JP2016049569A - レールの冷却方法および熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投資コストやランニングコストを抑制しながらも、レールの頭頂面中央部と頭頂面端部との冷却速度を均一にすること。
【解決手段】熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１の少なくとも頭部１１の頭頂面および頭側面１１ｂ，１１ｃに冷却媒体を噴射することで、レール１を強制冷却する際に、レール１の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへ冷却媒体を一方向からのみ直接噴射する。
【選択図】図４

Description

本発明は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールを強制冷却することで高硬度のレールを製造する、レールの冷却方法および熱処理装置に関する。

耐摩耗性および靱性に優れたレールとして、頭部が微細なパーライト組織からなる高硬度レールが知られている。このような高硬度レールは、一般的に以下の製造方法によって製造される。
まず、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールを、正立した状態で熱処理装置に搬入する。正立した状態とは、レールの頭部が上方、足裏部が下方になった状態をいう。このとき、レールは、例えば１００ｍ程度の圧延長のままの状態、あるいはレール１本あたりの長さが例えば２５ｍ程度の長さに切断（以下では、「鋸断」とも称する。）された状態で熱処理装置へ搬送される。なお、レールが鋸断されてから熱処理装置に搬送される場合、熱処理装置は、鋸断されたレールに応じた長さの複数のゾーンに分割されることもある。

次いで、熱処理装置において、レールの足先部がクランプで拘束され、レールの頭頂部、頭側部、足裏部、さらに必要に応じて腹部が、冷却媒体によって強制冷却される。冷却媒体には、空気、水、ミスト等が用いられる。このようなレールの製造方法では、強制冷却時の温度履歴をコントロールすることにより、レールの内部を含めた頭部全体を微細なパーライト組織とすることができる。ここで、熱処理装置には単一ヘッダまたは複数のヘッダが設けられ、ヘッダから噴射される冷却媒体によってレールが強制冷却される。この際、レール頭部の上面（以下では、「頭頂面」とも称する。）端部は、曲面であり、多方面から冷却媒体が噴射される。このため、頭頂面端部における冷却媒体の流れが複雑になることから、頭頂面端部における冷却の制御が困難となる。また、頭頂面端部は、多方面から冷却されるため、頭頂面中央部や頭側面と比較して冷却速度が一般的に高くなる。

一般的に、熱処理中のレールの冷却速度を上昇させると硬度は上昇するが、鋼種によっては冷却速度を過度に上げることによりマルテンサイトやベイナイトといったパーライト以外の靱性が著しく低い組織（以下では、「異常組織」とも称する。）に相変態してしまう場合がある。レールの品質としては、硬度および靱性に優れる必要があることから、この両方の特性の向上を両立させることが求められる。このため、レールにおける熱処理では、高い冷却速度を精度良く制御する必要がある。しかし、レールの頭部を冷却する場合、頭頂面端部と頭頂面中央部とでは、冷却速度が均一になりにくいことから、頭頂面の幅方向において硬度や靱性にばらつきが生じることがあった。このため、レールの頭頂面を幅方向に均一な冷却速度で冷却する技術が求められている。

例えば、特許文献１には、レールの頭頂面を幅方向に均一に冷却する方法として、頭頂面端部を誘導加熱装置によって加熱させつつ、冷却媒体による熱処理を行う方法が開示されている。
また、特許文献２には、レールのゲージコーナー部（頭頂面端部）の過冷却を防止することを目的として、頭頂面冷却用ヘッダと頭側面冷却用ヘッダによりレールを冷却するに当たり、ゲージコーナー部に冷却媒体を当てないようにする方法が開示されている。
さらに、特許文献３には、頭頂面冷却用ヘッダおよび頭側面冷却用ヘッダのレールよりの距離を制御することにより、頭頂部中央とゲージコーナー部を所望の硬度にできる方法が開示されている。

特開昭５７−１３７４２５号公報 特開平０２−００７３７１号公報 特開昭６４−０８７７１９号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、設備を設けるための多額の設備投資が必要であり、さらにランニングコストも非常に高くなるため、好ましくない。
また、特許文献２に記載の方法では、頭頂面端部の冷却を排気流のみで行うが、直接冷却媒体を噴射する場合と比較し、排気流の冷却効果は小さく、ＨＶ３９５以上の高硬度を得るためには、冷却効果が不十分であった。冷却能力の低い排気流のみで高い冷却速度を出すためには、排気流の噴射量を増加させる必要があり、この場合、排気流が直接噴射される位置の冷却速度が過度に上昇し、ベイナイトやマルテンサイトといった靱性や硬度の低い異常組織へと相変化するために好ましくない。

さらに、特許文献３に記載の方法では、頭頂面の幅方向（中央部、端部）を均一な硬度にすることが可能であるが、硬度を制御するために頭頂ヘッダまたは頭側ヘッダのいずれか一方の距離を離す必要がある。このため、頭部全体の冷却能力が低下することとなる。頭部全体の冷却能力が低くなると、頭頂面中央部および端部以外の部位となる頭部の内部や顎下面などでは、硬度が低下することとなるため、好ましくない。
そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、投資コストやランニングコストを抑制しながらも、レールの頭頂面中央部と頭頂面端部との冷却速度を均一にすることができる、レールの冷却方法および熱処理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレールの冷却方法は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールの少なくとも頭部に冷却媒体を噴射することで、レールを強制冷却する際に、レールの頭頂面端部へ冷却媒体を一方向からのみ直接噴射することを特徴とする。
また、本発明の一態様に係るレールの熱処理装置は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールの少なくとも頭部に冷却媒体を噴射することで、レールを強制冷却する冷却手段を備え、冷却手段は、レールの頭頂面端部へ冷却媒体を一方向からのみ直接噴射することを特徴とするレールの熱処理装置。

