CN110402292A - 钢轨的冷却装置及制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够廉价地制造高硬度且高韧性的钢轨的钢轨的冷却装置及制造方法。一种钢轨的冷却装置(2)，通过向奥氏体温度区域的钢轨(1)的头部(11)及脚部(12)喷射冷却介质来对钢轨(1)进行强制冷却，其中，具备：第一冷却部(21)，具有多个第一冷却集管(211a～211c)和第一驱动部(213a～213c)，所述多个第一冷却集管(211a～211c)向头部(11)的头顶面及头侧面喷射气体的冷却介质，所述第一驱动部(213a～213c)通过使多个第一冷却集管(211a～211c)中的至少一个第一冷却集管(211a～211c)移动而使从第一冷却集管(211a～211c)喷射的冷却介质的喷射距离变化；及第二冷却部(22)，具有向脚部(12)喷射气体的冷却介质的第二冷却集管(221)。

Description

钢轨的冷却装置及制造方法
技术领域
本发明涉及钢轨的冷却装置及制造方法。
背景技术
作为耐磨损性及韧性优异的钢轨，已知有头部由微细的珠光体组织构成的高硬度钢轨。这样的高硬度钢轨通常利用以下的制造方法来制造。
首先，将热轧后的奥氏体温度区域的钢轨或者加热为奥氏体温度区域的钢轨以正立的状态向热处理装置搬入。正立的状态是指钢轨的头部成为上方而脚掌部成为下方的状态。此时，钢轨以保持例如100m左右的轧制长度的状态或者被切断(以下，也称为“锯断”。)成每一条钢轨的长度为例如25m左右的长度的状态向热处理装置搬运。需要说明的是，在钢轨被锯断之后向热处理装置搬运的情况下，热处理装置有时被分割成与锯断的钢轨相对应的长度的多个区段。
接下来，在热处理装置中，钢轨的脚尖部由夹紧件限制，钢轨的头顶面、头侧面、脚掌部、进而根据需要而设置的腹部由作为冷却介质的空气强制冷却。在这样的钢轨的制造方法中，通过对强制冷却时的冷却速度进行控制而将钢轨的包含内部的头部整体形成为微细的珠光体组织。在基于热处理装置的强制冷却中，通常，进行冷却直至头部的温度成为350℃～650℃左右为止。
进而，被强制冷却后的钢轨在基于夹紧件的限制被释放而搬运到冷却床之后，被冷却至室温。
例如，在煤或铁矿石等的天然资源采矿场这样的严苛的环境下，对于钢轨要求高耐磨损性和高韧性。然而，在钢轨的组织为贝氏体的情况下，耐磨损性降低，在为马氏体的情况下，韧性降低。因此，作为钢轨的组织，需要头部整体的组织的至少98％以上为珠光体组织。而且，在珠光体组织中，珠光体的片层间隔越为微细的组织，则耐磨损性越提高，因此也需要片层间隔的微细化。
另外，钢轨最多使用至磨损25mm为止，因此不仅是头部表面，而且也要求从表面至25mm的深度的内部为止的耐磨损性。
专利文献1公开了如下方法：测定强制冷却中的钢轨的头部的温度，从温度履历斜度由于相变热的发生而变得平缓时开始使冷却介质的流量增加，加强冷却，由此使钢轨的表面和内部的硬度上升。
另外，专利文献2公开了如下方法：强制冷却的前一半进行基于空气的冷却，后一半进行基于雾的冷却，由此直至钢轨的头部中心为止形成为高硬度。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-227942号公报
专利文献2：日本特开2014-189880号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在专利文献1记载的方法中，为了使冷却介质的喷射流量增加而鼓风机的运行成本上升，因此希望对其进行抑制。
另外，在专利文献2记载的方法中，为了进行喷雾冷却而需要供给水，因此运行成本升高，或需要水供给配管或排水配管这样的设备，因此初期投资的成本的增大成为问题。而且，在冷却至低温时，会产生冷点，因此冷却速度局部性地上升，可能向马氏体或贝氏体这样的韧性或耐磨损性显著下降的组织进行相变。
因此，本发明着眼于上述的课题而作出，其目的在于提供一种能够廉价地制造高硬度且高韧性的钢轨的钢轨的冷却装置及制造方法。
用于解决课题的方案
根据本发明的一形态，提供一种钢轨的冷却装置，通过向奥氏体温度区域的钢轨的头部及脚部喷射冷却介质来对上述钢轨进行强制冷却，其中，上述钢轨的冷却装置具备：第一冷却部，具有多个第一冷却集管及第一驱动部，所述多个第一冷却集管向上述头部的头顶面及头侧面喷射气体的上述冷却介质，所述第一驱动部通过使上述多个第一冷却集管中的至少一个第一冷却集管移动而使从该第一冷却集管喷射的冷却介质的喷射距离变化；及第二冷却部，具有向上述脚部喷射上述冷却介质的第二冷却集管。
根据本发明的一形态，提供一种钢轨的制造方法，其中，在通过向奥氏体温度区域的钢轨的头部及脚部喷射冷却介质来对上述钢轨进行强制冷却时，从多个第一冷却集管向上述头部的头顶面及头侧面喷射气体的上述冷却介质，从第二冷却集管向上述脚部喷射上述冷却介质，通过使上述多个第一冷却集管中的至少一个第一冷却集管移动而使从该第一冷却集管喷射的冷却介质的喷射距离变化。
发明效果
根据本发明的一形态，提供一种能够廉价地制造高硬度且高韧性的钢轨的钢轨的冷却装置及制造方法。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的冷却装置的长度方向剖面示意图。
图2是本发明的一实施方式的冷却装置的宽度方向中央剖面示意图。
图3是表示钢轨的各部位的剖视图。
图4是表示冷却装置的周边设备的俯视图。
具体实施方式
在以下的详细的说明中，为了提供本发明的实施方式的完全理解而记载较多的特定的详细部分。然而，即使没有上述特定的详细部分也能够以一个以上的实施方式实施的情况不言自明。除此之外，为了简化附图而以简图示出周知的结构及装置。
<冷却装置的结构>
首先，参照图1～图4，说明本发明的一形态的钢轨1的冷却装置2的结构。冷却装置2在后述的热轧工序或热锯断工序之后进行的热处理工序中使用，对高温的钢轨1进行强制冷却。如图3所示，钢轨1在与钢轨1的长度方向正交的剖视观察下，由头部11、脚部12、腹板部13构成。头部11及脚部12在图3的剖视观察下，在上下方向(图3的上下方向)上相对，在宽度方向(图3的左右方向)上分别延伸。腹板部13将在上下方向的上侧配置的头部11的宽度方向的中央与在下侧配置的脚部12的宽度方向的中央连结，并沿上下方向延伸。
如图1所示，冷却装置2具备第一冷却部21、第二冷却部22、一对夹紧件23a、23b、机器内温度计24、搬运部25、控制部26、以及根据需要而设置的测距仪27。强制冷却的钢轨1以正立姿势配置于冷却装置2。正立姿势是头部11配置于成为铅垂方向上侧的z轴方向正方向侧且脚部12配置于成为铅垂方向下侧的z轴方向负方向侧的状态。需要说明的是，在图1及图4中，x轴方向是头部11及脚部12延伸的宽度方向，y轴方向是钢轨1的长度方向。而且，x轴、y轴及z轴相互正交。
第一冷却部21在图1所示的剖视观察下具有3个第一冷却集管211a～211c、3个第一调整部212a～212c、3个第一驱动部213a～213c。
3个第一冷却集管211a～211c将以几mm～100mm间距配置的冷却介质喷出口与头部11的头顶面(z轴方向上侧的端面)及头侧面(x轴方向的两端面)分别相对地设置。即，在图1所示的剖视观察下，第一冷却集管211a配置在头部11的成为z轴正方向侧的上侧，第一冷却集管211b配置在头部11的成为x轴负方向侧的左侧，第一冷却集管211c配置在头部11的成为x轴正方向侧的右侧。而且，3个第一冷却集管211a～211c沿钢轨1的长度方向(y轴方向)排列而分别设置多个。3个第一冷却集管211a～211c从冷却介质喷出口向头部11的头顶面及头侧面喷射冷却介质，由此对头部11进行强制冷却。需要说明的是，冷却介质使用空气。
