结束时刻TB，由此可进行判断。
(4)相变放热结束后至钢轨的头部表面的温度达到450℃以下为止的期间的冷却速度
本发明发明人发现，通过使头部11表层的相变基本上结束、头部11的表面温度再次开始降低后的头部11表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下，能够确保头部11中心部的冷却速度，能够充分提高头部11中心部的硬度。具体来说，由此能够使头部11中心部的硬度为HB370以上。需要说明的是，相变放热结束后至钢轨的头部的表面的温度达到450℃以下为止的冷却速度大于20℃/秒的情况下，冷却迅速，因此钢轨的一部分可能会产生裂纹。
相变放热结束后的强制冷却进行至钢轨10的头部11的表面温度达到450℃以下为止。这是因为，利用冷却装置2进行强制冷却后头部11的表面温度高于450℃的情况下，珠光体被回火，硬度有可能降低。头部11的表面温度可以利用头部温度计391进行测定。
需要说明的是，本实施方式中，相变放热的结束后至钢轨的头部的表面温度达到450℃以下为止的冷却是利用一个冷却装置2进行的，如后述的第2实施方式中说明的那样，也可以在钢轨的头部的内部的温度达到550℃以上650℃以下后，使用不同的冷却装置来进行强制冷却。这种情况下，用冷却装置2结束冷却后至用其它冷却装置开始强制冷却为止的间隔优选为5分钟以内。其理由在第2实施方式的说明中详细说明。
因此，在本实施方式的冷却控制处理中，如图5所示，相变放热结束时TB之后，按照头部11表面的冷却速度在1℃/秒以上20℃/秒以下的速度范围R7内的方式进行控制。
接着，对作为本发明的第1实施方式的冷却控制处理的详细处理步骤进行说明。图6是示出作为本发明的第1实施方式的冷却控制处理的处理步骤的流程图。冷却装置2中，控制部50的冷却速度控制部53按照图6的处理步骤进行冷却控制处理，从而实施钢轨的制造方法。
冷却装置2中，对于搬运至处理位置的奥氏体区温度以上的高温状态的钢轨10，从冷却头31、33、35喷射冷却介质，从而开始钢轨10的强制冷却，此时，如图6所示，温度监视部51基于由头部温度计391随时输入的测定值来开始头部11的表面温度的监视(步骤S1)。然后，冷却速度控制部53基于由温度监视部51监视的头部11的表面温度历程对冷却介质从头顶冷却头31和头侧冷却头33的喷射进行控制，从而使头部11表面的冷却速度或升温速度达到图5的速度模式(步骤S3～步骤S15)。冷却速度或升温速度的控制如下进行：作为冷却介质从头顶冷却头31和头侧冷却头33的喷射的控制，阶段性地或断续地变更冷却介质的排出量或排出压力、温度、水分量。
即，对冷却速度控制部53来说，在强制冷却开始后经过10秒为止的期间(步骤S3：否)，基于头部11的表面温度历程，将头部11表面的冷却速度控制为1℃/秒以上20℃/秒以下(步骤S5)。并且，冷却速度控制部53在强制冷却开始后经过10秒后(步骤S3：是)至头部11表面开始发生相变放热的时刻TA为止的期间(步骤S7：否)，基于头部11的表面温度历程，将头部11表面的冷却速度控制为1℃/秒以上5℃/秒以下(步骤S9)。此处，冷却速度控制部53基于表面温度历程、即由温度监视部51得到的头部11表面的测定结果历程，在冷却速度开始降低的时刻、或者转变为升温的时刻判断为到达相变放热开始时刻TA。并且，冷却速度控制部53在头部11的表面开始相变放热后(步骤S7：是)至头部11的表面结束相变放热的时刻TB为止的相变中(步骤S11：否)，基于头部11的表面温度历程将头部11表面的冷却速度控制为小于1℃/秒、或者将头部11的表面的升温速度控制为5℃/秒以下(步骤S13)。并且，冷却速度控制部53在头部11表面结束相变放热后(步骤S11：是)基于头部11的表面温度历程将头部11表面的冷却速度控制为1℃/秒以上20℃/秒以下(步骤S15)。此处，冷却速度控制部53基于表面温度历程、即由温度监视部51得到的头部11表面的测定结果历程，在冷却速度的降低消失的时刻、或者升温消失的时刻判断为到达相变放热结束时刻TB。
需要说明的是，关于冷却介质从脚心冷却头35的喷射控制，控制部5与上述处理并行地适当使用由脚部温度计393随时输入的测定值等来进行控制。
之后，以1℃/秒以上20℃/秒以下的冷却速度进行冷却直至头部11的表面温度达到450℃以下的预先设定温度(冷却结束温度)，结束强制冷却。对于结束了强制冷却的钢轨1，卸下夹具37并从冷却装置2被送出，被搬运至冷却床6，空气冷却至常温而成为产品。
如以上说明的那样，根据本实施方式，在头部11表层的相变开始后也不停止强制冷却，可以保持或提高其相变中的头部11的表面温度。此外，在头部11表层的相变中以外的强制冷却过程中，也可以适当地控制头部11表面的冷却速度。由此，不发生引起软化的向贝氏体的相变以及降低韧性的向马氏体的相变，能够使头部11整体确实地发生珠光体相变。另外，能够充分提高头部11中心部的硬度，能够确保HB370以上。因此，可以不增加冷却时间而使头部的表面至中心部的整个头部形成微细的珠光体组织，能够制造头部整体为高硬度的钢轨。