本発明に係るレールの冷却方法および熱処理装置によれば、投資コストやランニングコストを抑制しながらも、レールの頭頂面中央部と頭頂面端部との冷却速度を均一にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱処理装置を示す模式図である。 熱処理装置の一部を示す側面図である。 レールの各部位を示す断面図である。 第１実施形態に係る熱処理装置を示す断面図である。 第２実施形態に係る熱処理装置を示す断面図である。 実施例で用いた熱処理装置を示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
［熱処理装置の構成］
はじめに、図１〜図４を参照して本発明の第１実施形態における熱処理装置２について説明する。熱処理装置２は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、またはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１を強制冷却する装置であり、熱間圧延ラインの下流側、またはレールを加熱する加熱装置の下流側に連続して設けられる。図２に示すように、レール１は、長手方向がｘ−ｙ平面に垂直なｚ軸方向に平行になるように配される。

熱処理装置２は、図１および図２に示すように、頭頂ヘッダ２０と、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂと、足裏ヘッダ２２と、支持拘束部２３ａ，２３ｂと、第１温度計２４ａと、第２温度計２４ｂと、制御部２５とを有する。ここで、図２および図３に示すように、レール１は、頭部１１と、腹部１２と、足部１３とからなり、頭部１１がｙ軸正方向側である上方および足部１３がｙ軸負方向側である下方に配された状態で熱処理装置２に搬入される。また、図３に示すように、頭部１１の表面は、頭頂面中央部１１ａ、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃ、頭側面１１ｄ，１１ｅ、および顎下面１１ｆ，１１ｇからなる。足部１３は、ｙ軸負方向側の端部に足裏面１３ａを有する。なお、以下の説明では、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃで示される領域を頭頂面という。

熱処理装置２は、ｚ軸方向に延在して設けられ、レール１の長さに応じて、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂが少なくとも一つずつ設けられる。なお、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂが複数設けられる場合、複数の頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂは、それぞれｚ軸方向に並んで設けられる。
頭頂ヘッダ２０は、頭頂多孔板ノズル２０１を有し、頭頂多孔板ノズル２０１からレール１の頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃのｘ軸方向全長に冷却媒体を噴射することで頭部１１を強制冷却する冷却手段である。冷却媒体には、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。また、頭頂ヘッダ２０は、頭頂多孔板ノズル２０１がレール１の頭頂面中央部１１ａに対向して配される。

頭頂多孔板ノズル２０１は、ｘ軸方向およびｚ軸方向にそれぞれ並んで設けられる複数のノズル孔２０２を有する。ノズル孔２０２は、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに冷却媒体を直接噴射できるように形成される。図４に示す断面視の一例では、ノズル孔２０２は、ｘ軸方向に並んで複数孔（例えば、６孔）設けられる。このうち、ｘ軸方向中央側の孔（例えば、ｘ軸方向中央側の４孔）は頭頂面中央部１１ａと対向して形成され、またｘ軸方向両端側の孔（例えば、ｘ軸方向両端側の２孔）は頭頂面端部１１ｂ，１１ｃと対向して形成される。ノズル孔２０２は、ｘ軸方向中央側の孔が対向した頭頂面中央部１１ａ、およびｘ軸方向両端側の孔が対向した頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに冷却媒体を直接噴射する。

頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂをそれぞれ有し、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂからレール１の頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇのｙ軸方向全長に冷却媒体を噴射することで頭部１１を冷却する冷却手段である。冷却媒体には、頭頂ヘッダ２０と同様に、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂがレール１の頭側面１１ｄ，１１ｅにそれぞれ対向して配される。

頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂは、ｙ軸方向およびｚ軸方向にそれぞれ並んで設けられる複数のノズル孔２１２を有する。ノズル孔２１２は、頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇに冷却媒体を直接噴射できるように形成される。図４に示す断面視の一例では、ノズル孔２１２は、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂにｙ軸方向に並んで４孔ずつ設けられる。また、ノズル孔２１２は、頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇと対向して形成され、頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇに冷却媒体を直接噴射する。なお、第１実施形態において、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂは、冷却媒体を頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに冷却媒体を直接噴射しない。具体的には、ｙ軸正方向端の最上部のノズル孔２１２は、噴射される冷却媒体が、頭頂面の上端から下方へ少なくとも５ｍｍの範囲には直接あたらない位置に配される。
上記のように、第１実施形態では、頭部１１を冷却する冷却手段である頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに対して、頭頂ヘッダ２０のみから冷却媒体を噴射させる。

足裏ヘッダ２２は、足裏多孔板ノズル２２１を有し、足裏多孔板ノズル２２１からレール１の足裏面１３ａの全長に冷却媒体を噴射することで足部１３を冷却する冷却手段である。冷却媒体には、頭頂ヘッダ２０と同様に、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。足裏ヘッダ２２は、足裏多孔板ノズル２２１がレール１の足裏面１３ａに対向して配される。足裏多孔板ノズル２２１は、冷却媒体を噴射する複数のノズル孔が設けられた部材であり、複数のノズル孔がｘ軸方向およびｚ軸方向にそれぞれ並んで設けられる。
また、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２は、流調弁が設けられた不図示の搬送管を介して冷却媒体供給装置に接続される。冷却媒体は、後述する制御部２６の指示に基づいて流調弁が調整されることで、噴射量が調整される。

支持拘束部２３ａ，２３ｂは、足部１３のｘ軸方向の両端部をそれぞれ挟持することでレール１を支持および拘束する装置である。支持拘束部２３ａ，２３ｂは、例えばレール１の長手方向の全長に渡って数ｍずつ離隔して複数設けられる。
第１温度計２４ａは、放射温度計等の非接触型の温度計であり、頭頂面中央部１１ａの少なくとも一か所の表面温度を測定する。第１温度計２４ａは、頭頂面中央部１１ａの表面温度の測定結果を制御部２５へ送信する。

第２温度計２４ｂは、第１温度計２４ａと同様に非接触型の温度計であり、いずれか一方の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの少なくとも一か所の表面温度を測定する。第２温度計２４ｂは、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの表面温度の測定結果を制御部２５へ送信する。
制御部２５は、第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂの測定結果に基づいて、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、および足裏ヘッダ２２にそれぞれ接続された搬送管の流調弁を制御し、冷却媒体の噴射量を調整することで、レール１の冷却速度を調整する。
また、熱処理装置２は、不図示のオシレーション機構を有する。オシレーション機構は、支持拘束部２３ａ，２３ｂに設けられ、支持拘束部２３ａ，２３ｂをレール１の長手方向にオシレーション（往復動作）させる。このため、支持拘束部２３ａ，２３ｂにレール１が拘束された状態で、オシレーション機構が作動することで、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２に対してレール１が往復移動する。