3个第一调整部212a～212c分别设置于3个第一冷却集管211a～211c的各冷却介质供给路径。3个第一调整部212a～212c具有测定各冷却介质供给路径中的冷却介质的供给量的测定部(未图示)和调整冷却介质的供给量的流量控制阀(未图示)。而且，3个第一调整部212a～212c与控制部26电连接，并将基于测定部的流量的测定结果向控制部26发送。此外，3个第一调整部212a～212c接受从控制部26取得的控制信号而使流量控制阀动作，调整喷射的冷却介质的喷射流量。即，3个第一调整部212a～212c进行喷射的冷却介质的流量的监视及调整。需要说明的是，3个第一调整部212a～212c在沿钢轨1的长度方向排列而设置多个的3个第一冷却集管211a～211c上分别设置。
3个第一驱动部213a～213c是与3个第一冷却集管211a～211c分别连接而设置的工作缸或电动马达等促动器，能够使第一冷却集管211a沿z轴方向移动，能够使第一冷却集管211b、211c沿x轴方向移动。3个第一驱动部213a～213c与控制部26电连接，接受从控制部26取得的控制信号，使3个第一冷却集管211a～211c沿z轴方向或x轴方向移动。即，利用3个第一驱动部213a～213c而3个第一冷却集管211a～211c分别移动，由此分别调整3个第一冷却集管211a～211c的喷射面与头部11的头顶面或头侧面的距离即冷却介质的喷射距离。喷射距离利用钢轨1的各表面和与它们相对的第一冷却集管211a～211c的喷射面之间的距离来定义。该喷射距离的调整通过使第一驱动部213a～213c驱动而调整集管的x轴方向位置或z轴方向位置来进行。此时，例如，在利用后述的夹紧件23a、23b夹持了钢轨1的脚部12的左右方向的两端部的状态下，按照钢轨的各产品尺寸而事先测定第一冷却集管211a～211c的z轴方向位置或x轴方向位置与喷射距离的关系。并且，基于关于成为冷却对象的钢轨尺寸的该关系，设定第一冷却集管211a～211c的z轴方向位置或x轴方向位置，由此能够得到目标的喷射距离。此外，在开始了基于冷却装置2的冷却之后，基于机器内温度计24的温度测定结果，使第一驱动部213a～213c驱动，使喷射距离变化，由此使冷却速度成为目标范围。即，在冷却速度与目标范围相比过快的情况下，使第一驱动部213a～213c驱动而向喷射距离增大的一侧调整，使冷却速度下降。反之，在冷却速度与目标范围相比过慢的情况下，使第一驱动部213a～213c驱动而向喷射距离减小的一侧调整，使冷却速度加快。
另外，喷射距离的调整也可以如图1或图2所示，在第一冷却集管211a～211c这各集管设置测定各集管至相对的钢轨1的表面的距离的测距仪27，基于这些测距仪27对喷射距离的测定值使第一驱动部213a～213c驱动，来调整喷射距离。这种情况下，预先设置基于测距仪27的测定值来控制第一驱动部213a～213c的驱动的装置。作为该装置的功能可以由控制部26担负，为此将来自测距仪27的信号向控制部26发送。测距仪27可以使用激光位移计或涡流式位移计等测定装置。
在向冷却装置2搬运的阶段或者基于冷却装置2的冷却中，钢轨1有时会产生上下方向(图1中的z轴方向)的弯曲(以下，也称为“翘曲”)或左右方向(图1中的x轴方向)上的弯曲(也仅称为“弯曲”)。该翘曲或弯曲的有无或程度会对实际的喷射距离造成影响。而且，翘曲或弯曲的有无或程度对于成为被冷却材料的每个钢轨而不同。因此，为了进一步提高喷射距离的调整精度，优选基于测距仪27对喷射距离的测定结果而使第一驱动部213a～213c驱动，接近成为目标的喷射距离。
此外，例如，列举第一冷却集管211a的一例时，也可以如图2所示在沿长度方向(图2中的y轴方向)排列的多个第一冷却集管211a的长度方向(y轴方向)的两端侧分别设置测距仪27。通过这样在各第一冷却集管211a设置测距仪27，即使在钢轨1产生翘曲而钢轨1沿长度方向变形为波状的情况下，也能够以沿着钢轨的形状的方式，即，以各第一冷却集管211a的至钢轨1的距离相等的方式，调整各第一冷却集管211a的z轴方向位置(上下方向位置)。由此，能够避免钢轨1的翘曲的影响地进行各第一冷却集管211a的喷射距离的调整。需要说明的是，即使在钢轨1产生翘曲，钢轨1的剖面形状的变化也比上下方向上的翘曲量微小，因此也可以取代在第一冷却集管211a设置的测距仪27而基于在后述的第二冷却集管221设置的测距仪27对第一驱动部213a进行驱动。
此外，也可以与第一冷却集管221a同样，关于第一冷却集管211b、211c也设置测距仪27，基于该测距仪的测定值使驱动部213b、213c驱动。由此，同样地能够避免钢轨1的左右弯曲的发生对喷射距离的影响。
在开始了基于冷却装置2的冷却之后，基于机器内温度计24的温度测定结果，使第一驱动部213a～213c驱动，使喷射距离变化，由此使冷却速度成为目标范围内或者接近目标范围。此时，在冷却中，上下方向的翘曲或左右方向的弯曲的状况变化，喷射距离由于翘曲或弯曲的影响而可能会变化。然而，即使在这样的情况下，也能够利用测距仪27测定各集管与相对的钢轨面之间的距离，因此在将与翘曲的发生相伴的喷射距离的变化加入考虑的基础上，能够正确地设定喷射距离。
需要说明的是，3个第一驱动部213a～213c在沿钢轨1的长度方向排列地设置多个的3个第一冷却集管211a～211c分别设置。
第二冷却部22具有第二冷却集管221、第二调整部222、第二驱动部223c。
第二冷却集管221的以几mm～100mm间距配置的冷却介质喷出口与脚部12的下表面(上下方向下侧的端面)相对设置。即，在图1所示的剖视观察下，第二冷却集管221设置于脚部12的下侧。而且，第二冷却集管221沿钢轨1的长度方向排列设置多个。第二冷却集管221从冷却介质喷出口对于脚部12的下表面喷射冷却介质，由此对脚部12进行强制冷却。需要说明的是，冷却介质可使用空气。
第二调整部222设置于第二冷却集管221的冷却介质供给路径。第二调整部222具有测定冷却介质供给路径中的冷却介质的供给量的测定部(未图示)和调整冷却介质的供给量的流量控制阀(未图示)。而且，第二调整部222与控制部26电连接，将测定部对流量的测定结果向控制部26发送，接受从控制部26取得的控制信号而使流量控制阀动作，调整喷射的冷却介质的喷射流量。即，第二调整部222进行喷射的冷却介质的流量的监视及调整。需要说明的是，第二调整部222在沿钢轨1的长度方向排列而设置多个的第二冷却集管221分别设置。而且，在以下的说明中，将第一冷却集管211a～211c及第二冷却集管221也总称为冷却集管。
第二驱动部223是与第二冷却集管221分别连接设置的工作缸或电动马达等促动器，能够使第二冷却集管221沿上下方向移动。第二驱动部223与控制部26电连接，接受从控制部26取得的控制信号，使第二冷却集管221沿上下方向移动。即，利用第二驱动部223而第二冷却集管221移动，由此调整第二冷却集管221的喷射面与脚部12的下表面之间的距离即冷却介质的喷射距离。在此的喷射距离以脚部12的下表面和与该下表面相对的第二冷却集管221的喷射面之间的距离来定义。该喷射距离的调整通过使第二驱动部223驱动而调整第二冷却集管221的z轴方向位置来进行。此时，例如，在利用后述的夹紧件23a、23b夹持了钢轨1的脚部12的左右方向的两端部的状态下，事先测定第二冷却集管221的z轴方向位置与喷射距离的关系。并且，基于该关系而设定第二集管221的z轴方向位置，由此能够得到目标的喷射距离。
