JP2014189879A

JP2014189879A - レールの冷却方法

Info

Publication number: JP2014189879A
Application number: JP2013068883A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Fukuda; 啓之福田; Kenji Okushiro; 賢士奥城; Hideo Kijima; 秀夫木島; Moriyasu Yamaguchi; 盛康山口; Tatsuki Kimura; 達己木村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】レール表面を高硬度のパーライト組織とするとともに、レール内部の高硬度を実現すること。
【解決手段】冷却装置３は、オーステナイト域温度以上の高温のレール１を加速冷却する。この冷却装置３は、冷却初期はレール１表面にエアを噴射してエア冷却を行い、冷却中にレール１表面の温度が昇温する間またはレール１表面の温度がほぼ一定となる間をレール１表面の変態中とし、この変態の開始時よりも後の所定の切替タイミングでエア冷却からレール１表面にミストを噴射するミスト冷却に切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、オーステナイト域温度以上の高温のレールを加速冷却するレールの冷却方法に関する。

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で、レール頭部に求められる硬度等の所望の品質を確保するための冷却が行われる。この冷却は、レール頭部を微細なパーライト組織とするためのものであり、レール頭部がオーステナイトからパーライトに完全に変態するまで行われる。例えば、従来から、エアや冷却水、エア中に冷却水を混合したミスト等の冷却媒体を用い、目標の硬度が得られる所定の冷却速度でレールを加速冷却（以下、単に「冷却」ともいう。）している。

ところで、レール頭部の高硬度を実現するためには、冷却時の冷却速度が重要となる。特に、高炭素鋼レールにおいて高硬度を得るためには、レール頭部を安定したパーライト組織とする必要があり、そのためには冷却速度をより速くする必要がある。この種の課題を解決するための技術として、例えば特許文献１には、冷却用加圧気体と冷却水との混合体からなる冷却媒体をミスト噴射して圧延鋼材を冷却する技術が開示されている。この特許文献１の技術では、水滴の衝突速度を高くして圧延鋼材に付着する水滴を迅速に除去することによって圧延鋼材表面における蒸気膜の形成を抑制し、冷却速度を大幅に向上させつつ均一な加速冷却を可能にしている。

特開２００９−２０２１９７号公報

上記した特許文献１の技術では、気水比を調整することで概ね１６［℃／ｓ］以上の冷却速度を実現している。しかしながら、本発明の発明者等の検討によると、このような速い冷却速度でのミスト冷却をオーステナイト域温度から行ってしまうと、レール頭部の表面にごく微視的ではあるが過冷却部が点在的に発生し、この過冷却部が均一なパーライト組織にならずにマルテンサイト変態したりベイナイト変態する場合があった。すなわち、オーステナイト域温度のような高温状態のレールに対して速い冷却速度でミスト冷却を行うと、微視的ではあっても局部的に水分が付着し易くなる（「濡れ易い」等ともいわれる。）領域が生じてしまうことを原理的に防止できない。この領域は、濡れているがために温度が降下しさらに濡れ易くなるという性質があるため、過冷却部となってしまうのである。マルテンサイト変態すると硬度は高まるが、延性が失われるという問題がある。ベイナイト変態すると、硬度が低下してしまう。

一方で、エアのみによる冷却では十分な冷却速度が達成できないためレール頭部の表面硬度が上昇せず、加えて、内部の硬度が表面硬度に比べてさらに低くなるという問題があった。噴射するエア量を増やすことで冷却能力を上昇させることも可能ではあるが、膨大なエア量が必要となり、コストの増大を招く。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、レール表面を高硬度のパーライト組織とするとともに、レール内部の高硬度を実現することができるレールの冷却方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるレールの冷却方法は、オーステナイト域温度以上の高温のレールを加速冷却するレールの冷却方法であって、冷却初期は前記レールの表面にエアを噴射してエア冷却を行い、冷却中に前記レール表面の温度が昇温する間または前記レール表面の温度がほぼ一定となる間を前記レール表面の変態中とし、該変態の開始時よりも後の所定の切替タイミングで前記エア冷却から前記レール表面にミストを噴射するミスト冷却に切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、レール表面を高硬度のパーライト組織とするとともに、レール内部の高硬度を実現することができる。