［レールの冷却方法］
次に、本発明の第１実施形態に係るレールの冷却方法を用いたレール１の製造方法について説明する。第１実施形態に係るレールの製造方法では、まず、熱間圧延されたレール１、または加熱されたレール１が熱処理装置２に搬送される。熱間圧延されたレール１を用いる際には、予め鋼素材が加熱炉等で所定の温度まで加熱された後に、熱間圧延されることでレール１の形状に圧延加工される。一方、加熱されたレール１を用いる際には、予め、加熱炉や加熱装置等を用いてレール１が所定の温度まで加熱される。なお、所定の温度は、上記いずれの場合においても、頭部１１の表面温度が、熱処理装置２による強制冷却の開始時において、オーステナイト域温度以上となる温度である。
レール１を熱処理装置２に搬送した後、レール１は、足部１３が支持拘束部２３ａ，２３ｂに挟持されることで、熱処理装置２に支持・拘束される。
次いで、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２から冷却媒体が噴射されることで、強制冷却が開始される。強制冷却の開始時点におけるレール１の頭部１１の表面温度は、オーステナイト域温度以上である。

また、レール１は、少なくとも頭頂面の表層組織がパーライト組織となる温度履歴で強制冷却される。この際、制御部２５は、少なくとも頭部１１の表層組織がパーライト組織となるように、流調弁を制御し、レール１の冷却速度および強制冷却時間を調整することで温度履歴を調整する。具体的には、制御部２５は、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから予め設定された噴射量で冷却媒体を噴射させ、さらに第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂの測定結果から、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度を算出する。次いで、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度が目標とする冷却速度となるように頭頂ヘッダ２０から噴射される冷却媒体の噴射量を調整する。なお、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体の噴射量は、頭部１１内部の硬度が必要とする硬度となる冷却速度に基づいて設定される。なお、パーライト組織となる温度履歴の一例として、例えば、レール１の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃは、強制冷却を開始時の頭頂面の表面温度が９００℃である場合、３℃／秒の平均冷却速度で、１８０秒間強制冷却される。

また、制御部２５は、足裏ヘッダ２２における冷却媒体の噴射量、噴射圧等の噴射条件が、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの噴射条件と同じになるように、足裏ヘッダ２２に接続された流調弁を制御する。また、足裏ヘッダ２２の噴射距離は、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの噴射距離と同じである。
レール１を強制冷却した後、レール１は、支持拘束部２３ａ，２３ｂによる足部１３の拘束が解除され、次工程となる冷却床へと搬送される。
次いで、レール１は、冷却床にて自然放冷またはファンによる冷却によって、正立状態または倒立状態で２００℃以下程度まで冷却される。
ここで、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃには、頭頂ヘッダ２０から噴射される冷却媒体のみが直接あたり、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体は直接あたらない。つまり、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへの冷却媒体は、一方向からのみ直接噴射される。このため、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの両方から頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへ冷却媒体を噴射する場合に比べ、頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にすることができる。

＜第２実施形態＞
［熱処理装置の構成］
次に、図１〜図３、図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るレール１の熱処理装置２について説明する。第２実施形態に係る熱処理装置２は、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの構成が第１実施形態と異なるが、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。すなわち、第２実施形態に係る熱処理装置２は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、またはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１を強制冷却する装置であり、熱間圧延ラインの下流側、またはレールを加熱する加熱装置の下流側に連続して設けられる。

図１および図２に示すように、熱処理装置２は、頭頂ヘッダ２０と、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂと、足裏ヘッダ２２と、支持拘束部２３ａ，２３ｂと、第１温度計２４ａと、第２温度計２４ｂと、制御部２５とを有する。また、熱処理装置２は、ｚ軸方向に延在して設けられ、レール１の長さに応じて、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂが少なくとも一つずつ設けられる。なお、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂが複数設けられる場合、複数の頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂは、それぞれｚ軸方向に並んで設けられる。
頭頂ヘッダ２０は、頭頂多孔板ノズル２０１を有し、頭頂多孔板ノズル２０１からレール１の頭頂面中央部１１ａのｘ軸方向全長に冷却媒体を噴射することで頭部１１を強制冷却する冷却手段である。冷却媒体には、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。頭頂ヘッダ２０は、頭頂多孔板ノズル２０１がレール１の頭頂面中央部１１ａに対向して配される。

頭頂多孔板ノズル２０１は、ｘ軸方向およびｚ軸方向にそれぞれ並んで設けられる複数のノズル孔２０２を有する。ノズル孔２０２は、頭頂面中央部１１ａに冷却媒体を直接噴射できるように形成される。図５に示す断面視の一例では、ノズル孔２０２は、ｘ軸方向に並んで複数孔（例えば、５孔）設けられ、頭頂面中央部１１ａと対向して形成される。ノズル孔２０２は、対向した頭頂面中央部１１ａに冷却媒体を直接噴射する。なお、第２実施形態において、頭頂多孔板ノズル２０１は、冷却媒体を頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに直接噴射しない。具体的には、ｘ軸方向両端のノズル孔２０２は、噴射される冷却媒体が、頭頂面の幅方向の両端から内側へ少なくとも５ｍｍの範囲に直接あたらない位置に配される。

頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂをそれぞれ有し、頭側多孔板ノズル２１１からレール１の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃ、頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇのｙ軸方向全長に冷却媒体を噴射することで頭部１１を冷却する冷却手段である。冷却媒体には、頭頂ヘッダ２０と同様に、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂがレール１の頭側面１１ｄ，１１ｅにそれぞれ対向して配される。
頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂは、ｙ軸方向およびｚ軸方向にそれぞれ並んで設けられる複数のノズル孔２１２を有する。ノズル孔２１２は、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃ、頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇに冷却媒体を直接噴射可能に形成される。図５に示す断面視の一例では、ノズル孔２１２は、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂにｙ軸方向に並んで複数孔（例えば、６孔）ずつ設けられる。また、ノズル孔２１２は、頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇと対向して形成され、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃ、頭側面１１ｄ，１１ｅおよび顎下面１１ｆ，１１ｇに冷却媒体を直接噴射する。