或者，也可以如图1或图2所示，在第二冷却集管221设置测定至第二冷却集管221相对的脚部12的下表面的距离的测距仪27，基于该测距仪27对喷射距离的测定结果使第二驱动部223驱动，来调整喷射距离。这种情况下，预先设置基于测距仪27对喷射距离的测定值来控制第二驱动部223的驱动的装置。作为该装置的功能可以由控制部26担负，为此将来自测距仪27的信号向控制部26发送。测距仪27与设置于第一冷却部211a～211c的情况同样，使用激光位移计或涡流式位移计等测定装置。
在向冷却装置2搬运的阶段或者基于冷却装置2的冷却中产生的翘曲的有无或翘曲的程度对于成为被冷却材料的每个钢轨而不同。因此，与第一冷却集管211a～211c同样，为了进一步提高喷射距离的调整精度，优选基于测距仪27对喷射距离的测定值使第二驱动部223驱动。在此，也可以基于不是设置于第二冷却集管221的测距仪27而是设置于第一冷却集管211a的测距仪27对距离的测定值，使第二驱动部223驱动。
另外，与第一冷却集管211a～211c同样，如图2所示，也可以在沿长度方向排列的多个第二冷却集管221的长度方向的两端侧分别设置测距仪27。通过这样在各第二冷却集管221设置测距仪27，即使在钢轨1产生翘曲而钢轨1沿长度方向呈波状地变形的情况下，也能够以沿着钢轨的形状的方式，即，以各第二冷却集管221的至钢轨1的距离相等的方式，调整各第二冷却集管221的z轴方向位置。由此，能够避免钢轨1的翘曲的影响地进行各第二冷却集管221的喷射距离的调整。需要说明的是，即使在钢轨1产生翘曲，钢轨1的剖面形状的变化也比上下方向上的翘曲量微小，因此也可以取代设置于第二冷却集管221的测距仪27，基于设置于第一冷却集管211a的测距仪27来驱动第二驱动部223。
需要说明的是，第二驱动部223在沿钢轨1的长度方向排列而设置多个的第一冷却集管221上分别设置。
另外，为了根据规格而应对各种不同的钢轨1的尺寸，第一冷却部21及第二冷却部22优选具有能够以相对于钢轨1的头部11及脚部12而冷却集管成为上述的规定的位置的方式变更设置位置的机构。
一对夹紧件23a、23b是通过分别夹持脚部12的左右方向的两端部而对钢轨1进行支承及限制的装置。一对夹紧件23a、23b遍及钢轨1的长度方向的全长地每次分离几米地设置多个。
机器内温度计24是放射温度计等非接触型的温度计，测定头部11的至少一部位的表面温度。机器内温度计24与控制部26电连接，将头顶面的表面温度的测定结果向控制部26发送。而且，机器内温度计24在进行钢轨1的强制冷却期间，以规定的时间的间隔连续地测定头部的表面温度。
搬运部25是与一对夹紧件23a、23b连接的搬运装置，通过使一对夹紧件23a、23b沿钢轨1的长度方向移动而在冷却装置2内搬运钢轨1。
控制部26基于机器内温度计24的测定结果，对3个第一调整部212a～212c、第二调整部222、3个第一驱动部213a～213c及第二驱动部223进行控制，由此调整冷却介质的喷射距离及喷射流量。由此，控制部26以成为目标的冷却速度的方式，调整头部11的冷却速度。关于控制部26进行的冷却介质的喷射距离及喷射流量的调整方法，在后文叙述。
另外，如图4所示，在冷却装置2的周边设有搬入台3和搬出台4。搬入台3是从热轧工序等前工序向冷却装置2搬运钢轨1的台。搬出台4是将利用冷却装置2进行了热处理后的钢轨1向冷却床或检查设备等的下一工序搬运的台。
<钢轨的制造方法>
接下来，说明本实施方式的钢轨的制造方法。在本实施方式中，制造耐磨损性及韧性优异的珠光体系的钢轨1。作为钢轨1，例如，可以使用由以下的化学成分组成构成的钢。需要说明的是，与化学成分相关的％显示只要没有特别限制就是指质量百分数。
C：0.60％以上且1.05％以下
C(碳)是在珠光体系钢轨中，形成渗碳体而提高硬度或强度并提高耐磨损性的重要的元素。然而，C含量小于0.60％的话，它们的效果小，因此C含量优选为0.60％以上，更优选为0.70％以上。另一方面，C的过度的含有会导致渗碳体量的增加，因此虽然能够期待硬度或强度的上升，但是反之会使延展性下降。而且，C含量的增加使γ+θ区域的温度范围扩大，会助长焊接热影响部的软化。考虑到这些不良影响，C含量优选为1.05％以下，更优选为0.97％以下。
Si：0.1％以上且1.5％以下
Si(硅)在钢轨材料中为了脱氧剂及珠光体组织强化而添加，但是含量小于0.1％的话，上述的效果小。因此，Si的含量优选为0.1％以上，更优选为0.2％以上。另一方面，Si的过度的含有会促进脱碳，促进钢轨1的表面瑕疵的生成。因此，Si含量优选为1.5％以下，更优选为1.3％以下。
Mn：0.01％以上且1.5％以下
Mn(锰)具有使珠光体相变温度下降并使珠光体片层间隔致密的效果，因此是为了至钢轨1的内部为止维持高硬度而有效的元素，但是含量小于0.01％的话，其效果小。因此，Mn含量优选为0.01％以上，更优选为0.3％以上。另一方面，Mn含量超过1.5％的情况下，珠光体的平衡相变温度(TE)下降，并且组织容易发生马氏体相变。因此，Mn含量优选为1.5％以下，更优选为1.3％以下。
P：0.035％以下
P(磷)如果含量超过0.035％，则会使韧性或延展性下降。因此，优选抑制P含量。具体而言，P含量优选为0.035％以下，更优选为0.025％以下。需要说明的是，如果为了极力减少P含量而进行特殊的精炼等，则会导致熔炼时的成本上升。因此，P含量优选为0.001％以上。
S：0.030％以下
S(硫)形成沿轧制方向伸展并使延展性或韧性下降的粗大的MnS。因此，优选抑制S含量。具体而言，S含量优选为0.030％以下，更优选为0.015％以下。需要说明的是，为了极力减少S含量而熔炼处理时间或助熔剂的增大等熔炼时的成本上升显著。因此，S含量优选为0.0005％以上。
Cr：0.1％以上且2.0％以下
Cr(铬)使平衡相变温度(TE)上升，有助于珠光体片层间隔的微细化，使硬度或强度上升。而且，Cr通过与Sb的并用效果而对于脱碳层的生成抑制有效。因此，Cr含量优选为0.1％以上，更优选为0.2％以上。另一方面，Cr含量超过2.0％的情况下，产生焊接缺陷的可能性增加，并且淬火性增加，能促进马氏体的生成。因此，Cr含量优选为2.0％以下，更优选为1.5％以下。
需要说明的是，Si及Cr的含量的总量优选为2.0％以下。这是因为，在Si及Cr的含量的总量超过2.0％的情况下，锈皮的紧贴性过度增加，因此会阻碍锈皮的剥离，可能会促进脱碳。
作为钢轨1而使用的钢除了上述的化学组成之外，也可以还含有0.5％以下的Sb、1.0％以下的Cu、0.5％以下的Ni、0.5％以下的Mo、0.15％以下的V及0.030％以下的Nb中的1种或2种以上的元素。
Sb：0.5％以下
Sb(锑)具有在利用加热炉对钢轨钢原料进行加热时防止该加热中的脱碳这样显著的效果。特别是Sb与Cr一起添加时，Sb的含量为0.005％以上而具有减少脱碳层的效果。因此，在含有Sb的情况下，Sb含量优选为0.005％以上，更优选为0.01％以上。另一方面，如果Sb含量超过0.5％，则效果饱和。因此，Si含量优选为0.5％以下，更优选为0.3％以下。需要说明的是，即使在积极地避免含有Sb的情况下，有时也会含有0.001％以下的Sb作为杂质。