図１は、レールを冷却する冷却装置の要部構成例を示す模式図である。図２は、冷却装置の主要な制御系の構成例を示すブロック図である。図３は、冷却中のレール頭部の一般的な表面温度の遷移を模式的に示す図である。図４は、レールの冷却手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明のレールの冷却方法を実施するための形態について説明する。なお、この実施の形態によって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。

図１は、本実施の形態のレール１の冷却装置３の要部構成例を示す模式図である。また、図２は、冷却装置３の主要な制御系の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、冷却装置３は、製品断面形状のレール１を硬度等の所望の品質に応じた所定の冷却速度で冷却するためのものであり、製造ライン内に搬送装置等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等とともに設置される。この冷却装置３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が処理位置まで搬送され、冷却装置３は、前述のように処理位置まで搬送されたレール１の頭部１１を所定の冷却速度で冷却する。

この冷却装置３は、レール１の頭部１１の頭頂部分を冷却するための頭頂冷却ヘッダ３１と、頭部１１の頭側部分を冷却するための頭側冷却ヘッダ３３とを備える。これら頭頂冷却ヘッダ３１および頭側冷却ヘッダ３３（以下、これらを包括して適宜「冷却ヘッダ３１，３３」と呼ぶ。）は、それぞれ配管を介してエアおよび冷却水の２つの冷却媒体源と接続され、不図示の複数のノズルからエアのみを噴射し、あるいは、エア中に冷却水を含ませてミストとして噴射する。具体的には、頭頂冷却ヘッダ３１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１中に矢印Ａ１１で示すように、頭部１１の頭頂面に向けてエアまたはミストを噴射して頭部１１を冷却する。頭側冷却ヘッダ３３のノズルは、処理位置のレール１の頭部１１両側方にレール１の長手方向に沿って配置され、図１中に矢印Ａ１３で示すように、頭部１１の両側面に向けてエアまたはミストを噴射して頭部１１を冷却する。

また、冷却装置３は、レール１の頭部１１上方に設けられ、頭部１１の表面温度（より詳細には頭角部の表面温度）を測定する温度計３５を備える。この温度計３５は、図２に示す制御部５と接続されており、随時計測値を制御部５に出力する。

制御部５は、冷却装置３を構成する各部の動作を制御するためのものであり、冷却装置３を動作させ、この冷却装置３が備える種々の機能を実現するためのプログラムやデータ等が記憶される記憶部７と接続されている。この他、制御部５には、図示しないが、必要に応じて各種設定入力を行うための入力装置や表示装置等が適宜接続される。

この制御部５は、主な機能部として、ミスト切替時検出部５１と、冷却ヘッダ制御部５３とを備え、冷却中に温度計３５が測定する頭部１１の表面温度を監視することで後述する頭部１１表面の変態完了時をミスト冷却切替タイミング（切替タイミング）として検出し、冷却ヘッダ３１，３３によるエア冷却とミスト冷却とを切り替えるための処理を行う（冷媒切替処理）。

先ず、冷媒切替処理の原理について説明する。冷却装置３による頭部１１の冷却が開始されると、頭部１１の温度は表面から降下していく。図３は、冷却中の頭部１１の一般的な表面温度の遷移を模式的に示す図である。図３に示すように、冷却開始後の冷却初期では、頭部１１の表面温度は漸次降下していき、この表面温度の降下によって表面のパーライト変態が始まる（表面変態開始時Ｔ_Ｂ）。ここで、パーライト変態中は、変態発熱によって冷却速度が急速に低下する。このため、頭部１１の表面温度は、通常、パーライト変態が始まると一旦上昇する（冷却速度は負の値となる）。ただし、冷却条件等によっては、温度上昇はせずに平坦な温度変化となる場合もある。いずれの場合も、頭部１１の表面温度は、表面のパーライト変態がほぼ完了した時点で再び降下し始める（表面変態完了時Ｔ_Ａ）。