上記のように、第２実施形態では、頭部１１を冷却する冷却手段である頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに対して、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂのみから冷却媒体を噴射させる。
足裏ヘッダ２２は、足裏多孔板ノズル２２１を有し、足裏多孔板ノズル２２１からレール１の足裏面１３ａの全長に冷却媒体を噴射することで足部１３を冷却する冷却手段である。冷却媒体には、頭頂ヘッダ２０と同様に、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。足裏ヘッダ２２は、足裏多孔板ノズル２２１がレール１の足裏面１３ａに対向して配される。足裏多孔板ノズル２２１は、冷却媒体を噴射する複数のノズル孔が設けられた部材であり、複数のノズル孔がｘ軸方向およびｚ軸方向にそれぞれ並んで設けられる。

また、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２は、流調弁が設けられた不図示の搬送管を介して冷却媒体供給装置に接続される。冷却媒体は、後述する制御部２６の指示に基づいて流調弁が調整されることで、噴射量が調整される。
支持拘束部２３ａ，２３ｂは、足部１３のｘ軸方向の両端部をそれぞれ挟持することでレール１を支持および拘束する装置である。支持拘束部２３ａ，２３ｂは、例えばレール１の長手方向の全長に渡って数ｍずつ離隔して複数設けられる。
第１温度計２４ａは、放射温度計等の非接触型の温度計であり、頭頂面中央部１１ａの少なくとも一か所の表面温度を測定する。第１温度計２４ａは、頭頂面中央部１１ａの表面温度の測定結果を制御部２５へ送信する。

第２温度計２４ｂは、第１温度計２４ａと同様に非接触型の温度計であり、いずれか一方の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの少なくとも一か所の表面温度を測定する。第２温度計２４ｂは、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの表面温度の測定結果を制御部２５へ送信する。
制御部２５は、第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂの測定結果に基づいて、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、および足裏ヘッダ２２にそれぞれ接続された搬送管の流調弁を制御し、冷却媒体の噴射量を調整することで、レール１の冷却速度を調整する。
また、熱処理装置２は、不図示のオシレーション機構を有する。オシレーション機構は、支持拘束部２３ａ，２３ｂに設けられ、支持拘束部２３ａ，２３ｂをレール１の長手方向にオシレーション（往復動作）させる。このため、支持拘束部２３ａ，２３ｂにレール１が拘束された状態で、オシレーション機構が作動することで、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２に対してレール１が往復移動する。

［レールの冷却方法］
次に、本発明の第２実施形態に係るレール１の冷却方法を用いたレール１の製造方法について説明する。第２実施形態では、第１実施形態と同様な工程を経ることで、レール１が製造される。
つまり、第２実施形態に係るレール１の製造方法では、まず、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、またはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１が熱処理装置２に搬送される。

次いで、レール１は、足部１３が支持拘束部２３ａ，２３ｂに挟持されることで、熱処理装置２に支持・拘束される。
さらに、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２から冷却媒体が噴射されることで、強制冷却が開始される。この際、制御部２５は、少なくとも頭部１１の表層組織がパーライト組織となるように、流調弁を制御し、レール１の冷却速度および強制冷却時間を調整することで温度履歴を調整する。
また、制御部２５は、足裏ヘッダ２２における冷却媒体の噴射量、噴射圧等の噴射条件が、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの噴射条件と同じになるように、足裏ヘッダ２２に接続された流調弁を制御する。足裏ヘッダ２２の噴射距離は、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの噴射距離と同じである。
レール１を強制冷却した後、レール１は、支持拘束部２３ａ，２３ｂによる足部１３の拘束が解除され、次工程となる冷却床へと搬送される。
その後、レール１は、冷却床にて、自然放冷されることで、２００℃以下程度の常温まで冷却される。

ここで、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃには、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体のみが直接あたり、頭頂ヘッダ２０から噴射される冷却媒体は直接あたらない。つまり、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへの冷却媒体は、一方向からのみ直接噴射される。このため、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの両方から頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへ冷却媒体を噴射する場合に比べ、頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にすることができる。
また、第１実施形態に係る熱処理装置２と、第２実施形態に係る熱処理装置２とを比較した場合、いずれの熱処理装置２を用いても頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にすることができる。しかし、頭部１１の幅が異なる複数種のレール１を製造する設備においては、第２実施形態に係る熱処理装置２を用いる場合に、熱処理するレール１の頭部１１の幅に応じて頭頂多孔板ノズル２０１を交換する必要が生じる。このため、このように複数種のレール１を製造する場合には、第１実施形態に係る熱処理装置２を適用した方が生産性を向上させることができる。

＜変形例＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば、上記実施形態では、熱処理装置２は、熱間圧延ラインの下流側、またはレールを加熱する加熱装置の下流側に連続して設けられるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。熱処理装置２は、熱間圧延ラインまたは加熱装置から独立して設けられてもよい。
また、上記実施形態では、熱処理装置２は、レール１の腹部１２を冷却するための腹部ヘッダを有してもよい。腹部ヘッダは、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２と同様に、多孔板ノズルが一端に設けられ、多孔板ノズルから冷却媒体を噴射することで腹部１２を冷却する。腹部ヘッダは、多孔板ノズルがレール１の腹部１２に対向して配される。

さらに、上記実施形態では、熱処理装置２は、レール１の頭部１１を冷却する冷却手段として、頭頂ヘッダ２０と、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂとを有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、熱処理装置２は、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂに替わる冷却手段として、レール１の長手方向に垂直なｘ−ｙ平面視において、頭部１１を覆って形成された頭部ヘッダを有してもよい。頭部ヘッダは、ｘ−ｙ平面視において頭部１１を覆う略アーチ状の多孔板ノズルを有し、この多孔板ノズルから冷却媒体を噴射することで頭部１１を冷却する。頭部ヘッダの多孔板ノズルは、頭頂面および頭側面に対して冷却媒体が噴射される複数のノズル孔を有する。この複数のノズル孔は、ノズル孔から噴射される冷却媒体が、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃにそれぞれ一方向からのみ直接あたるように設けられる。