Cu：1.0％以下
Cu(铜)是通过固溶强化而能够实现进一步的高硬度化的元素。而且，Cu对于脱碳抑制也有效。在期待该效果而含有Cu的情况下，Cu含量优选为0.01％以上，更优选为0.05％以上。另一方面，在Cu含量超过1.0％的情况下，在连续铸造时或轧制时容易产生脆化引起的表面破裂。因此，Cu含量优选为1.0％以下，更优选为0.6％以下。
Ni：0.5％以下
Ni(镍)是为了提高韧性或延展性而有效的元素。而且，Ni是通过与Cu复合地添加而对于抑制Cu破裂也有效的元素。因此，在添加Cu的情况下，希望添加Ni。但是，在Ni含量小于0.01％的情况下，得不到这些效果。因此，在期待这些效果而含有Ni的情况下，Ni含量优选为0.01％以上，更优选为0.05％以上。另一方面，在Ni含量超过0.5％的情况下，淬火性升高，会促进马氏体的生成。因此，Ni含量优选为0.5％以下，更优选为0.3％以下。
Mo：0.5％以下
Mo(钼)是对于高强度化有效的元素，但是含量小于0.01％的话，其效果小。因此，为了使Mo有助于高强度化，Mo含量优选为0.01％以上，更优选为0.05％以上。另一方面，在Mo含量超过0.5％的情况下，淬火性升高并生成马氏体，因此韧性或延展性极端下降。因此，Mo含量优选为0.5％以下，更优选为0.3％以下。
V：0.15％以下
V(钒)是形成VC或VN等而向铁素体中微细地析出，通过铁素体的析出强化而有助于高强度化的元素。而且，V也作为氢的陷阱位点发挥作用，也能够期待抑制延迟破坏的效果。为了得到基于V的这些效果，V含量优选为0.001％以上，更优选为0.005％以上。另一方面，超过0.15％的V的添加相对于上述的效果的饱和来说合金成本的上升非常大。因此，V含量优选为0.15％以下，更优选为0.12％以下。
Nb：0.030％以下
Nb(铌)使奥氏体的未再结晶温度区域向高温侧上升，促进轧制时的加工应变向奥氏体中的导入，对由此产生的珠光体团或块尺寸的微细化有效。由此，Nb是对于延展性或韧性提高来说有效的元素。为了得到由Nb产生的这些效果，Nb含量优选为0.001％以上，更优选为0.003％以上。另一方面，在Nb含量超过0.030％的情况下，在钢坯等钢轨的钢原料的铸造时的凝固过程中，Nb碳氮化物结晶，使清洁性下降。因此，Nb含量优选为0.030％以下，更优选为0.025％以下。
上述的成分以外的其余部分包含Fe(铁)及不可避免的杂质。作为不可避免的杂质，关于N(氮)，能够允许混入至0.015％为止，关于O(氧)，能够允许混入至0.004％为止，关于H(氢)，能够允许混入至0.0003％为止。而且，抑制硬质的AlN或TiN引起的滚动疲劳特性的下降。因此，Al含量优选为0.001％以下。而且，Ti含量优选为0.002％以下，更优选为0.001％以下。需要说明的是，钢轨1的化学成分组成优选由上述的成分和其余部分的Fe及不可避免的杂质构成。
在本实施方式的钢轨1的制造方法中，首先，将例如利用连续铸造法铸造的成为钢轨1的原料的上述化学成分组成的钢坯向加热炉搬入，加热至成为1100℃以上。
接下来，将加热后的钢坯利用开坯轧制机、粗轧机及精轧机分别轧制1道次以上，最终轧制成图2所示的形状的钢轨1(热轧工序)。此时，轧制后的钢轨1的长度方向的长度成为50m～200m左右，根据需要，被热锯断，成为例如25m的长度(热锯断工序)。需要说明的是，在钢轨1的长度方向的长度短的情况下，在之后的热处理工序中，在进行冷却时，意料外地会产生向长度方向的端面喷射的冷却介质的影响。因此，热处理工序中使用的钢轨1的长度方向的长度成为钢轨1的从头部11的上表面(z轴负方向侧的端面)至脚部12的下表面(z轴负方向侧的端面)为止的高度的3倍以上。另一方面，热处理工序中使用的钢轨1的长度方向的长度的上限设为轧制长度(热轧工序中的最大轧制长度)。
热轧后或热锯断后的钢轨1由搬入台3搬运至冷却装置2，由冷却装置2冷却(热处理工序)。此时，向冷却装置2搬运的钢轨1的温度希望为奥氏体温度区域。矿山用或弯路区间用所使用的钢轨需要成为高硬度，因此需要在轧制后利用冷却装置2使其急速冷却。这是因为通过使珠光体的片层间隔微细而形成为高硬度的组织，通过提高相变中的过冷度，即，通过提高相变中的冷却速度，能够得到这样的高硬度的组织。然而，在进行冷却装置2中的冷却之前如果钢轨1的组织发生相变，则成为自然放冷中的极慢的冷却速度下的相变，因此无法得到高硬度的组织。因此，在利用冷却装置2开始冷却时，在钢轨1的温度成为奥氏体温度区域以下的情况下，优选在将钢轨1再加热至奥氏体温度区域之后进行热处理工序。
另一方面，在利用冷却装置2开始冷却时，在钢轨1的温度为奥氏体温度区域的情况下，不需要进行再加热。
在热处理工序中，在将钢轨1搬运到冷却装置2之后，利用夹紧件23a、23b限制钢轨1的脚部12。然后，从3个第一冷却集管211a～211c及第二冷却集管221喷射冷却介质，由此将钢轨1急速冷却。此时，热处理中的冷却速度优选根据所希望的硬度而变化，此外，如果过度地提升冷却速度，则产生马氏体相变，有时会损害韧性。因此，控制部26根据冷却中的机器内温度计24的测温结果来算出冷却速度，根据能得到的冷却速度和预先设定的目标的冷却速度，来调整冷却介质的喷射距离及喷射流量。
具体而言，在算出的冷却速度相对于目标的冷却速度低的情况下，控制部26以冷却介质的喷射距离短且冷却介质的喷射流量增多的方式控制3个第一调整部212a～212c、第二调整部222、3个第一驱动部213a～213c及第二驱动部223。另一方面，在算出的冷却速度相对于目标的冷却速度低的情况下，控制部26以冷却介质的喷射距离长且冷却介质的喷射流量减少的方式控制3个第一调整部212a～212c、第二调整部222、3个第一驱动部213a～213c及第二驱动部223。此时，如果需要，控制部26也可以停止冷却介质的喷射，进行基于自然放冷的冷却。
另外，冷却介质的喷射距离及喷射流量的调整可以同时调整喷射距离及喷射流量，也可以优先调整喷射距离。此外，为了使控制容易，也可以根据推定的温度履历等而将热处理工序分为多个阶段(冷却步骤)，在各阶段中，将冷却介质的喷射距离和喷射流量中的一方设定为恒定。并且，关于未设定为恒定的另一方的喷射距离或喷射流量，也可以根据由机器内温度计24的测定结果而能得到的冷却速度，以成为目标的冷却速度的方式进行调整。需要说明的是，由控制部26进行的基于机器内温度计24的测定结果的冷却速度的调整按照机器内温度计24的测定间隔或热处理工序的各阶段等，以任意的时间的间隔进行。
需要说明的是，在冷却集管与钢轨1的间隙即喷射距离过短的情况下，在钢轨1变形时，冷却集管与钢轨1接触，成为设备破损的原因。因此，喷射距离优选设为5mm以上。另一方面，在喷射距离过长的情况下，由于喷射的空气的速度减衰而成为与自然放冷同等的冷却能力。如前所述，如果冷却速度显著下降，则硬度受损，因此喷射距离的上限优选设为200mm，但是也可以不用特别限定。需要说明的是，如果利用3个第一驱动部213a～213c及第二驱动部223使各冷却集管的移动距离增加，则需要延长工作缸的行程，因此初期的设备投资成本增大。因此，从设备投资成本的观点出发，也可以设定喷射距离的上限。