需要说明的是，在上述实施方式中，利用头部温度计391测定头部11(头顶面111)的表面温度，基于其表面温度历程来控制冷却速度，但头部11的表面温度不是必须要测定的。例如，也可以通过学习过去的操作实际成绩来控制冷却速度。具体地说，对于能够实现与强制冷却开始后的各经过时间相符的冷却速度或升温速度的、来自头顶冷却头31和头侧冷却头33的冷却介质的排出量、排出压力、温度和水分量中的一种以上，可以预先将阶段性的或断续的调整值程序化，依此进行冷却介质从头顶冷却头31和头侧冷却头33的喷射的控制。
另外，在上述实施方式中，对由头部温度计391测定的头顶面111的表面温度进行监视，基于其表面温度历程来控制冷却介质从头顶冷却头31和头侧冷却头33的喷射，从而控制头部11表面的冷却速度。与此相对，对于头侧面113、115的表面温度也另行测定和监视，对于冷却介质从冷却头33的喷射的控制，可以基于头侧面113、115的表面温度历程来进行。
[第2实施方式]
[整体结构]
接着，参照图7，对作为本发明的第2实施方式的钢轨的制造装置的整体结构进行说明。
图7是示出作为本发明的第2实施方式的钢轨的制造装置的整体结构的示意图。如图7所示，作为本发明的第2实施方式的钢轨制造装置1用于在符合所期望的硬度等所要求的品质的特定冷却条件下将产品截面形状的钢轨强制冷却，其具备第1冷却装置2和第2冷却装置3。
第1冷却装置2对高温钢轨进行后述的第1强制冷却的装置，该高温钢轨为在轧钢机4中以奥氏体区温度以上进行热轧后根据情况用切断机5进行分割而成的高温钢轨、或者为再加热至奥氏体区温度以上的高温钢轨。
第2冷却装置3是对第1冷却装置2中被强制冷却的钢轨进行后述的第2强制冷却的装置。在第2冷却装置3中被强制冷却的钢轨被搬运至冷却床6。
[第1冷却装置的结构]
第1冷却装置2的结构与图2所示的结构大致相同，对于结构相同的部分省略了说明。但是，在第1冷却装置2中，冷却头(第1头部冷却头)31、33按照喷射空气(air)或喷雾作为冷却介质A11、A13的方式构成。冷却头31、33按照能够调整冷却介质23的排出量或排出压力、温度(在冷却介质A11、A13为喷雾的情况下还包括水分量)中的至少一者的方式构成。
[第2冷却装置的结构]
接着，参照图8对第2冷却装置3的结构进行说明。
图8是示出图7所示的第2冷却装置3的结构的示意图。如图8所示，第2冷却装置3具备：冷却钢轨10的头顶面111的头顶冷却头331；和冷却钢轨10的头侧面113、115的头侧冷却头332。将这些第2冷却装置3的头顶冷却头331和头侧冷却头332统称为第2头部冷却头(下文中有时也简称为“冷却头”)。第2头部冷却头331、332通过喷射作为冷却介质A33的喷雾或水，从而将钢轨10冷却。在使用空气作为冷却介质A33的情况下，空气的冷却能力低，因而用于实现第2冷却装置3的建设费用提高。冷却头331、332按照能够调整冷却介质A33的排出量或排出压力、温度(在冷却介质A33为喷雾的情况下还包括水分量)中的至少一者的方式构成。另外，第2冷却装置3具备：测定头部11的表面温度(例如头顶面111内的1处)的头部温度计(第2头部温度计)395；和测定脚部13的表面温度(例如脚部13的背面内的1处)的脚部温度计397。如图9所示，这些头部温度计395和脚部温度计397与控制部43连接，随时将测定值输出至控制部43。
[控制体系的结构]
接着，参照图9对图7所示的钢轨的制造装置1的控制体系的结构进行说明。
图9是示出图7所示的钢轨的制造装置1的控制体系的结构的框图。如图9所示，控制体系40具备控制部43和存储部44。
如钢轨10的图2、图8所示，第1冷却装置2的头部温度计(第1头部温度计)391和第2冷却装置3的头部温度计(第2头部温度计)395配置于钢轨10的头部11上方。头部温度计391、395在强制冷却中测定钢轨10的头部11的表面温度，将所测定的表面温度的信息输入控制部43。
如图2、图8所示，第1冷却装置2的脚部温度计393和第2冷却装置的脚部温度计397在强制冷却中测定钢轨10的脚部13的表面温度，将所测定的表面温度的信息输入控制部43。
控制部43具备温度监视部43a和冷却速度控制部43b。为了使钢轨10的头部11不仅表面为具有高耐磨耗性和高韧性的高硬度、且内部(中心部)也为具有高耐磨耗性和高韧性的高硬度，如上所述使钢轨10的头部11整体发生珠光体相变很重要。为此，控制部43在使用了第1冷却装置2和第2冷却装置3的强制冷却的过程中对头部11表面的冷却速度或升温速度进行控制，从而保持或提高至少头部11表层在相变中的头部11的表面温度(冷却控制处理)。本实施方式中，控制部43监视冷却中的钢轨的头部11的表面温度，基于表面温度历程对第1冷却装置2和第2冷却装置3进行控制，从而使头部11表面的冷却速度或升温速度为参照图10在下文中说明的速度模式。