さらに、上記実施形態では、ノズル孔２０２，２１２は、円形の形状を有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ノズル孔２０２，２１２は、楕円や多角形等の形状を有してもよい。なお、ノズル孔２０２，２１２の形状を円形とすることで、他の形状よりも加工が容易となる。
さらに、上記実施形態では、制御部２５は、第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂの測温結果に基づいて冷却速度を制御するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、制御部２５は、予め得られた冷却媒体の噴射量と冷却速度との実績に基づいて、目標とする冷却速度となるように冷却媒体の噴射量を調整してもよい。この際、熱処理装置２には、第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂが設けられなくてもよい。

さらに、上記実施形態では、制御部２５は搬送管の流調弁を調整することで冷却速度を調整するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、制御部２５は、冷却媒体供給装置を制御し、冷却媒体の噴射圧力や冷却媒体の水分量等を調整することで、冷却速度を調整してもよい。
さらに、上記実施形態では、オシレーション機構が支持拘束部２３ａ，２３ｂに設けられるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。オシレーション機構は、レール１に対する冷却媒体の噴射位置が相対的に移動すればよく、例えば、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２からなる冷却手段にオシレーション機構が設けられてもよい。このように、熱処理装置２にオシレーション機構を設けることで、レール１を長手方向に均一に冷却することができる。しかし、ノズル孔２０２，２１２の配置から、レール１を長手方向に十分に均一に冷却できるようであれば、オシレーション機構が設けられなくてもよい。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の実施形態に係るレールの冷却方法は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１の少なくとも頭部１１の頭頂面および頭側面１１ｄ，１１ｅに冷却媒体を噴射することで、レール１を強制冷却する際に、レール１の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへ冷却媒体を一方向からのみ直接噴射する。
ここで、レール１の硬度を向上させる場合には、レール１の表層組織を１００％パーライト変態させることが好ましい。しかし、レール１に含有される成分によっては、パーライト変態の開始および進行が遅くなる効果を及ぼす元素がある。また、成分によっては、ベイナイト変態の開始および進行が遅くなる効果を及ぼす元素がある。このため、同じ冷却条件においても成分系によっては、ベイナイト変態しやすくなり、レール１の硬度が低下してしまう場合がある。例えば、Ｍｎ（マンガン）含有量が多いレール１の場合、ベイナイト変態開始温度が高くなるため、ベイナイト変態がしやすくなる。さらに、例えば、圧下率や圧延温度等の製造条件によっても、成分の影響によらず変態後組織が変化する場合が存在する。このため、成分系や製造条件によっては、冷却速度が過度に速い場合、変態開始前を含むパーライト変態が完了する前にベイナイト変態又はマルテンサイト変態開始温度まで低下することがある。ベイナイト組織やマルテンサイト組織は、パーライト組織に比べて硬度または靱性に劣る。

本発明の上記構成によれば、頭頂面の幅方向において頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にすることができる。このため、成分系や製造条件によらず、頭頂面の表層組織を均一な１００％パーライト組織とすることができ、頭頂面の幅方向の硬度および靱性を均一にすることができる。また、上記構成によれば、冷却媒体の噴射領域を制限するだけで冷却速度を均一にすることができるため、例えば特許文献１に比べ、加熱装置等の設備を設ける必要がないため、熱処理装置２に掛かる投資コストやランニングコストを抑制することができる。さらに、上記構成によれば、冷却媒体をレール１へ直接噴射するため、特許文献２のように排気流で冷却をするような方法に比べ、高い冷却効果を得ることができる。さらに、上記構成によれば、頭頂面の幅方向を均一に冷却するために、頭部１１の冷却能力を低下させる必要がない。このため、特許文献３のように頭部１１全体の冷却能力を低くすることで均一冷却を行う方法に比べ、頭頂面以外の部位についても硬度を高めることができる。

（２）レール１を強制冷却する際に、レール１の頭頂面に対向して設けられた頭頂ヘッダ２０およびレール１の頭側面１１ｄ，１１ｅに対向して設けられた頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから、頭頂面および頭側面１１ｄ，１１ｅに冷却媒体を噴射することで頭部１１を強制冷却し、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの一方からは、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへ冷却媒体を直接噴射しない。
上記構成によれば、例えば頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂを有する既設の熱処理装置に対しても、ノズル孔２０２，２１２の配置を変えるだけで適用することができる。このため、レール１の頭頂面の冷却速度を均一するための投資コストを抑制することできる。

（３）レール１を強制冷却する際に、頭部１１の幅方向両端部から内側へ少なくとも５ｍｍの範囲、且つ頭頂面の上端から下方に少なくとも５ｍｍの範囲には、冷却媒体を一方向からのみ直接噴射する。
（４）本発明の実施形態に係るレールの熱処理装置は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１の少なくとも頭部１１の頭頂面および頭側面１１ｄ，１１ｅに冷却媒体を噴射することで、レール１を強制冷却する冷却手段２０，２１ａ，２１ｂを備え、冷却手段２０，２１ａ，２１ｂは、レール１の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへ冷却媒体を一方向からのみ直接噴射する。
上記構成によれば、上記（１）の構成と同様な効果を得ることができる。

（５）冷却手段２０，２１ａ，２１ｂとして、レールの頭頂面に対向して設けられた頭頂ヘッダ２０と、レールの頭側面１１ｄ，１１ｅに対向して設けられた頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂとを少なくとも有し、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭頂面および頭側面１１ｄ，１１ｅに冷却媒体を噴射することで頭部１１を強制冷却し、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの一方は、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃへ冷却媒体を直接噴射しない。
上記構成によれば、上記（２）の構成と同様な効果を得ることができる。

次に、本発明者らが行った実施例１について説明する。
実施例１では、まず、９００℃で熱間圧延終了した長さ５０ｍのレール１を、図１および図２に示す熱処理装置２に搬入した。実施例１では、レール１の成分を、表１に示す成分Ａとした。また、レール１の形状は、ＡＲＥＭＡ（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association）規格のＲ１３６−８とした。