在此，在基于第一冷却部21的冷却中，由于将钢轨1的头部11的组织设为高硬度且韧性优异的微细的珠光体组织，因此主要将头部11冷却。另一方面，在基于第二冷却部22的冷却中，为了抑制由于头部11与脚部12的温度之差而产生的钢轨1的全长的上下翘曲(上下方向上的弯曲)，主要将脚部12冷却。由此，能控制头部11与脚部12的温度平衡。在想要使钢轨1的头部11的硬度上升的情况下，需要提高头部11的冷却速度(冷却量)，因此使设置于3部位的第一冷却集管211a～211c中的至少一个以上的第一冷却集管211a～211c移动而缩短喷射距离的情况有效。而且，在提高头部11的冷却速度的情况下，为了抑制上下翘曲，脚部12的冷却速度也需要较高。这种情况下，使第二冷却集管221移动而缩短喷射距离的情况有效。即，优选根据作为目标的组织或用途等来选择使喷射距离变化的冷却集管。
另外，如前所述，为了在热处理中产生相变而形成为高硬度的组织，需要在热处理中将至想要成为高硬度的深度为止的相变完成。高硬度的组织所需的深度根据使用时的用途而适当设定。并且，头部11的表面进行冷却直至至少成为与高硬度的组织所需的深度相对应的温度为止。例如，在从表面至15mm的深度需要HB330～390左右的高硬度的组织的情况下，在头部11的表面温度为550℃以下，至15mm的深度为止需要HB390以上的高硬度的组织的情况下，需要进行冷却直至头部11的表面温度成为500℃以下为止。而且，在从表面至25mm的深度为止需要HB330～390左右的高硬度的组织的情况下，在头部11的表面温度为450℃以下，从表面至25mm的深度为止需要HB390以上的高硬度的组织的情况下，需要进行冷却直至头部11的表面温度成为445℃以下为止。
在热处理工序之后，钢轨1由搬出台4搬运至冷却床，在冷却床处被冷却为常温～200℃。并且，在接受了检查之后，被出厂。在检查中，进行维氏硬度试验或布氏硬度试验。
在煤或铁矿石等的天然资源采矿场这样的严苛的环境下，对于钢轨1要求高耐磨损性和高韧性。因此，在这样的环境下使用的钢轨1不优选使耐磨损性下降的贝氏体组织或使耐疲劳损伤性下降的马氏体组织，而优选为98％以上的珠光体组织。而且，使片层间隔微细化并高硬度化了的珠光体组织能提高耐磨损性。不仅对于刚制造之后的头部11的表面要求耐磨损性，而且对于磨损之后的表面也要求耐磨损性。钢轨1的更换基准根据铁路公司而不同，但是最多利用至25mm深度为止，因此从表面至最大25mm深度为止要求规定的硬度。特别是在弯路区间，列车受到离心力，因此对于钢轨1施加大的力，容易磨损。在弯路区间中，将钢轨1的头部11的表面的硬度设为HB420以上，将使用的深度的硬度设为HB390以上，由此能够实现长寿命化。
<变形例>
以上，参照特定的实施方式而说明了本发明，但是没有意图通过这些说明来限定发明。通过参照本发明的说明，本领域技术人员与公开的实施方式的各种变形例一起也可知本发明的其他的实施方式。因此，权利要求书应理解为也包括本发明的范围及主旨所包含的这些变形例或实施方式。
例如，在上述实施方式中，通过调整向头部11喷射的冷却介质的喷射距离及喷射流量来控制头部11的冷却速度的调整，但是本发明没有限定为上述例子。例如，头部11的冷却速度的调整也可以通过使向头部11喷射的冷却介质的喷射流量恒定而仅调整向头部11喷射的冷却介质的喷射距离来进行。这种情况下，控制部26根据机器内温度计24的测定结果，对3个第一驱动部213a～213c及第二驱动部223进行控制，对喷射距离进行控制，由此进行冷却速度的调整。在这样的结构中，喷射流量恒定，且其控制变得容易，因此能够简化第一冷却部21及第二冷却部22的结构。
另外，在上述实施方式中，在3个第一冷却集管211a～211c分别设置3个第一驱动部213a～213c，但是本发明没有限定为上述的例子。如上所述，只要能够调整3个第一冷却集管211a～211c中的至少一个的第一冷却集管中的冷却介质的喷射距离即可。因此，可以设为能够使3个第一冷却集管211a～211c中的设有第一驱动部的一个以上的冷却集管移动的结构，也可以设为利用一个第一驱动部能够使全部的第一冷却集管211a～211c向某一方向移动的结构。
此外，在上述实施方式中，根据头部11的冷却速度的变化来调整向脚部12喷射的冷却介质的喷射距离及喷射流量，由此控制脚部12的冷却速度的调整，但是本发明没有限定为上述的例子。例如，脚部12的冷却速度的调整也可以通过仅调整向脚部12喷射的冷却介质的喷射距离及喷射流量中的一方来进行。而且，如果由钢轨1的头部11与脚部12的冷却速度之差产生的上下翘曲没有问题，则不用进行向脚部12喷射的冷却介质的喷射距离及喷射流量的调整，也可以通过恒定的喷射距离及喷射流量进行脚部12的强制冷却。
此外，在上述实施方式中，作为一例而示出了特定的化学成分组成，但是本发明没有限定为上述的例子。使用的钢的化学成分组成根据使用用途或需要的特性，也可以使用上述以外的化学成分组成。
此外，在上述实施方式中，基于机器内温度计24的测定结果来控制冷却介质的喷射距离及喷射流量，但是本发明没有限定为上述的例子。例如，根据热处理工序的钢轨1的表面温度或温度变化的数值解析、过去的实际成绩等能够推定热处理工序中的温度变化的情况下，也可以根据所推定的温度变化而预先设定冷却介质的喷射距离及喷射流量，以设定的值使喷射距离及喷射流量变化。
此外，在上述实施方式中，在钢轨1的与长度方向正交的剖面中，在冷却装置2设置3个第一冷却集管211a～211c，但是本发明没有限定为上述的例子。在钢轨1的与长度方向正交的剖面中，第一冷却集管只要设置多个即可，设置的个数没有特别限定。
此外，在上述实施方式中，冷却介质使用了空气，但是本发明没有限定为上述的例子。使用的冷却介质只要为气体即可，也可以为N2或Ar等其他的成分组成。
<实施方式的效果>
(1)本发明的一形态的钢轨1的冷却装置2是通过向奥氏体温度区域的钢轨1的头部11及脚部12喷射冷却介质而对钢轨1进行强制冷却的钢轨的冷却装置2，具备：第一冷却部21，具有向头部11的头顶面及头侧面喷射气体的冷却介质的多个第一冷却集管211a～211c、通过使多个第一冷却集管211a～211c中的至少一个第一冷却集管211a～211c移动而使从第一冷却集管211a～211c喷射的冷却介质的喷射距离变化的第一驱动部213a～213c；及第二冷却部22，具有向脚部12喷射气体的冷却介质的第二冷却集管221。
根据上述(1)的结构，通过调整冷却介质的喷射距离而能够控制冷却速度，因此与例如仅通过冷却介质的喷射流量的调整来控制冷却速度的方法相比，能够减少冷却介质的使用量，因此能够更廉价地制造钢轨1。而且，由于冷却介质为气体，因此与例如专利文献2那样切换冷却介质而进行喷雾冷却的方法相比，不需要使用水，能够简化设备，因此能够更廉价地制造钢轨1。此外，即使在冷却至低温时，也没有产生冷点的可能性，因此至少能够将头部11的组织的98％以上形成为微细的珠光体组织，能够提高韧性、硬度、耐磨损性。
(2)在上述(1)的结构中，还具备通过控制第一驱动部213a～213c来调整喷射距离的控制部26和测定钢轨1的表面温度的机器内温度计24，控制部26根据由机器内温度计24的测定结果能得到的冷却速度和预先设定的目标冷却速度，来调整喷射距离。
根据上述(2)的结构，能够根据冷却速度的实际成绩，以成为作为目标的最适的温度履历的方式对钢轨1进行强制冷却。
(3)在上述(1)或(2)的结构中，第一冷却部还具备使从多个第一冷却集管喷射的冷却介质的喷射流量变化的第一调整部。