该控制部43与存储部44连接，该存储部44存储有为了实现冷却控制处理所需要的程序和数据等。存储部44通过能够更新存储的闪存或RAM之类的各种IC存储器、硬盘、各种存储介质等存储装置而实现。此外，虽未示出，但控制部43也可根据需要适宜连接有下述装置：用于输入上述温度监视或冷却速度控制等所需要的信息的输入装置；或用于监视显示冷却中的钢轨10的头部11或脚部13的表面温度等的显示装置；等等。
[冷却控制处理的原理]
接着，参照图10对本发明的冷却控制处理的原理进行说明。图10是说明通过作为本发明的第2实施方式的冷却控制处理所实现的头部11表面的冷却速度或升温速度的速度模式的图。
(1)强制冷却开始后的10秒内的冷却速度
本实施方式中，强制冷却的开始使用第1冷却装置2进行。此处，本发明的第2实施方式中，强制冷却开始后的10秒内也按照头部11的表面的冷却速度在1℃/秒以上20℃/秒以下的速度范围R1内(参照图10)的方式进行控制。其理由与在第1实施方式中说明的理由相同，因而此处省略了说明。强制冷却开始使用第1冷却装置2进行。
(2)强制冷却开始后经过10秒后至头部11表面开始发生相变放热的期间的冷却速度
强制冷却开始后经过10秒后，也继续使用第1冷却装置2进行强制冷却。此处，在本发明的第2实施方式中，强制冷却开始后经过10秒后至头部11表面开始发生相变放热的时刻TA为止的期间，也按照头部11表面的冷却速度在1℃/秒以上5℃/秒以下的速度范围R3内(参照图10)的方式进行控制。其理由与在第1实施方式中说明的理由相同，因而此处省略了说明。
(3)相变中的冷却速度或升温速度
头部11表面开始发生相变放热的时刻TA以后，也继续使用第1冷却装置2进行强制冷却。此处，在本发明的第2实施方式中，相变中、即头部11表面开始发生相变放热的时刻TA至头部11表面结束相变放热的时刻TB为止的期间，按照头部11表面的冷却速度在-5℃/秒以上且小于1℃/秒的速度范围R5内(参照图10)的方式进行控制。即，使头部11表面的冷却速度小于1℃/秒、或者头部11表面的升温速度为5℃/秒以上。其理由与在第1实施方式中说明的理由相同，因而此处省略了说明。
(4)相变放热结束后至钢轨的头部的内部的温度达到550℃以上650℃以下为止的期间的冷却速度
如上所述，通过使头部11表层的相变基本上结束、头部11的表面温度再次开始降低后的头部11表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下，能够确保头部11中心部的冷却速度，能够使头部11中心部的硬度为HB370以上。因此，本实施方式的冷却控制处理中，如图10所示，在相变放热结束时TB以后，按照头部11表面的冷却速度在1℃/秒以上20℃/秒以下的速度范围R7内的方式进行控制。需要说明的是，相变放热结束后的冷却也使用第1冷却装置2进行。
此处，相变放热结束时TB以后的以1℃/秒以上20℃/秒以下的头部11表层的冷却进行至头部11的内部的温度达到550℃以上650℃以下为止，后续的强制冷却通过后述的第2冷却装置3进行。相变放热结束后，利用第1冷却装置2继续冷却至钢轨的头部的内部的温度达到550℃以上650℃以下为止的理由是：可防止在头部11的内部的温度被冷却至550℃以上650℃以下的温度范围之前强制冷却中断、头部11内部的硬度降低。头部11的内部温度达到550℃以上650℃以下的范围内为止的时间可通过用事先设置于头部11内的热电偶测定头部11的内部温度、或者调查头部11的表层的相变放热结束后的冷却中珠光体相变结束的冷却时间来决定。
(5)第1冷却装置中头部的内部温度被强制冷却至550℃以上650℃以下后至第2冷却装置3中头部的表面温度达到450℃以下为止的冷却速度
本发明发明人发现，优选使将第1冷却装置2中被强制冷却的钢轨搬运至冷却床6为止的期间的第2冷却装置3中的冷却速度为2℃/秒以上20℃/秒以下。冷却速度小于2℃/秒的情况下，与冷却速度为2℃/秒以上时相比，具有硬度降低的倾向。这是因为发生了珠光体的回火。另一方面，冷却速度大于20℃/秒的情况下，冷却迅速，因此钢轨的一部分可能会产生裂纹。因此，在本实施方式的冷却控制处理中，如图10所示，在利用第2冷却装置3的强制冷却的时间段(时间TD～TE)，按照头部11表面的冷却速度在2℃/秒以上20℃/秒以下的速度范围R9内的方式进行控制。