本発明の発明者等は、冷却媒体としてミストを用いることで得られる速い冷却速度を活用しつつ頭部１１の品質を確保するために、ミスト冷却と頭部１１の品質との関係について検討した。その結果、頭部１１表面のパーライト変態がほぼ完了していれば、ある程度速い冷却速度でミスト冷却を行ったとしても表面に上記したような局部的な過冷却部が生成したとしても、表面のパーライト変態はほぼ完了しているため、表面の組織、ひいては硬度や延性等の品質に影響しないことがわかった。

そこで、本実施の形態では、冷却開始後の冷却初期はエア冷却を行い、表面変態完了時Ｔ_Ａをミスト冷却切替タイミングとしてミスト冷却に切り替える。このようにすることで、エア冷却によって頭部１１表面の全域を安定的に高硬度のパーライト組織とすることができ、その上で表面変態完了時Ｔ_Ａ以降はミスト冷却によって冷却速度を上昇させることができる。ここで、表面変態完了時Ｔ_Ａの時点では、頭部１１表面のパーライト変態はほぼ完了しているものの頭部１１内部の変態は完了していないため、その後は内部の変態が進行していく。したがって、表面変態完了時Ｔ_Ａ以降において表面をミスト冷却することによって表面を急速に冷却することによれば、内部の冷却速度を上昇させることができるので、内部の高硬度が実現できる。

図４は、制御部５が冷却切替処理を行うことによって実現されるレール１の冷却手順を示すフローチャートである。冷却装置３は、図４の各工程を行うことでレールの冷却方法を実施する。

図４に示すように、先ず、冷却装置３は、処理位置に搬送されたオーステナイト域温度以上の高温状態のレール１の冷却を開始するが、このとき、冷却ヘッダ制御部５３が、各冷却ヘッダ３１，３３から噴射する冷却媒体をエアにする制御を行い、冷却ヘッダ３１，３３からエアを噴射するエア冷却を開始する（ステップＳ１）。

以上のようにしてレール１の冷却を開始した後は、ミスト切替時検出部５１が、温度計３５から随時入力される頭部１１の表面温度を監視する（ステップＳ３）。そして、ミスト切替時検出部５１は、頭部１１表面の温度変化をもとに、表面のパーライト変態が始まる表面変態開始時Ｔ_Ｂを経て表面温度が一旦上昇し、その後降下し始める表面変態完了時Ｔ_Ａをミスト冷却切替タイミングとして検出する。あるいは、ミスト切替時検出部５１は、頭部１１表面のパーライト変態中に表面温度の変化が平坦となるように冷却条件が制御される場合には、表面温度がほぼ一定となる間を経て降下し始めた時をミスト冷却切替タイミングとして検出する。ミスト冷却切替タイミングを検出したならば（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、冷却ヘッダ制御部５３が、各冷却ヘッダ３１，３３から噴射する冷却媒体をミストにする制御を行い、冷却ヘッダ３１，３３からミストを噴射するミスト冷却を開始する（ステップＳ７）。その後は、冷却終了までミスト冷却を継続する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、冷却開始後の冷却初期はエア冷却を行うことができる。そして、頭部１１表面の温度変化をもとに表面のパーライト変態が完了する表面変態完了時Ｔ_Ａをミスト冷却切替タイミングとして検出し、検出したミスト冷却切替タイミングでエア冷却からミスト冷却に切り替えることができる。したがって、頭部表面を安定的に高硬度のパーライト組織としつつ、頭部内部についても高硬度を実現することができる。これによれば、頭部表面から内部まで高い硬度のレールを製造することが可能となる。組織は安定したパーライト組織とすることができ、マルテンサイトやベイナイトが発生することによる機械的性質の劣化が生じることもない。