次いで、支持拘束部２３ａ，２３ｂでレール１の足部１３を拘束した。
その後、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１、足裏ヘッダ２２から冷却媒体を噴射し、レール１を強制冷却した。実施例１では、図６に示す頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂを用いた。
図６に示すように、実施例１で用いた頭頂多孔板ノズル２０１には、ｘ軸方向に同一距離ずつ離隔して並ぶ５孔のノズル孔２０２ａ〜２０２ｅが形成される。ｘ軸方向の両端側に設けられたノズル孔２０２ａ，２０２ｅは、ｘ軸方向に距離ｄ１だけ離隔して形成される。また、ノズル孔２０２ａ，２０２ｅは、レール１の頭側面１１ｄ，１１ｅから、ｘ軸方向に距離ｄ２だけ離隔してそれぞれ形成される。

実施例１で用いた頭側多孔板ノズル２１１ａには、ｙ軸方向に同一距離ずつ離隔して並ぶ４孔のノズル孔２１２ａ〜２１２ｄが形成される。同様に、頭側多孔板ノズル２１１ｂには、ｙ軸方向に同一距離ずつ離隔して並ぶ４孔のノズル孔２１２ｅ〜２１２ｈが形成される。また、ｙ軸正方向端側に設けられたノズル孔２１２ａ，２１２ｅは、頭頂面のｙ軸正方向端となる上端から、ｙ軸方向に距離ｄ３だけ離隔してそれぞれ形成される。
なお、実施例１では、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂについて、距離ｄ２または距離ｄ３の一方が０ｍｍ超となる条件とした。
強制冷却をする際、冷却媒体には、空気、ミストおよびスプレー水のいずれかを用いた。さらに、制御部２５は、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒となるように、頭頂ヘッダ２０から噴射される冷却媒体の噴射量を調整した。このとき、足裏ヘッダ２２から噴射される冷却媒体の噴射条件は、頭側ヘッダと同じとした。なお、実施例１では、冷却媒体の噴射によるレール１の強制冷却を１８０秒間行った。

強制冷却をした後、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２からの冷却媒体の噴射を停止し、支持拘束部２３ａ，２３ｂによるレール１の拘束を解除した。その後、レール１を冷却床まで搬送し、常温となるまでレール１を冷却床にて自然放冷させた。
さらに、長手方向の長さで２ｍ毎にレール１から硬度試験サンプルを切断・採取し、サンプルを研磨し、ビッカーズ硬さ試験にて硬度を測定した。実施例１では、頭頂面中央部位置、頭頂面端部位置および頭部２５ｍｍ深さ位置の計３か所についてそれぞれ硬度を測定した。頭頂面中央部位置は、頭頂面の幅方向中央の頭頂面から１ｍｍの深さとなる位置である。頭頂面端部位置は、頭頂面の幅方向中央から端部へ３２．５ｍｍ離れ、頭頂面から１ｍｍの深さとなる位置である。頭部２５ｍｍ深さは、頭頂面の幅方向中央の頭頂面から２５ｍｍの深さとなる位置である。

また、実施例１に対する比較（比較例１）として、距離ｄ２および距離ｄ３が０ｍｍとなる、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂを用いて強制冷却を行い（比較例１−１〜１−４）、距離ｄ２および距離ｄ３が両方とも０ｍｍ超となる頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂを用いて強制冷却を行った（比較例１−５，１−６）。比較例１についても、実施例１と同様にサンプルを採取し、硬度を測定した。

表２に、実施例１におけるレール形状、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１の形状、冷却媒体の種類、オシレーションの有無、冷却速度の実績、および硬度の測定結果についてそれぞれ示す。実施例１では、本発明に係る冷却方法を適用した条件として実施例１−１〜１−１２に示す１２条件、本発明に係る冷却方法を適用しない条件として比較例１−１〜１−６に示す６条件について確認した。また、実施例１では各条件について、レール１の製造および硬度の測定の一連の工程による試験を２０回ずつ行った。表２において、冷却速度の実績は２０回での平均値を示す。さらに、表２において、硬度の値は、１回の測定で得られる２ｍ毎に採取したサンプルの平均値をさらに２０回の測定結果で平均した値である。

比較例１−１，１−２では、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒となるように、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体の噴射量を実施例１−１〜１−１２および比較例１−３〜１−６に比べ低減させた。
比較例１−１〜１−６における、上記以外の条件については、実施例と同じとした。

表２に示すように、頭頂面の幅方向の冷却速度を均一にした比較例１−１，１−２では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度の差がＨＶ１と均一にすることができた。しかし、頭部２５ｍｍ深さ位置における硬度がＨＶ３６１と最も低くなり、頭部１１全体として十分な硬度が得られなかった。一方、実施例１−１〜１−１２では、比較例１−１，１−２に比べ、頭部１１の内部の硬度が向上することを確認した。

比較例１−３〜１−６では、頭部２５ｍｍ深さ位置における硬度が、比較例１−１，１−２よりも高くなり、実施例１−１〜１−１２と同程度となることを確認した。しかし、比較例１−３，１−４では、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒であるのに対して、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が１．８℃／秒以下となり、頭頂面において１．２℃／秒以上の冷却速度の差が生じた。また、比較例１−５，１−６では、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒であるのに対して、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が５．５℃／秒以上となり、頭頂面において２．５℃／秒以上の冷却速度の差が生じた。一方、実施例１−１〜１−１４では、頭頂面端部１１ｃに対する頭頂面中央部１１ａの冷却速度の差が１．１℃／秒以下となり、比較例１−２〜１−１１に比べ頭頂面を幅方向に均一に冷却できることを確認した。

また、比較例１−３，１−４では、頭頂面での冷却速度が不均一であることから、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度にＨＶ１９〜ＨＶ２２の差が生じ、頭頂面の表層位置における幅方向の硬度が不均一になった。さらに、比較例１−５，１−６では、頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｃとにおける硬度にＨＶ２０７〜ＨＶ２３８の差が生じ、頭頂面の表層位置における幅方向の硬度がより不均一になることを確認した。比較例１−５，１−６では、頭頂面中央１１ａの硬度がＨＶ６００以上と非常に高硬度となったため、光学顕微鏡にて表層組織を確認したところ、マルテンサイトが生成していた。なお、比較例１−１〜１−４の表層組織についても同様に表層組織を確認したところ、フルパーライト組織であった。一方、実施例１−１〜１−１２では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度の差がＨＶ１８以下となり、比較例１−３〜１−６に比べ表層位置における硬度が均一になることを確認した。なお、実施例１−１〜１−１２は、冷却媒体の種類、オシレーションの有無、距離ｄ２，ｄ３の大きさによらず、すべての条件において上記の効果が得られた。また、実施例１−１〜１−１２の表層組織を確認したところ、フルパーライト組織であった。