需要说明的是，第2冷却装置3中，利用第1冷却装置2强制冷却后，优选在回热后尽可能早地开始强制冷却，优选在利用第1冷却装置2的强制冷却结束后5分钟以内开始强制冷却。这是因为，在利用第1冷却装置2的强制冷却结束后5分钟以上之后开始强制冷却的情况下，至进行第2冷却装置3中的强制冷却为止的期间，珠光体被回火，之后即使利用第2冷却装置3进行冷却，硬度也不会上升。因此，第2冷却装置3优选设置于第1冷却装置2与冷却床6之间。
另外，第2冷却装置3中，进行强制冷却至钢轨10的头部11的表面温度达到450℃以下为止。这是因为，在利用第2冷却装置3强制冷却后头部11的表面温度高于450℃的情况下，珠光体被回火，硬度有可能降低。头部的表面温度可以利用头部温度计395进行测定。为了抑制强制冷却导致的钢轨10的翘曲，可以将脚部13的背面冷却。
另外，第2冷却装置3优选为通过型的冷却装置。这是因为，第2冷却装置3中的强制冷却的目的在于抑制珠光体的回火，如上所述，第1冷却装置2中的强制冷却结束后5分钟以内进行冷却即可，因此未必需要在相同的时刻将钢轨10的长度方向冷却。由此，能够减小冷却设备的规模，能够抑制建设费用。
接着，对本发明的第2实施方式中的冷却控制处理的详细处理步骤进行说明。图11是示出作为本发明的第2实施方式的冷却控制处理的处理步骤的流程图。在作为本实施方式的钢轨的制造装置1中，控制部43按照图11的处理步骤进行冷却控制处理，从而实施钢轨的制造方法。
本实施方式中的钢轨的制造装置1中，对于搬运至处理位置的奥氏体区温度以上的高温状态的钢轨，第1冷却装置2和第2冷却装置3喷射冷却介质，由此开始钢轨的强制冷却，此时，如图11所示，温度监视部43a基于由头部温度计391、395随时输入的测定值而开始头部11的表面温度的监视(步骤S101)。并且，冷却速度控制部43b基于由温度监视部43a监视的头部11的表面温度历程对冷却介质从第1冷却装置2和第2冷却装置3的喷射进行控制，从而使头部11表面的冷却速度或升温速度达到图10的速度模式(步骤S103～步骤S119)。冷却速度或升温速度的控制如下进行：作为冷却介质从第1冷却装置2和第2冷却装置3的喷射的控制，阶段性地或断续地变更冷却介质的排出量或排出压力、温度、水分量。
此处，在图11所示的流程图中，步骤S101～步骤S113中，冷却速度控制部43b对第1冷却装置2进行冷却介质的喷射控制，利用第1冷却装置2进行钢轨10强制冷却，处理的内容与上述第1实施方式中的处理(分别为图6中的步骤S1～步骤S13)相同，因此省略了处理内容的详细说明。
步骤S111的处理中判断为头部11表面结束了相变放热的情况下(步骤S111：是)，冷却速度控制部43b将头部11表面的冷却速度控制为1℃/秒以上20℃/秒以下(步骤S115)。并且，冷却速度控制部43b判断头部11表面的相变放热结束后是否达到了预先设定的时间tc(步骤S117)。时间tc是以头部11表面的相变放热结束后以1℃/秒以上20℃/秒以下的范围内的设定冷却速度进行冷却时，头部11内部的温度达到550℃以上650℃以下的范围的预先设定温度的时间的形式所预先设定的。即，步骤S117的处理是用于判断头部11表面的相变放热结束后以1℃/秒以上20℃/秒以下的范围内的设定冷却速度进行的冷却结束的时机的处理。未经过时间tc的情况下(步骤S117：否)，冷却速度控制部43b将头部11表面的冷却速度控制为1℃/秒以上20℃/秒以下，重复进行步骤S115和步骤S117的处理直至达到时间tc为止。
若达到时间tc(步骤S117：是)，冷却速度控制部43b停止利用第1冷却装置2进行的强制冷却，同时对制造装置1进行指示，将钢轨10搬运至第2冷却装置3。并且，冷却速度控制部43b使第2冷却装置3中的冷却速度为2℃/秒以上20℃/秒以下(步骤S119)。利用该第2冷却装置3的强制冷却继续至头部11的表面温度达到预先设定的温度(冷却结束温度)为止，若达到冷却结束温度，则结束强制冷却。头部11的表面温度利用头部温度计395进行测定。预先设定的冷却结束温度是450℃以下的钢轨的头部11的表面温度。结束了强制冷却的钢轨1从第2冷却装置3被运出，被搬运至冷却床6，空气冷却至常温，成为产品。
如以上说明的那样，根据本实施方式，头部11表层的相变开始后也可以不停止强制冷却，而保持或提高其相变中的头部11的表面温度。此外，在头部11表层的相变中以外的强制冷却的过程中，也可以适当地控制头部11表面的冷却速度。由此，不发生引起软化的向贝氏体的相变以及降低韧性的向马氏体的相变，能够使头部11整体确实地发生珠光体相变。另外，能够充分提高头部11中心部的硬度，能够确保HB370以上。因此，可以不增加冷却时间而使头部的表面至中心部的整个头部形成微细的珠光体组织，能够制造头部整体为高硬度的钢轨。