なお、頭部１１の表面全域を安定的に高硬度のパーライト組織としつつ頭部１１内部の高硬度を実現するためには、上記した実施の形態のように、表面変態完了時Ｔ_Ａをミスト冷却切替タイミングとしてエア冷却からミスト冷却に切り替えるのが最も好ましい。ただし、ミスト冷却切替タイミングは表面変態完了時Ｔ_Ａに限定されるものではなく、少なくとも図３に示した表面変態開始時Ｔ_Ｂよりも後であれば、表面変態完了時Ｔ_Ａよりも前としてもよいし、表面変態完了時Ｔ_Ａよりも後としてもよい。

例えば、頭部１１表面の硬度に多少のばらつきが生じたとしても、頭部１１内部の硬度をより高くしたい場合もある。このような場合には、表面変態開始時Ｔ_Ｂを限度として表面変態完了時Ｔ_Ａよりも前をミスト冷却切替タイミングとしてエア冷却からミスト冷却に切り替えるようにしてもよい。表面変態開始時Ｔ_Ｂを限度とするのは、表面変態開始時Ｔ_Ｂよりも前にミスト冷却を開始して冷却速度を上昇させてしまうと上記したようなマルテンサイト変態やベイナイト変態の影響が顕在化してしまうためである。例えば、表面変態開始時Ｔ_Ｂをミスト冷却切替タイミングとする場合であれば、ミスト切替時検出部５１は、頭部１１表面の温度変化をもとに、表面のパーライト変態が始まり変態発熱によって頭部１１の表面温度が極小となるタイミングを検出すればよい。

また、表面変態完了時Ｔ_Ａ以降については特に制約はないが、表面変態完了時Ｔ_Ａから長く時間が経過するほど頭部１１内部の硬度上昇効果が低減してしまう。表面変態完了時Ｔ_Ａよりも後をミスト冷却切替タイミングとする場合には、図３に示す表面変態完了時Ｔ_Ａからの経過時間が４０秒以内の範囲内Ｔ２でエア冷却からミスト冷却に切り替えることが好ましい。

また、上記した実施の形態では、温度計３５によってレール１の頭部１１表面の温度を測定し、これを監視することで表面変態完了時Ｔ_Ａを検出することとしたが、必ずしも頭部１１表面の温度は測定する必要はない。例えば、過去の操業時に測定した測定値（実績値）や、予測計算によって求めた頭部１１表面の温度変化からミスト冷却切替タイミング（例えば表面変態完了時Ｔ_Ａや表面変態開始時Ｔ_Ｂ等）を事前に決定しておくことも可能である。

また、頭部１１の冷却と並行してレール１の下部（「足」とも呼ばれる。）を冷却するのが一般的である。上記した実施の形態の頭部１１の冷却と組み合わせて、レール１下部の下方（裏面側）からレール１下部の冷却を行うようにしても勿論かまわない。

また、冷却するレール１の鋼中成分は、Ｃ量が０．７３質量％〜０．８５質量％の共析系パーライト鋼であって、Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｖ等の添加元素により硬度を向上させたものが好ましい。

（実施例）
図４の手順に従い、オーステナイト域温度で製品断面形状に圧延された鋼材（実施例１〜４および比較例１〜５）を冷却装置３で冷却した。また、冷却終了後、鋼材の横断面の硬度（ＨＢ：ブリネル硬さ）の分布を測定した。鋼材は、Ｃ量が０．７６質量％〜０．８質量％の共析鋼である。表１に、実施例１〜４および比較例１〜５の鋼材の冷却開始温度および冷却条件を示す。また、表１には、測定した硬度分布の代表値として、頭頂面から鉛直下方に２ｍｍの深さ位置である表層、１２．５ｍｍの深さ位置、２５．４ｍｍの深さ位置における測定値を併せて示している。

ここで、比較例３は、冷却条件を実機従来条件としたものであり、冷却開始から冷却終了までエア冷却を行った例である。これに対し、実施例１は、表面変態完了時Ｔ_Ａまでエア冷却を行い、表面変態完了時Ｔ_Ａにエア冷却からミスト冷却に切り替えた例である。この実施例１では、表層の硬度は比較例３と同じであったが、内部の硬度が５ポイント上昇した。