在此，在例如专利文献1那样仅调整喷射流量来控制冷却速度的方法的情况下，仅是喷射流量的增加的话，冷却速度的上升存在限度。因此，在专利文献1那样的制造方法的情况下，例如，即使要适用于在矿山用的弯路区间使用的要求高耐磨损性的钢轨，也难以将内部高硬度化至要求的品质。
相对于此，根据上述(3)的结构，由于能够调整喷射距离及喷射流量，因此通过缩短喷射距离并增大喷射流量，能够进一步提高冷却速度。因此，与专利文献1的方法相比，能够至头部11的内部为止将硬度或耐磨损性提高。
(4)在上述(1)～(3)的任一结构中，第二冷却部还具有通过使第二冷却集管移动而使从第二冷却集管喷射的冷却介质的喷射距离变化的第二驱动部。
根据上述(4)的结构，能够实现头部11与脚部12的冷却平衡的适当化，因此能够抑制在强制冷却工序中产生的上下翘曲。
(5)在上述(1)～(4)的任一结构中，第一冷却集管211a～211c、第二冷却集管221中的任一个以上具有用于测定喷射距离的测距仪27，并具有基于测距仪27测定到的值来控制第一驱动部213a～213c、第二驱动部223中的任一个以上的装置。
根据上述(5)的结构，即使在钢轨1产生翘曲的情况下或在冷却中产生翘曲的情况下，也能够准确地调整喷射距离，能够高精度地对钢轨1进行冷却。需要说明的是，基于由测距仪27测定到的值来调整位置的驱动部可以为第一驱动部213a～213c、第二驱动部223中的任一个，也可以为一个以上。只要考虑与钢轨1的翘曲或弯曲相伴的喷射距离的变化对冷却速度造成的影响，关于对该影响变大的冷却集管进行驱动的驱动部，基于测距仪27的测定值来进行驱动部的控制即可。
(6)本发明的一形态的钢轨1的制造方法在通过向奥氏体温度区域的钢轨的头部及脚部喷射冷却介质而对钢轨进行强制冷却时，从多个第一冷却集管向头部的头顶面及头侧面喷射气体的冷却介质，从第二冷却集管向脚部喷射气体的冷却介质，使多个第一冷却集管中的至少一个第一冷却集管移动，由此使从第一冷却集管喷射的冷却介质的喷射距离变化。
根据上述(6)的结构，能够得到与上述(1)同样的效果。
实施例1
接下来，说明发明者们进行的实施例1。首先，在实施例1之前，作为现有例1，与上述实施方式不同，以在强制冷却中不变更喷射距离的条件制造钢轨1，关于其材质进行了评价。
在现有例1中，首先，使用连续铸造法铸造了表1所示的条件A～条件D的化学成分组成的钢坯。需要说明的是，钢坯的化学成分组成的其余部分实质上为Fe，具体而言，为Fe及不可避免的杂质。而且，关于表1中的Sb含量，0.001％以下的情况是Sb作为不可避免的杂质而混入的情况。关于表1中的Ti及Al的含量，都是作为不可避免的杂质而混入的情况。
[表1]
接下来，利用加热炉将铸造后的钢坯再加热成1100℃以上之后，从加热炉抽出。并且，以使剖面形状成为最终形状(AREMA(The American Railway Engineering andMaintenance-of-Way Association：美国铁路工程与道路维护协会)规格的141磅钢轨)的钢轨1的方式利用开坯轧制机、粗轧机及精轧机进行了热轧。需要说明的是，在热轧中，钢轨1在头部11和脚部12与搬运台相接的倒立姿势下进行了轧制。
进而，将热轧后的钢轨1向冷却装置2搬运，对钢轨1进行了冷却(热处理工序)。此时，在热轧中钢轨1以倒立姿势被轧制，因此在将钢轨1向冷却装置2搬入时通过旋转而形成脚部12成为铅垂方向下侧且头部11成为铅垂方向上侧的图3所示的正立姿势，利用夹紧件23a、23b对脚部12进行了限制。并且，从冷却集管喷射空气作为冷却介质进行了冷却。而且，将冷却集管～钢轨间的距离即喷射距离设为20mm或50mm而恒定，在冷却期间不变化。此时，根据夹紧件23a、24a、第一冷却集管211a～211c、钢轨的产品尺寸而事先测定及决定相对位置，使第一驱动部213a～213c驱动，由此设定了喷射距离。此外，如专利文献1的冷却方法那样，从在冷却中途产生了基于相变发热的冷却速度的下降时，使冷却介质的喷射流量增加，进行了维持冷却速度的控制。此时，一边利用机器内温度计24连续地进行头部11的温度测定，一边以根据实际成绩的温度而成为恒定的冷却速度的方式利用调整部212a～212c进行了喷射流量的调整。并且，进行冷却直至头部11的表面温度成为430℃以下为止。
在热处理工序之后，将钢轨1从冷却装置2向搬出台4取出，向冷却床搬运，利用冷却床进行冷却直至钢轨1的表面温度成为50℃为止。
然后，使用辊式矫正机进行矫正，制造了成为最终的产品的钢轨1。
此外，在现有例1中，通过对所制造的钢轨1进行冷锯断而选取样品，关于所选取的样品进行了硬度测定。作为硬度测定的方法，在距钢轨1的头部11的宽度方向中央的表面以及头部11的表面为5mm、10mm、15mm、20mm及25mm深度的位置处，进行了布氏硬度试验。表2示出了现有例1中的成分的条件、喷射距离的设定值、冷却速度的实际成绩值及布氏硬度的测定值。而且，关于所选取的各样品，进行了基于硝酸酒精溶液的蚀刻之后，进行了基于光学显微镜的组织观察。
[表2]
接下来，作为实施例1，发明者们尝试了不是控制冷却介质的喷射流量而是通过控制喷射距离来调整强制冷却中的冷却速度的情况。
在实施例1中，首先，使用连续铸造法铸造了表1所示的条件A～条件D的化学成分组成的钢坯。需要说明的是，钢坯的化学成分组成的其余部分实质上为Fe，具体而言，为Fe及不可避免的杂质。
接下来，与现有例1同样，利用加热炉将铸造后的钢坯再加热为1100℃以上之后，以倒立姿势进行了热轧。
进而，将热轧后的钢轨1向冷却装置2搬运，对钢轨1进行了冷却(热处理工序)。此时，与现有例1同样，在向冷却装置2搬入时使钢轨1旋转，在成为正立姿势的状态下，利用夹紧件23a、23b对钢轨1的脚部12进行了限制。然后，从冷却集管喷射空气作为冷却介质进行了冷却。而且，相变开始之前的强制冷却的前一半中的冷却集管～钢轨间的距离即喷射距离设为20mm或50mm而恒定。此时，根据夹紧件23a、24a、第一冷却集管211a～211c、钢轨的产品尺寸而事先测定及决定相对位置，使第一驱动部213a～213c驱动，由此设定了喷射距离。此外，与在冷却中途产生了相变发热引起的冷却速度的下降时相比，使第一冷却集管211a～211c的喷射距离分别从20mm变化为15mm，从50mm变化为45mm，进行了维持冷却速度的控制。并且，进行冷却直至头部11的表面温度成为430℃以下为止。
在热处理工序之后，与现有例1同样，利用冷却床进行冷却直至钢轨1的表面温度成为50℃为止，使用辊式矫正机进行矫正，由此制造出成为最终的产品的钢轨1。
此外，与现有例1同样，通过将制造了的钢轨1进行冷锯断而选取样品，关于所选取的样品进行了硬度测定。表3示出实施例1中的成分的条件、喷射距离的设定值、冷却速度的实际成绩值及布氏硬度的测定值。而且，关于所选取的各样品，与现有例1同样，进行了基于光学显微镜的组织观察。
[表3]
如表3所示，在实施例1中，以成分、喷射距离及冷却速度不同的实施例1-1～1-7这7个条件进行钢轨1的制造，测定了头部11的布氏硬度。需要说明的是，在实施例1-1～1-7中，在强制冷却中不使第二冷却集管221移动，使3个第一冷却集管211a～211c移动而进行了强制冷却。在实施例1-8中，不使第二冷却集管221及2个第一冷却集管211b、222c移动，仅使第一冷却集管211a移动而进行了强制冷却。在实施例1-9中，使3个第一冷却集管211a～211c及第二冷却集管221这全部的冷却集管移动而进行了强制冷却。此时，根据夹紧件23a、24a、第一冷却集管211a～211c、钢轨的产品尺寸而事先测定及决定相对位置，使第一驱动部213a～213c驱动，由此使喷射距离变化。而且，实施例1-1～1-7是以与现有来例1-1～1-7分别相同的冷却速度进行了强制冷却的例子，在现有例1-1～1-7中以冷却介质的喷射流量调整了冷却速度，相对于此，在实施例1-1～1-7中以冷却介质的喷射距离调整冷却速度。