需要说明的是，上述本实施方式中，第1冷却装置2中按照从冷却头31、33喷射空气或喷雾作为冷却介质的方式构成，第2冷却装置3中按照从冷却头331、332喷射喷雾或水作为冷却介质的方式构成。但是，只要能够满足本发明中的冷却速度条件，则不必将第1冷却装置2的冷却介质限定为空气或喷雾、将第2冷却装置3的冷却介质限定为喷雾或水。
但是，若使冷却介质为水，则容易发生局部的过冷。在利用第1冷却装置2的强制冷却过程中，在钢轨的头部11表面发生珠光体相变，但在利用第1冷却装置2进行强制冷却时若头部11表面发生局部的过冷，则表层有时会局部地产生马氏体或贝氏体。因此，在利用第1冷却装置2的强制冷却过程中，优选使用空气或喷雾。
在利用第2冷却装置3的强制冷却过程中，头部11的表层已经结束了珠光体相变，强制冷却的目的在于防止珠光体被回火而引起的硬度降低。因此，即使使用水也不会对钢轨的头部11的耐磨耗性或韧性产生影响，可以使用冷却能力高的水。若使第2冷却装置3中的冷却介质为空气，则由于空气的冷却能力低，因而用于实现上述冷却的设备大型，建设费升高。为了防止设备的大型化，第2冷却装置3中使用的冷却介质优选为喷雾或水。
另外，本实施方式中，利用头部温度计391、395测定头部11的表面温度，基于其表面温度历程来控制冷却速度，但头部11的表面温度不是必须要测定的。例如，也可以通过学习过去的操作实际成绩来控制冷却速度。具体地说，对于能够实现与强制冷却开始后的各经过时间相符的冷却速度或升温速度的、来自冷却头的冷却介质的排出量、排出压力、温度和水分量中的一种以上，可以预先将阶段性的或断续的调整值程序化，依此进行冷却介质从冷却头的喷射的控制。
另外，对利用以上说明的制造方法制造的钢轨的化学组成没有特别限定，下面示出其一例。需要说明的是，在以下的说明中，只要没有特别声明，则表示钢坯的成分元素的含量的“％”是指“质量％(mass％)”。
(C的含量)
C(碳)的含量在0.70％以上0.85％以下的范围内。C是一种对珠光体钢轨重要的元素，可形成渗碳体，提高硬度和强度，提高耐磨耗性。但是，C量小于0.70％时，这些效果小，因而C量的下限为0.70％。另一方面，C量的增加意味着渗碳体量的增加，虽然可期待硬度和强度的上升，但延展性反而降低。另外，C量的增加会扩大γ+θ温度范围，促进焊接热影响部的软化。考虑到这些不良影响，C量的上限为0.85％。
(Si的含量)
Si(硅)的含量在0.1％以上1.5％以下的范围内。Si是出于下述目的而添加的：对于钢轨材料作为脱氧材料以及增强珠光体组织。但是，Si量小于0.1％时，这些效果小，因而Si量的下限为0.1％。另一方面，Si量的增加会促进脱碳，促进钢轨的表面缺陷的生成，因而Si量的上限为1.5％。优选Si的含量在0.2％以上1.3％以下的范围内。
(Mn的含量)
Mn(锰)的含量在0.01％以上1.5％以下的范围内。Mn具有降低向珠光体的相变温度、使珠光体片层间距致密的效果，因此是使钢轨内部也维持高硬度来说有效的元素。但是，Mn量小于0.01％时，其效果小，因而Mn量的下限为0.01％。另一方面，若添加超过1.5％的Mn，则使珠光体的平衡相变温度(TE)降低，同时容易发生马氏体相变。因此，Mn量的上限为1.5％。优选Mn的含量在0.3％以上1.3％以下的范围内。
(P的含量)
P(磷)的含量在0.001％以上0.035％以下的范围内。P的含量超过0.035％时，会使韧性或延展性降低，因而P量的上限为0.035％。优选P量的上限为0.025％。另一方面，若为了降低P量而进行特殊精炼等，则会引起熔炼成本升高，因而P量的下限为0.001％。
(S的含量)
S(硫)的含量在0.0005％以上0.030％以下的范围内。S会形成在轧制方向伸展的粗大的MnS，降低延展性或韧性，因而S量的上限为0.030％。另一方面，若将S量抑制为小于0.0005％，则会引起熔炼处理时间增加等熔炼成本的大幅上升，因而S量的下限为0.0005％。优选S的含量在0.001％以上0.015％以下的范围内。
(Cr的含量)
Cr(铬)的含量在0.1％以上2.0％以下的范围内。Cr使珠光体的平衡相变温度(TE)升高，有助于珠光体片层间距的微细化，使硬度或强度升高。但是，为此需要添加0.1％以上，因而Cr量的下限为0.1％。另一方面，若添加超过2.0％的Cr，则会增加焊接缺陷的发生，同时增加淬火性，促进马氏体的生成。因此，Cr量的上限为2.0％。优选Cr的含量在0.2％以上1.5％以下的范围内。
以上，对钢坯的化学组成进行了说明，但钢坯也可以除上述化学组成外根据需要进一步含有以下的成分元素。
(Cu、Ni、Mo、V、Nb的含量)
关于Cu(铜)、Ni(镍)、Mo(钼)、V(钒)、Nb(铌)，优选以下述含量含有选自这些元素中的至少一种。