実施例２は、実施例１と同様に表面変態完了時Ｔ_Ａにエア冷却からミスト冷却に切り替えた例であり、実施例１よりもミスト冷却時のエア量を増量した。この実施例２では、表層の硬度は比較例３と同じであったが、内部の硬度が１０ポイント上昇した。

実施例３は、冷却開始温度が実施例１，２の７３０℃よりも高く７５０℃であった場合の例であり、その分表面変態完了時Ｔ_Ａまでの冷却時間が長いが、その他は実施例２と同じ冷却条件としている。この実施例３では、表層の硬度は比較例３と同じであった。一方、内部の硬度は、冷却開始温度が高いために１３ポイント上昇した。

実施例４は、実施例２に対してエア冷却からミスト冷却に切り替えるタイミングを表面変態開始時Ｔ_Ｂと表面変態完了時Ｔ_Ａとの間とした例である。この実施例４では、表層の硬度は、比較例３より５ポイント低下したが、内部の硬度は１３〜１５ポイント上昇した。

比較例１は、冷却開始から冷却終了までミスト冷却（弱ミスト）を行った場合の例である。この比較例１では、表層の硬度は１０ポイント上昇したが、１２．５ｍｍの深さ位置で内部の硬度が低下した。比較例２は、冷却開始から冷却終了までミスト冷却（強ミスト）を行った場合の例である。この比較例２では、内部の硬度は１０ポイント〜２０ポイント上昇したが、表層にベイナイトが発生したために表層の硬度が大きく低下した。

比較例４は、比較例３と同様に冷却開始から終了までエア冷却を行った場合の例であり、比較例３よりも表面変態完了時Ｔ_Ａ以降のエア量を増量した。この比較例４では、表層および内部ともに硬度が上昇したものの、３ポイントと上昇度は小さかった。比較例５は、冷却開始温度が他の比較例１〜４の７３０℃よりも高く７５０℃であった場合の例であり、冷却条件は比較例３と同じとしている。この比較例５では、表層および内部ともに比較例３よりもさらに硬度が低下した。

以上の結果から、実施例１〜４では、比較例１〜５と比べて頭部表面から内部まで高硬度のレールが製造可能なことを確認できた。

なお、実施例１〜４および比較例１〜５では、表１中に示すように、エア量と冷却水量との比である気水比を５０，０００〜７０，０００の範囲としている。ミスト冷却時に頭部１１表面に局所的に水分が付着する事態を抑制する観点からは、気水比をこの範囲とするのが好ましいが、この範囲に限定されるものではない。すなわち、気水比は、１００，０００程度の低水量から１，０００程度の高水量までの広い範囲で適宜調整してよく、いずれの場合も均一な冷却を実現できる。

３冷却装置
３１頭頂冷却ヘッダ
３３頭側冷却ヘッダ
３５温度計
１レール
１１頭部
５制御部
５１ミスト切替時検出部
５３冷却ヘッダ制御部
７記憶部

Claims

オーステナイト域温度以上の高温のレールを加速冷却するレールの冷却方法であって、
冷却初期は前記レールの表面にエアを噴射してエア冷却を行い、
冷却中に前記レール表面の温度が昇温する間または前記レール表面の温度がほぼ一定となる間を前記レール表面の変態中とし、該変態の開始時よりも後の所定の切替タイミングで前記エア冷却から前記レール表面にミストを噴射するミスト冷却に切り替えることを特徴とするレールの冷却方法。
前記変態の終了時を前記切替タイミングとして前記エア冷却から前記ミスト冷却に切り替えることを特徴とする請求項１に記載のレールの冷却方法。
前記冷却中の前記レール表面の温度を測定し、該測定した前記レール表面の温度をもとに前記切替タイミングを検出することを特徴とする請求項１または２に記載のレールの冷却方法。