如表2及表3所示，在实施例1-1～1-7中，在头部11的表面及至25mm的深度处，能够确认到与冷却速度成为相同条件的现有例1-1～1-7分别同样的硬度的情况。而且，在现有例1-1～1-7中，在基于相变的发热后，使冷却介质的喷射流量增加，因此在强制冷却中使用的冷却介质的使用量增大。另一方面，在实施例1-1～1-7中，不使冷却介质的喷射流量增加，仅通过使冷却介质的喷射距离变化而能够调整冷却速度，因此与现有例1-1～1-7相比，能够减少在强制冷却中使用的冷却介质的使用量，能够减少能量成本。
另外，在强制冷却中仅使向头部11的头顶面喷射冷却介质的第一冷却集管211a移动的实施例1-8中，能够确认到与以相同成分且相同冷却速度进行制造的实施例1-1相比，表面及5mm深度的硬度上升HB5左右的情况。
此外，在实施例1-1中，确认到制造出的钢轨1每100m产生500mm的下翘曲的情况。相对于此，在强制冷却中使第二冷却集管221移动并以使脚部12的冷却量增加的方式调整了喷射距离的实施例1-9中，实现头部11与脚部12的冷却平衡的适当化，与实施例1-1相比翘曲减少为1/10，每100m成为50mm的下翘曲。
此外，进行了现有例1-1～1-7及实施例1-1～1-9的样品剖面的组织观察时，确认到包含头部11的表面的钢轨1整体成为珠光体组织的情况，未观察到马氏体组织或贝氏体组织。
实施例2
接下来，说明本发明者们进行的实施例2。在实施例2中，与上述实施方式同样地一边使冷却介质的冷却速度及冷却流量变化一边进行强制冷却，关于其材质进行了评价。
首先，在实施例2之前，作为现有例2，如专利文献2那样，不变更喷射距离而进行了在强制冷却中途使冷却介质从空气向雾变化来进行冷却的方法、及在强制冷却中途通过改变冷却介质的喷射压力而使冷却流量变化来进行冷却的方法。在现有例2中，首先，使用连续铸造法铸造了表1所示的条件D及条件F的化学成分组成的钢坯。需要说明的是，钢坯的化学成分组成的其余部分实质上为Fe，具体而言，为Fe及不可避免的杂质。
接下来，与现有例1同样，利用加热炉将铸造后的钢坯再加热为1100℃以上之后，以倒立姿势进行了热轧。
进而，将热轧后的钢轨1向冷却装置2搬运，对钢轨1进行了冷却(热处理工序)。此时，与现有例1同样，在向冷却装置2搬入时使钢轨1旋转，以正立姿势的状态，利用夹紧件23a、23b限制了钢轨1的脚部12。然后，从冷却集管喷射空气或雾作为冷却介质而进行了冷却。而且，冷却集管～钢轨间的距离即喷射距离设为20mm或30mm而恒定，在冷却中不变化。此外，在现有例2中，将热处理工序分为冷却条件不同的初期冷却步骤及最终冷却步骤这2个阶段，进行冷却直至头部11的表面温度成为430℃以下为止。
在热处理工序之后，与现有例1同样，利用冷却床进行冷却直至钢轨1的表面温度成为50℃为止，使用辊式矫正机进行矫正，由此制造出成为最终的产品的钢轨1。
此外，与现有例1同样，通过对所制造的钢轨1进行冷锯断而选取样品，关于所选取的样品进行了硬度测定。表4示出了现有例2及后述的实施例2中的成分的条件、各冷却步骤中的冷却条件(冷却时间(仅初期冷却步骤)、喷射距离的设定值及冷却速度的实际成绩值)及布氏硬度的测定值。而且，关于所选取的各样品，与现有例1同样，进行了基于光学显微镜的组织观察。
[表4]
如表4所示，在现有例2中，以成分及冷却条件不同的现有例2-1、2-2这2个条件进行了钢轨1的制造。在现有例2-1的情况下，在强制冷却开始后，在第一冷却步骤中，冷却介质使用空气进行冷却，在经过了20秒之后，在最终冷却步骤中，将冷却介质从空气切换为雾而进行了150秒的冷却。而且，在现有例2-2的情况下，在强制冷却开始后，在初期冷却步骤及最终冷却步骤中，都使用空气作为冷却介质进行了冷却。此外，在现有例2-2中，在初期冷却步骤中从强制冷却开始起至经过30秒为止的期间，冷却介质的喷射压力设为5kPa，然后，利用第二冷却步骤，至经过150秒为止的期间，将冷却介质的喷射压力设为100kPa而进行了强制冷却。
在现有例2-2中，在最终冷却步骤中伴随着喷射压力的增大而喷射流量也增大。而且，在现有例2-2中，将最终冷却步骤的冷却速度的目标确定为15℃/秒，但是确认到尽管以100kPa这样的高压(高流量)喷射了冷却介质，不过冷却速度的实际成绩成为12℃/秒，未达到目标的冷却速度的情况。
另外，关于现有例2-1的样品，进行了组织观察时，确认到包含表面的钢轨1的整体成为珠光体组织的情况。相对于此，在现有例2-2中，在表面的一部分观察到了马氏体组织或贝氏体组织这样的使韧性或耐磨损性恶化的组织。这考虑是由于喷雾冷却而水滴反复较多地接触的位置被骤冷，生成了称为冷点的区域的情况引起的。
接下来，作为实施例2，与上述实施方式同样，本发明者们使冷却介质的喷射距离及喷射流量变化而进行了钢轨1的制造。
在实施例2中，首先，使用连续铸造法铸造了表1所示的条件A～条件G的化学成分组成的钢坯。需要说明的是，钢坯的化学成分组成的其余部分实质上为Fe，具体而言，为Fe及不可避免的杂质。
接下来，与现有例1同样，利用加热炉将铸造的钢坯再加热为1100℃以上，之后，以倒立姿势进行了热轧。
进而，将热轧后的钢轨1向冷却装置2搬运，对钢轨1进行了冷却(热处理工序)。此时，与现有例1同样，在向冷却装置2搬入时使钢轨1旋转，以正立姿势的状态，利用夹紧件23a、23b限制了钢轨1的脚部12。并且，从冷却集管喷射空气作为冷却介质而进行了冷却。
另外，在实施例2中，将热处理工序分为喷射距离及冷却速度不同的初期冷却步骤和最终冷却步骤这2个阶段、或者初期冷却步骤、中间冷却步骤和最终冷却步骤这3个阶段，进行冷却直至最终头部11的表面温度成为430℃以下为止。此时，以根据机器内温度计24的测定结果而能得到的冷却速度成为目标的冷却速度的方式控制了从第一冷却集管211a～211c喷射的冷却介质的喷射流量。需要说明的是，在此所说的冷却速度是根据各冷却步骤的开始及结束时的表面温度及各冷却步骤花费的时间而计算的值(各冷却步骤中的平均冷却速度)，有时也包括各冷却步骤中产生的相变发热引起的升温。
在热处理工序之后，与现有例1同样，利用冷却床进行冷却直至钢轨1的表面温度成为50℃为止，使用辊式矫正机进行矫正，由此制造出成为最终的产品的钢轨1。
此外，与现有例1同样，通过对所制造的钢轨1进行冷锯断而选取样品，关于所选取的样品进行了硬度测定。而且，关于所选取的各样品，与现有例1同样，进行了基于光学显微镜的组织观察。
如表4所示，在实施例2中，以成分及冷却条件不同的实施例2-1～2-9这9个条件进行了钢轨1的制造。如表4所示，在实施例2-1、2-3、2-4、2-6～2-9的条件中，将热处理工序分为初期冷却步骤及最终冷却步骤这2个阶段进行。而且，在实施例2-2、2-5的条件中，将热处理工序分为初期冷却步骤、中间冷却步骤及最终冷却步骤这3个阶段进行。