含有Cu的情况下，其含量在1.0％以下的范围内。Cu是可通过固溶强化实现进一步的高硬度化的元素。另外，对脱碳抑制也有效果。但是，为了期待这些效果，优选添加0.01％以上。另一方面，若添加超过1.0％的Cu，在连续铸造时或轧制时表面容易产生裂纹，因而Cu量的上限为1.0％。优选Cu的含量在0.05％以上0.6％以下的范围内。
含有Ni的情况下，其含量在0.5％以下的范围内。Ni是提高韧性或延展性的有效元素。另外，是通过与Cu复合添加而抑制Cu裂纹的有效元素，因此在添加Cu的情况下，优选添加Ni。为了表现出Ni的效果，Ni量优选为0.01％以上。另一方面，若添加超过1.0％的Ni，会提高淬火性、促进马氏体的生成，因而Ni量的上限为1.0％。优选Ni的含量在0.05％以上0.6％以下的范围内。
含有Mo的情况下，其含量在0.5％以下的范围内。Mo是对高强度化有效的元素。但是，Mo量小于0.01％时，其效果小，因而Mo量优选为0.01％以上。另一方面，若添加超过0.5％的Mo，可提高淬火性，作为其效果会生成马氏体，因此会极度降低韧性和延展性。因此，Mo量的上限为0.5％。优选Mo的含量在0.05％以上0.3％以下的范围内。
含有V的情况下，其含量在0.15％以下的范围内。V可形成VC或VN等而在铁素体中微细地析出，是通过铁素体的析出强化而对高强度化有效的元素。另外，也可以作为氢的捕获位点发挥功能，还能够期待抑制延迟断裂的效果。因此，优选添加0.001％以上。另一方面，若添加超过0.15％的V，则这些效果饱和，而且合金成本也大幅提高，因而V量的上限为0.15％。优选V的含量在0.005％以上0.12％以下的范围内。
含有Nb的情况下，其含量在0.030％以下的范围内。Nb可提高奥氏体的未再结晶温度，对轧制时向奥氏体中引入加工应变导致的珠光体团或块大小的微细化有效，是对提高延展性和韧性而言有效的元素。但是，为了期待这些效果，优选添加0.001％以上。另一方面，若添加超过0.030％的Nb，则在凝固过程中使Nb碳氮化物结晶，降低清净性，因而Nb量的上限为0.030％。优选Nb的含量在0.003％以上0.025％以下的范围内。
(Ca、REM的含量)
关于Ca(钙)、REM(稀土金属)，优选以下述含量含有选自这些元素中的至少一种。即，Ca或REM在凝固时与钢中的O(氧)和S结合而形成粒状的硫氧化物，使延展性/韧性或延迟断裂特性提高度。但是，为了期待这些效果，优选Ca为0.0005％以上、REM为0.005％以上。另一方面，若过量添加Ca、REM，则清净性反而会降低。因此，在添加Ca和/或REM的情况下，使Ca的含量在0.010％以下的范围内、REM的含量在0.1％以下的范围内。优选Ca的含量在0.0010％以上0.0070％以下的范围内，REM的含量在0.008％以上0.05％以下的范围内。
以上示出了含量的成分以外的余部是Fe(铁)和不可避免的杂质。需要说明的是，在不损害本发明的效果的范围内，并不拒绝含有上述以外的其它成分。若N(氮)的含量为0.015％以下则是允许的，若O的含量为0.004％以下则是允许的。另外，由于AlN、TiN会降低转动疲劳特性，因而优选将Al(铝)的含量抑制为0.003％以下，优选将Ti(钛)的含量抑制为0.003％以下。
(实施例)
使用作为上述本发明的第1实施方式的钢轨的制造装置1(参照图1)来制造钢轨。作为钢材，使用了碳的含量在0.70质量％～0.85质量％的范围内的共析系珠光体。改变强制冷却开始后的10秒内、经过10秒后至升温开始时TA为止、相变中TA～TB以及升温结束时TB以后的冷却速度或升温速度，实际进行钢轨的强制冷却，在空气冷却至室温后，对头部的组织和头部中心部的硬度(中心硬度)进行了评价(实施例1～实施例12和比较例1～比较例8)。表1中示出实施例1～实施例12和比较例1～比较例8的冷却速度与头部组织和中心硬度。
【表1】
(1)实施例1～实施例12
实施例1～实施例12中，将在900℃结束了热轧的长条钢轨送入热处理装置3，利用夹具37固定。并且，从头部的表面温度为750℃的状态起开始利用冷却头31、33、35进行冷却介质喷射，进行图6的冷却控制处理，将头部表面的冷却速度控制在表1所示的发明范围内。本实施例中，预先根据过去的操作实际成绩等来决定能够实现与强制冷却开始后的各经过时间相符的冷却速度或升温速度的冷却介质的排出压力，依此来控制冷却介质从头顶冷却头31和头侧冷却头33的喷射，从而控制冷却速度和升温速度。另外，冷却介质为空气。此处，实施例7中的相变中的升温速度：-0.5℃/秒相当于冷却速度：0.5℃/秒，为保温的状态。之后，在头部的表面温度达到450℃的时刻结束强制冷却。冷却结束后，将钢轨从夹具37卸下并搬运至冷却床，空气冷却至常温。并且，将空气冷却至常温的样品(钢轨)切断，进行了头部的组织观察和硬度试验。头部组织通过用SEM(扫描型电子显微镜)观察样品的截面来进行评价。另外，关于头部的硬度试验，通过布氏硬度试验评价自头顶面25mm的深度位置的硬度(HB)，将其作为中心硬度。
