JP2019081917A - 高温レールの冷却方法及びミスト冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レール内部に傷等を発生させることなく、自然冷却に比べて短時間で高温レールを迅速に冷却可能とする。【解決手段】高温状態のレール１０を冷却する際に、レール１０の温度が所定温度に下がる迄はミストで冷却し、前記所定温度に下がってからは水で冷却する。ミスト冷却装置２０は、ミストをレール１０の頭部及び両腹部の３方向からそれぞれ噴射するための頭部ノズル２２Ｔ及び腹部ノズル２２Ｓと、該ノズル群２２Ｔ、２２Ｓをレール１０に対して所定位置に保持するためのノズル治具２４と、前記ノズル群２２Ｔ、２２Ｓに供給するミストを発生するためのミスト発生手段と、該ミスト発生手段に水を供給する水タンク２６と、前記ミスト発生手段に圧縮空気を供給するエアコンプレッサ２８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、高温レールの冷却方法及びミスト冷却装置に係り、特に、溶接直後のレール溶接部を冷却する際に用いるのに好適な、レール内部に傷等を発生させることなく、自然冷却に比べて短時間で高温レールを迅速に冷却することが可能な高温レールの冷却方法、及び、これに用いるのに好適なミスト冷却装置に関する。

全長２５ｍ程度の運搬可能な長さのレールを２００ｍ以上の長さのロングレール化するための溶接は、例えば特許文献１で出願人の一人が提案したような加熱圧接装置を用いて現場で行われている。

しかしながら従来のレール溶接時における冷却方法は、自然冷却が主であり、概ね２０分から５０分程度（例えば溶接終了後の８００℃から水冷できる３００℃まで約２２分）の時間を要していた。

レール溶接作業は、列車と列車との運行間合い時間で行われており、この手待ち時間が全体作業に大きく影響していた。

特許第５６２９４７５号公報 特開２００５−２９０４８６号公報 特開２０１６−４９５６８号公報

そこで従来は、溶接部の切削仕上げ作業時間を早めるために、作業員を１名増員し作業を行う必要があった。

一方、溶接直後の８００℃から通常のポリタンクなどを用いた散水による従来の冷却方法を行うと、レール内部に傷が発生し、レール折損等の事象を誘発させてしまい、列車の安全運行に支障をきたす恐れがあった。

なお、レール溶接部の冷却ではないが、高温レールの冷却方法として、特許文献２や特許文献３が提案されているが、本発明のミスト冷却については記載されていない。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、レール内部に傷等を発生させることなく、自然冷却に比べて短時間で高温レールを迅速に冷却可能とすることを課題とする。

本発明は、自然冷却中に雨が降ってもレールの材質に問題を生じないことに着目してなされたもので、高温状態のレールを冷却する際に、レールの温度が所定温度に下がる迄はミスト（稀水とも称する）で冷却し、前記所定温度に下がってからは水で冷却することにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記高温状態のレールを、溶接直後のレール溶接部とすることができる。

又、前記所定温度を３００℃とすることができる。

又、前記ミストの空気と水の比率を０．４：０．１５とすることができる。

本発明は、又、高温状態のレールをミストで冷却するための高温レールのミスト冷却装置であって、ミストをレールの頭部及び両腹部の３方向からそれぞれ噴射するための頭部ノズル及び腹部ノズルと、該ノズル群をレールに対して所定位置に保持するためのノズル治具と、前記ノズル群に供給するミストを発生するためのミスト発生手段と、該ミスト発生手段に水を供給する水タンクと、前記ミスト発生手段に圧縮空気を供給するエアコンプレッサと、を備えたことを特徴とする高温レールのミスト冷却装置を提供するものである。

ここで、前記ミスト発生手段を、液滴に圧縮空気の流速を与えることができる２流体スプレーノズルとすることができる。

又、前記ノズル治具により、前記ノズル群のレールに対する位置及び向きを調整可能とすることができる。

又、前記腹部ノズルのレール腹部表面の法線に対する傾斜角度を１０°とすることができる。

図１に例示する如く、レール温度が８００℃になった時点より本発明によるミスト冷却を開始した所、従来の水冷可能温度３００℃までの冷却時間は約８分となり、従来の自然冷却による２２分に比べて約１４分の時間短縮になった。