实施例2中的组织观察的结果是，在实施例2-1～2-9这全部的条件中，确认到包含表面的头部11的全部的组织成为珠光体组织的情况。即，在冷却条件成为与现有例2-2的初期冷却步骤及最终冷却步骤中的冷却条件相同的实施例2-3中，也能够确认到包含表面的头部11的全部的组织成为珠光体组织，没有马氏体组织或贝氏体组织的情况。而且，在实施例2-3中，能够确认到除了头部11的表面之外的比5mm深的位置处的硬度成为与现有例2-1大致相同的情况。相对于此，在未变更喷射距离而变更冷却介质的喷射流量(喷射压力)并实现了热处理工序中的冷却后一半的冷却速度的上升的实施例2-2中，与冷却条件接近的实施例2-3相比，确认到特别是比10mm深的位置处的硬度下降。
另外，以实施例2-1、2-2的条件制造出的钢轨1确认到达成如下条件：成为能够适用于弯路区间的条件且表面的硬度为HB420以上、25mm深度处的硬度为HB390以上这样的条件。
实施例3
接下来，说明本发明者们进行的实施例3。在实施例3中，与上述实施方式同样地一边使冷却介质的冷却速度变化，一边进行强制冷却，关于喷射距离的决定方法对材质的影响进行了评价。
在实施例3中，首先，使用连续铸造法铸造了表1所示的条件D的化学成分组成的钢坯。需要说明的是，钢坯的化学成分组成的其余部分实质上为Fe，具体而言，为Fe及不可避免的杂质。
接下来，利用加热炉将铸造后的钢坯再加热为1100℃以上之后，以倒立姿势进行了热轧。
进而，将热轧后的钢轨1向冷却装置2搬运，对钢轨1进行了冷却(热处理工序)。此时，在向冷却装置2搬入时使钢轨1旋转，以正立姿势的状态，利用夹紧件23a、23b限制了钢轨1的脚部12。热处理工序的条件设为表4记载的实施例2-1，并且，从冷却集管喷射空气作为冷却介质而进行了冷却。
将热处理工序分为喷射距离及冷却速度不同的初期冷却步骤和最终冷却步骤这2个阶段，进行冷却直至最终头部11的表面温度成为430℃以下为止。此时，以根据机器内温度计24的测定结果而能得到的冷却速度成为目标的冷却速度的方式控制了从第一冷却集管211a～211c喷射的冷却介质的喷射流量。需要说明的是，在此所说的冷却速度是根据各冷却步骤的开始及结束时的表面温度、及各冷却步骤花费的时间而计算的值(各冷却步骤中的平均冷却速度)，有时也包括各冷却步骤中产生的相变发热引起的升温。
表5示出各条件下的冷却条件(冷却时间(仅初期冷却步骤)、喷射距离的设定值及冷却速度的实际成绩值)及距离控制方法。在记载为“相对位置”的条件中，根据夹紧件23a、23b、第一冷却集管211a～211c、钢轨的产品尺寸而事先测定并决定相对位置，使第一驱动部213a～213c驱动，由此使喷射距离变化。在记载为“激光位移计”、“涡流式位移计”的条件中，在图1及图2记载的测距仪27的位置(各集管的宽度方向中央、长度端部)设置激光位移计或涡流式位移计，随时进行该测距仪27对距离的测定，并且在存在误差的情况下以自动地成为规定的喷射距离的方式对第一驱动部213a～213c进行驱动、校正。
[表5]
需要说明的是，第二冷却集管221与钢轨1之间的距离，即，第二冷却集管221的喷射距离设为30mm，不使喷射距离变化地进行了冷却。而且，利用第二冷却集管221冷却的钢轨1的脚部12的目标冷却速度设为1.5℃/秒。
在热处理工序之后，将钢轨1从冷却装置2向搬出台4取出，向冷却床搬运，利用冷却床进行冷却直至钢轨1的表面温度成为50℃为止。
然后，使用辊式矫正机进行矫正，制造出成为最终的产品的钢轨1。此时，最终产品的上下方向的翘曲量是长度方向的每25m沿上下方向为50mm的下翘曲。
并且，通过对所制造的钢轨1进行冷锯断而选取样品，关于所选取的样品进行了硬度测定。作为硬度测定的方法，在钢轨1的头部11的宽度方向中央的表面、以及距头部11的表面为5mm、10mm、15mm、20mm及25mm深度位置处，进行了布氏硬度试验。
如表5所示，布氏硬度的平均值的各条件差为HB3以下，较小，但是将实施例3-1的喷射距离设为根据夹紧件23a、23b、第一冷却集管211a～211c、钢轨的产品尺寸而决定的相对位置的条件的一方与自动控制实施例3-2、3-3的喷射距离的条件相比，从21样品求出的硬度的标准偏差的值大。作为实施例3-1的标准偏差增大的主要原因，可考虑冷却集管沿长度方向串联地配置多个，产生各自的相对位置的测定值的变动或驱动部的机械误差引起的差的情况。
由此，确认到为了控制喷射距离而优选能够在线地测定喷射距离的装置，优选设置激光位移计或涡流式位移计等。
另外，在实施例3中，产品的翘曲量较大，因此在通过第二驱动部223的驱动使第二冷却集管221的冷却速度、喷射距离发生了变化的条件下也进行了热处理工序。此时，将初期冷却步骤的第二冷却集管221的喷射距离设为30mm，将冷却速度控制为1.5℃/秒，在进入最终冷却步骤的时刻，将第二冷却集管221的喷射距离设为20mm，将冷却速度设为2.5℃/秒，进行了冷却。其结果是，钢轨每25m的翘曲量成为上翘曲10mm，翘曲量减少，且成功地控制了翘曲量。
标号说明
1 钢轨
11 头部
12 脚部
13 腹板部
2 冷却装置
21 第一冷却部
211a～211c 第一冷却集管
212a～212c 第一调整部
213a～213c 第一驱动部
22 第二冷却部
221 第二冷却集管
222 第二调整部
223 第二驱动部
23a、23b 夹紧件
24 机器内温度计
25 搬运部
26 控制部
27 测距仪
3 搬入台
4 搬出台
5 出侧温度计。

Claims (6)

1.一种钢轨的冷却装置，通过向奥氏体温度区域的钢轨的头部及脚部喷射冷却介质来对所述钢轨进行强制冷却，其中，
所述钢轨的冷却装置具备：
第一冷却部，具有多个第一冷却集管及第一驱动部，所述多个第一冷却集管向所述头部的头顶面及头侧面喷射气体的所述冷却介质，所述第一驱动部通过使所述多个第一冷却集管中的至少一个第一冷却集管移动而使从该第一冷却集管喷射的冷却介质的喷射距离变化；及
第二冷却部，具有向所述脚部喷射所述冷却介质的第二冷却集管。
2.根据权利要求1所述的钢轨的冷却装置，其中，
所述钢轨的冷却装置还具备：
控制部，通过控制所述第一驱动部来调整所述喷射距离；及
机器内温度计，测定所述钢轨的表面温度，
所述控制部根据由所述机器内温度计的测定结果而得到的冷却速度和预先设定的目标冷却速度来调整所述喷射距离。
3.根据权利要求1或2所述的钢轨的冷却装置，其中，
所述第一冷却部还具备第一调整部，该第一调整部使从所述多个第一冷却集管喷射的所述冷却介质的喷射流量变化。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的钢轨的冷却装置，其中，
所述第二冷却部还具有第二驱动部，该第二驱动部通过使所述第二冷却集管移动而使从该第二冷却集管喷射的冷却介质的喷射距离变化。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的钢轨的冷却装置，其中，
所述第一冷却集管和所述第二冷却集管中的任意一个以上的冷却集管具有用于测定所述喷射距离的测距仪，
所述钢轨的冷却装置具有基于该测距仪测定到的值来控制所述第一驱动部和第二驱动部中的任意一个以上的驱动部的装置。
6.一种钢轨的制造方法，其中，
在通过向奥氏体温度区域的钢轨的头部及脚部喷射冷却介质来对所述钢轨进行强制冷却时，
从多个第一冷却集管向所述头部的头顶面及头侧面喷射气体的所述冷却介质，
从第二冷却集管向所述脚部喷射所述冷却介质，
通过使所述多个第一冷却集管中的至少一个第一冷却集管移动而使从该第一冷却集管喷射的冷却介质的喷射距离变化。
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