其结果，在将冷却速度或升温速度控制在发明范围内的实施例1～实施例12中，所有情况下头部整体均形成微细的珠光体组织，中心硬度也达到了目标值HB370以上。
(2)比较例1～比较例8
比较例1～比较例8中，将在900℃结束了热轧的长条钢轨送入热处理装置3，利用夹具37固定。并且，从头部的表面温度为750℃的状态起开始利用冷却头31、33、35进行冷却介质喷射，如表1所示，强制冷却开始后的10秒内、经过10秒后至升温开始时TA为止、相变中TA～TB以及升温结束时TB以后中的一者以上的头部表面的冷却速度被控制为发明范围外。本比较例中，预先根据过去的操作实际成绩等来决定能够实现与强制冷却开始后的各经过时间相符的冷却速度或升温速度的冷却介质的排出压力，依此来控制冷却介质从头顶冷却头31和头侧冷却头33的喷射，从而控制冷却速度和升温速度。另外，冷却介质为空气。之后，在头部的表面温度达到450℃的时刻结束强制冷却。冷却结束后，将钢轨从夹具37卸下并搬运至冷却床，空气冷却至常温。并且，将空气冷却至常温的样品(钢轨)切断，进行了头部的组织观察和硬度试验。头部组织通过用SEM观察样品的截面来进行评价。另外，关于头部的硬度试验，通过布氏硬度试验评价自头顶面25mm的深度位置的硬度(HB)，将其作为中心硬度。
其结果，在比较例1、3、5、6、7中，中心硬度无法达到目标值HB370以上。另外，在比较例2、4、5、8中，在头部表层和/或头部中心部存在贝氏体或马氏体，无法使头部整体为珠光体组织。
此外，利用作为上述本发明的第2实施方式的图7所示的钢轨的制造装置，将在奥氏体区温度轧制成钢轨形状的钢材强制冷却。作为钢材，使用了碳的含量在0.70％～0.85％的范围内的共析系珠光体。强制冷却从750℃开始，之后的冷却条件如以下的表2所示。另外，预先决定强制冷却时间中的冷却介质的排出量，按照达到指定的冷却速度或升温速度和冷却停止温度的方式来喷射冷却介质。需要说明的是，实施例106中的相变中的升温速度(-0.5℃/秒)是指冷却速度0.5℃/秒。另外，关于冷却停止温度，在第1冷却装置中为头部的内部温度(自头顶面25mm的深度)，在第2冷却装置中为头顶部的表面温度。冷却结束后，用冷却床通过自然冷却而冷却至常温。从冷却后的钢轨采集样品，实施了组织观察和硬度试验(实施例101～117和比较例101～109)。作为代表值，将自头顶部起向铅直方向的表层(2mm深度的位置)的组织和内部(25.4mm深度的位置)的布氏硬度同时记于表2。
【表2】
如表2所示，确认到：通过本发明的方法能够以高生产率制造内部也为高硬度的钢轨。
工业实用性
根据本发明，可以提供一种钢轨的制造方法和制造装置，其中，不增加冷却时间，表层为高硬度的珠光体组织，从钢轨的头部表面至中心部的整个头部能够得到高硬度。
符号的说明
1 钢轨的制造装置
2 冷却装置(第1冷却装置)
3 第2冷却装置
4 轧钢机
5 切断机
6 冷却床
10 钢轨
11 头部
111 头顶面
113 头侧面
115 头侧面
13 脚部
15 腹部
31、33 冷却头(第1头部冷却头)
331、332 冷却头(第2头部冷却头)
391 头部温度计(第1头部温度计)
395 头部温度计(第2头部温度计)
40 控制体系
43 控制部
43a 温度监视部
43b 冷却速度控制部
44 存储部
50 控制部
51 温度监视部
53 冷却速度控制部

Claims (10)

1.一种钢轨的制造方法，其是对高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造方法，所述高温钢轨以奥氏体区温度以上进行了热轧或者被加热至奥氏体区温度以上，其特征在于，
所述强制冷却开始后的10秒内，按照所述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行所述强制冷却，
所述强制冷却开始后经过10秒后至所述头部表面开始发生相变放热为止的期间，按照所述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上5℃/秒以下的方式进行所述强制冷却，
将所述相变放热开始至相变放热结束为止的期间作为相变中，该相变中，按照所述头部表面的冷却速度小于1℃/秒或升温速度为5℃/秒以下的方式进行所述强制冷却，
所述相变放热结束后至所述头部表面的温度达到450℃以下为止的期间，按照所述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行所述强制冷却。