次に、本発明者らが行った実施例２について説明する。
実施例２では、レール１の形状による影響を確認するため、ＡＲＥＭＡ規格の１３６−８およびＪＩＳ規格の５０Ｎの２種類の形状のレール１について、実施例１と同様の条件で圧延および冷却を行った。ＡＲＥＭＡ規格の１３６−８では、頭部１１の幅となるｘ軸方向の長さが７４．６１ｍｍ、ＪＩＳ規格の５０Ｎでは、頭部１１の幅となるｘ軸方向の長さが６５ｍｍである。また、実施例２では、実施例１と同様に、各条件で製造したレール１からサンプルを切断・採取し、硬度を測定した。サンプルの採取方法および硬度の測定位置・測定方法は、実施例１と同様である。なお、実施例２において、頭頂面端部位置は、ＡＲＥＭＡ規格の１３６−８では頭頂面の幅方向中央から端部へ３２．５ｍｍ離れ、頭頂面から１ｍｍの深さとなる位置であり、ＪＩＳ規格の５０Ｎでは頭頂面の幅方向中央から端部へ２７．５ｍｍ離れ、頭頂面から１ｍｍの深さとなる位置である。また、実施例２において、レール１の成分は表１に示す成分条件Ａを用いた。さらに、実施例２では、冷却媒体に空気を用い、レール１をオシレーションさせた状態で強制冷却を行った。
また、実施例２に対する比較として、距離ｄ２および距離ｄ３が０ｍｍ以下となる、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂを用いて強制冷却を行った（比較例２）。比較例２についても、実施例２と同様にサンプルを採取し、硬度を測定した。

表３に、実施例２におけるレール形状、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１の形状、冷却速度の実績、および硬度の測定結果についてそれぞれ示す。実施例２では、本発明に係る冷却方法を適用した条件として実施例２−１〜２−５に示す５条件、本発明に係る冷却方法を適用しない条件として比較例２−１〜２−６に示す６条件について確認した。また、実施例２では各条件について、レール１の製造および硬度の測定の一連の工程による試験を２０回ずつ行った。表３において、冷却速度の実績は２０回での平均値を示す。さらに、表３において、硬度の値は、１回の測定で得られる２ｍ毎に採取したサンプルの平均値をさらに２０回の測定結果で平均した値である。

実施例２のうち、実施例２―１，２−２はＡＲＥＭＡ規格の１３６−８のレール形状、実施例２−３，２−４，２−５はＪＩＳ規格の５０Ｎのレール形状の条件となる。なお、表２の距離ｄ２において値がマイナスとなる条件は、距離ｄ１がレール１の頭部１１のｘ軸方向の長さよりも大きくなり、ｘ軸方向に頭頂面を超えて冷却媒体が噴射された状態を示す。
また、比較例２のうち、比較例２−１，２−４はＡＲＥＭＡ規格の１３６−８のレール形状、比較例２−２，２−３，２−５，２−６はＪＩＳ規格の５０Ｎのレール形状の条件となる。さらに、比較例２−１〜２−３では、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒となるように、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体の噴射量を比較例２−４〜２−６および実施例１−１〜１−４に比べ低減させた。比較例１−１〜１−６における、上記以外の条件については、実施例と同じとした。

表３に示すように、頭頂面の幅方向の冷却速度を均一にした比較例２−１〜２−３では、いずれのレール形状においても、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度の差がＨＶ０と均一にすることができた。しかし、頭部２５ｍｍ深さ位置における硬度が、いずれのレール形状においても、ＨＶ３６１と最も低くなり、頭部１１全体として十分な硬度が得られなかった。一方、実施例２−１〜２−５では、いずれのレール形状においても、比較例２−１〜２−３に比べ、頭部１１の内部の硬度が向上することを確認した。

比較例２−４〜２−６では、いずれのレール形状においても、頭部２５ｍｍ深さ位置における硬度が、比較例２−１〜２−３よりも高くなり、実施例２−１〜２−５と同程度となることを確認した。しかし、比較例２−４〜２−６では、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒であるのに対して、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が１．８℃／秒となり、頭頂面において１．２℃／秒の冷却速度の差が生じた。一方、実施例２−１〜２−５では、いずれのレール形状においても、頭頂面端部１１ｃに対する頭頂面中央部１１ａの冷却速度の差がなく、比較例２−４〜２−６に比べ頭頂面を幅方向に均一に冷却できることを確認した。

また、比較例２−４〜２−６では、いずれのレール形状においても、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度にＨＶ１９の差が生じ、頭頂面の表層位置における幅方向の硬度が不均一になった。一方、実施例２−１〜２−５では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度の差が０となり、表層位置における硬度が均一になることを確認した。さらに、実施例２−２および実施例２−５では、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂの形状が同一となり、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂから噴射される冷却媒体が頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに直接噴射されない。このように、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂから噴射される冷却媒体を制限することで、頭部１１の幅が異なる場合においても、頭頂多孔板ノズル２０１を変更しなくとも頭頂面の幅方向の冷却速度を均一できることを確認した。

次に、本発明者らが行った実施例３について説明する。
実施例３では、レール１の成分による影響を調査するため、成分を変更した複数のレール１について、実施例１と同様の条件で圧延および冷却を行った。また、実施例３では、実施例１と同様に、各条件で製造したレール１からサンプルを切断・採取し、硬度を測定した。サンプルの採取方法および硬度の測定位置・測定方法は、実施例１と同様である。さらに、実施例３では、頭頂面端部１１ｃの角部となる頭角の表面組織を観察した。

表４は、実施例３における成分条件、冷却速度、硬度の測定結果、表面組織の観察結果を示す。実施例３−１〜３−３では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、実施例１における実施例１−９と同じ条件でレール１を製造した。表１に示すように、条件Ｂでは、条件Ａに対してＭｎの含有量を増加させた。また、条件Ｃでは、条件Ｂに対してＣ（炭素）の含有量を増加させた。また、実施例３では各条件について、レール１の製造および硬度の測定の一連の工程による確認を２０回ずつ行った。表４において、冷却速度の実績は２０回での平均値を示す。さらに、表４において、硬度の値は、１回の測定で得られる２ｍ毎に採取したサンプルの平均値をさらに２０回の測定結果で平均した値である。