2.如权利要求1所述的钢轨的制造方法，其特征在于，所述强制冷却使用第1冷却装置和第2冷却装置进行，从所述强制冷却开始至所述相变放热结束后，在所述钢轨的头部的内部的温度为550℃以上650℃以下的期间使用所述第1冷却装置进行所述强制冷却，接着，使用所述第2冷却装置按照所述钢轨的头部表面的冷却速度为2℃/秒以上20℃/秒以下的方式进行强制冷却，直至所述头部表面的温度达到450℃以下为止。
3.如权利要求2所述的钢轨的制造方法，其特征在于，将在所述第1冷却装置中被强制冷却的所述钢轨搬运至冷却床的期间，利用所述第2冷却装置进行强制冷却。
4.如权利要求2所述的钢轨的制造方法，其特征在于，在所述第1冷却装置中使用空气或喷雾将所述钢轨强制冷却，在所述第2冷却装置中使用喷雾或水将所述钢轨强制冷却。
5.如权利要求3所述的钢轨的制造方法，其特征在于，在所述第1冷却装置中使用空气或喷雾将所述钢轨强制冷却，在所述第2冷却装置中使用喷雾或水将所述钢轨强制冷却。
6.如权利要求2～5任一项所述的钢轨的制造方法，其特征在于，在所述第2冷却装置中，向一个方向搬运所述钢轨，将所述钢轨强制冷却。
7.一种钢轨的制造装置，其是对高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造装置，所述高温钢轨以奥氏体区温度以上进行了热轧或者被加热至奥氏体区温度以上，其特征在于，
所述钢轨的制造装置具有：向钢轨的头部喷出冷却介质的头部冷却头、测定钢轨的头部的表面温度的头部温度计、和调整冷却介质从所述头部冷却头的喷射的控制部，
所述控制部具备温度监视部，其对由强制冷却中的所述头部温度计得到的测定结果进行监视，
此外，所述控制部具备冷却速度控制部，该冷却速度控制部与存储部连接，该存储部存储有为了实现下述冷却控制处理所需要的程序和数据，所述冷却控制处理为：所述强制冷却开始后的10秒内，按照所述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从所述头部冷却头的喷射，基于由所述温度监视部得到的所述测定结果历程来判断相变放热的开始和结束，同时，在相变放热开始至相变放热结束为止的期间，按照所述头部表面的冷却速度小于1℃/秒或升温速度为5℃/秒以下的方式调整冷却介质从所述头部冷却头的喷射，在所述相变放热结束后至所述头部表面的温度达到450℃以下为止的期间，按照所述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从所述头部冷却头的喷射。
8.一种钢轨的制造装置，其是对高温钢轨的至少头部进行强制冷却的钢轨的制造装置，所述高温钢轨以奥氏体区温度以上进行了热轧或者被加热至奥氏体区温度以上，其特征在于，
所述钢轨的制造装置具有：
第1冷却装置，其具有向钢轨的头部喷出冷却介质的第1头部冷却头、和测定钢轨的头部的表面温度的第1头部温度计；
第2冷却装置，其具有向钢轨的头部喷出冷却介质的第2头部冷却头、和测定钢轨的头部的表面温度的第2头部温度计；和
控制部，其调整冷却介质从所述第1头部冷却头和所述第2头部冷却头的喷射，所述控制部具备温度监视部，其对由强制冷却中的所述第1头部温度计和第2头部温度计得到的测定结果进行监视，
此外，所述控制部具备冷却速度控制部，该冷却速度控制部与存储部连接，该存储部存储有为了实现下述冷却控制处理所需要的程序和数据，所述冷却控制处理为：所述强制冷却开始后的10秒内，按照所述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从所述第1头部冷却头的喷射，基于由所述温度监视部得到的所述第1头部温度计的测定结果历程来判断相变放热的开始和结束，同时，在相变放热开始至相变放热结束为止的期间，按照所述头部表面的冷却速度小于1℃/秒或升温速度为5℃/秒以下的方式调整冷却介质从所述第1头部冷却头的喷射，在所述相变放热结束后至所述钢轨的头部的内部的温度达到550℃以上650℃以下为止的期间，按照所述头部表面的冷却速度为1℃/秒以上20℃/秒以下的方式调整冷却介质从所述第1头部冷却头的喷射，在所述钢轨的头部的内部的温度达到550℃以上650℃以下后，将钢轨搬运至第2冷却装置，对于在所述第1冷却装置中被强制冷却的所述钢轨，按照该钢轨的头部表面的冷却速度为2℃/秒以上20℃/秒以下的方式，在该钢轨的头部表面的温度达到450℃以下为止的期间调整冷却介质从所述第2头部冷却头的喷射。
9.如权利要求8所述的钢轨的制造装置，其特征在于，已在所述第1冷却装置中被强制冷却的所述钢轨被搬运至冷却床为止的期间，所述第2冷却装置进行所述强制冷却。
10.如权利要求8或9所述的钢轨的制造装置，其特征在于，所述第1冷却装置中，所述冷却介质为空气或喷雾；所述第2冷却装置中，所述冷却介质为喷雾或水。
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