また、実施例３では、実施例３−１〜３−３に対する比較条件として、比較例３−１〜３−９の条件でレール１を製造し、硬度を測定し、表面組織を観察した（比較例３）。比較例３−１〜３−３では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、実施例１における比較例１−１と同じ条件でレール１を製造した。比較例３−４，３−６，３−８では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、実施例１における比較例１−３と同じ条件でレール１を製造した。比較例３−５，３−７，３−９では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、冷却速度を制御する際に、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が３．０℃／秒となるように頭頂ヘッダ２０から噴出される冷却媒体の噴射量を制御した。なお、比較例３−５，３−７，３−９におけるその他の条件は、比較例１−３と同じとした。

実施例３−１〜３−３では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ０〜ＨＶ２となり、いずれの成分条件においても頭頂面の幅方向の硬度が均一となることを確認した。また、実施例３−１〜３−３では、いずれの成分条件においても、頭頂面端部１１ｃの表面組織が１００％パーライト組織となることを確認した。さらに、実施例３−１〜３−３では、ＣおよびＭｎの含有量を増加させるに伴い、頭頂面中央部位置、頭頂面端部位置および頭部２５ｍｍ深さ位置における硬度が徐々に増加した。
頭頂面の幅方向の冷却速度を均一にした比較例３−１〜３−３では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ０〜ＨＶ３となり、いずれの成分条件においても頭頂面の幅方向の硬度が均一となった。また、比較例３−１〜３−３では、いずれの成分条件においても、表面組織が１００％パーライトとなった。しかし、比較例３−１〜３−３では、実施例３−１〜３−３の同じ成分条件と比較した場合、いずれの条件において頭部２５ｍｍ深さ位置での硬度が低くなり、実施例３−１〜３−３の同じ成分条件との差がＨＶ１９〜ＨＶ２２となった。

比較例３−４，３−６，３−８では、頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｃとの冷却速度の差が１．２℃／秒の差が生じ、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ１９〜ＨＶ３６となった。また、比較例２−４，２−６，２−８では、いずれの成分条件においても、表面組織が１００％パーライトとなったが、実施例３−１〜３−３に比べ、頭頂面の幅方向の硬度が不均一となった。
比較例３−５，３−７，３−９では、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が３．０℃／秒となるように冷却媒体の噴射量を制御したことで、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が５．０℃／秒となった。また、比較例３−５では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ３１となり、頭頂面の幅方向の硬度が不均一となった。比較例３−７，３−９では、他の比較例や実施例と異なり、頭頂面端部位置の硬度が頭頂面中央部位置の硬度よりも低くなり、硬度の差がＨＶ２８〜ＨＶ８６となることを確認した。また、比較例３−５の頭頂面端部１１ｃの表面組織は１００％パーライトとなり、比較例３−７，３−９の頭頂面端部１１ｃの表面組織はベイナイトとパーライトとの複合組織となった。

以上の結果から、本発明に係るレールの冷却方法および熱処理装置によれば、投資コストやランニングコストを抑制しながらも、レール１の頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にすることができることを確認できた。

１ ：レール
１１ ：頭部
１１ａ ：頭頂面中央部
１１ｂ，１１ｃ ：頭頂面端部
１１ｄ，１１ｅ ：頭側面
１１ｆ，１１ｇ ：顎下面
１２ ：ウェブ部
１３ ：足部
１３ａ ：足裏部
２ ：熱処理装置
２０ ：頭頂ヘッダ
２０１ ：頭頂多孔板ノズル
２０２，２０２ａ〜２０２ｅ ：ノズル孔
２１ａ，２１ｂ ：頭側ヘッダ
２１１ａ，２１１ｂ ：頭側多孔板ノズル
２１２，２１２ａ〜２１２ｈ ：ノズル孔
２２ ：足裏ヘッダ
２２１ ：足裏多孔板ノズル
２３ａ，２３ｂ ：支持拘束装置
２４ａ ：頭頂面中央部温度計
２４ｂ ：頭頂面端部温度計
２５ ：制御部

Claims (5)

1. 熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールの少なくとも頭部の頭頂面および頭側面に冷却媒体を噴射することで、前記レールを強制冷却する際に、
   前記レールの頭頂面端部へ前記冷却媒体を一方向からのみ直接噴射することを特徴とするレールの冷却方法。
2. 前記レールを強制冷却する際に、
   前記レールの頭頂面に対向して設けられた頭頂ヘッダおよび前記レールの頭側面に対向して設けられた頭側ヘッダから、前記頭頂面および前記頭側面に前記冷却媒体を噴射することで前記頭部を強制冷却し、
   前記頭頂ヘッダおよび前記頭側ヘッダの一方からは、前記頭頂面端部へ冷却媒体を直接噴射しないことを特徴とする請求項１に記載のレールの冷却方法。
3. 前記レールを強制冷却する際に、
   前記頭部の幅方向両端部から内側へ少なくとも５ｍｍの範囲、且つ前記頭頂面の上端から下方に少なくとも５ｍｍの範囲には、前記冷却媒体を一方向からのみ直接噴射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。
4. 熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールの少なくとも頭部の頭頂面および頭側面に冷却媒体を噴射することで、前記レールを強制冷却する冷却手段を備え、
   前記冷却手段は、前記レールの頭頂面端部へ前記冷却媒体を一方向からのみ直接噴射することを特徴とするレールの熱処理装置。
5. 前記冷却手段として、前記レールの頭頂面に対向して設けられた頭頂ヘッダと、前記レールの頭側面に対向して設けられた頭側ヘッダとを少なくとも有し、
   前記頭頂ヘッダおよび前記頭側ヘッダは、前記頭頂面および前記頭側面に冷却媒体を噴射することで前記頭部を強制冷却し、
   前記頭頂ヘッダおよび前記頭側ヘッダの一方は、前記頭頂面端部へ冷却媒体を直接噴射しないことを特徴とする請求項４に記載のレールの熱処理装置。

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