評価試験の結果、８００℃からのミスト冷却により３００℃まで冷却した際の冷却速度は１．１℃／秒で、自然冷却時０．４℃／秒の約３倍の速さであったが、冶金学的には問題が無いとの評価を得ることができた。

従って、本発明によれば、レール内部に傷などを発生させることなく、自然冷却に比べて短時間で高温レールを迅速に冷却することができる。よって、待ち時間を短縮でき、列車と列車の運行間合い時間内で冷却を終了することが可能となり、従来のように、仕上げ作業時間を早めるために、作業員を１名増員する必要が無くなる。

本発明の効果を説明するための、自然冷却とミスト冷却の温度降下曲線を比較して示す図 本発明による冷却手順を示す流れ図 同じくミスト冷却装置の実施形態の構成を示す図 本発明の実施例におけるノズル配置を示す断面図 本発明の原理を説明するための、実験１でミスト冷却を２段階で行った時の温度降下曲線を比較して示す線図 同じく実験２で空気と水の割合を変えた時の（Ａ）頭部と（Ｂ）底部の温度降下曲線を比較して示す線図 同じく実験３におけるノズル配置を示す断面図 同じく実験３でノズル配置を変えた時の（Ａ）頭部と（Ｂ）底部の温度降下曲線を比較して示す線図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の冷却方法における基本的な処理手順を図２に示す。

まずステップ１００で、図１に例示したように、例えば溶接直後の温度８００℃から、本発明によりミストによる冷却を開始する。

次いでステップ１１０で、所定温度、例えば３００℃まで下がったか否かを判定する。判定結果が否である場合にはステップ１００に戻り、ミストによる冷却を継続する。

一方、ステップ１１０の判定結果が正となった場合には、ステップ１２０に進み、従来と同様のポリタンクからの散水等により、水による冷却を行う。

ここで、ステップ１１０における所定温度の判定には、例えば非接触式／又は接触式温度計等で測定した実測温度、又は、例えばミスト冷却開始からの経過時間等から指定した推定温度のどちらを用いても良い。

本発明のステップ１００で用いるミスト冷却装置の実施形態を図３に示す。

このミスト冷却装置２０は、ミストをレール１０の頭部及び両腹部の３方向からそれぞれ噴射するための頭部ノズル２２Ｔ及び腹部ノズル２２Ｓと、該ノズル群２２Ｔ、２２Ｓをレール１０に対して所定位置に保持するための、例えばフレーム状のノズル治具２４と、前記ノズル群２２Ｔ、２２Ｓに供給するミストを発生するためのミスト発生手段（本実施例ではノズル２２Ｔ、２２Ｓを２流体スプレーノズルとすることで、ミスト発生手段を兼用）と、該ミスト発生手段（ノズル群２２Ｔ、２２Ｓ）に水を供給する水タンク２６と、前記ミスト発生手段（ノズル群２２Ｔ、２２Ｓ）に圧縮空気を供給するエアコンプレッサ２８とで構成されている。

図４にノズル群２２Ｔ、２２Ｓの具体的な配置例を示す。

ここで、レール表面からノズルまでの間隔は、１３０ｍｍ、１２０ｍｍ、１００ｍｍを比較した結果１００ｍｍとした。

本実施形態においては、ノズルとして２流体スプレーノズルを用いているので、別体のミスト発生手段が不要であり、構成が簡略である。

これにより、ミスト冷却装置２０が、ノズル治具２４、水タンク２６、エアコンプレッサ２８の３点の部品構成ですみ、単純でかつ持ち運び可能なものとなった。

なお、別体のミスト発生手段とスプレーノズルを組合せて用いることも可能である。

以下、図３及び図４の構成に至った経緯について説明する。

まず、最初の実験１として、ミスト冷却を２段階に分けて行い、実験１Ａでは第１段階ミストとして８００℃から５００℃までを空気０．４Ｍｐａ：水０．１Ｍｐａで７分３０秒、第２段階ミストとして５００℃から３００℃までを空気０．４Ｍｐａ：水０．３Ｍｐａで５分３０秒、合計１３分行った。この際、ミストの噴霧高さはレール頭頂面より３３０ｍｍの位置でノズル数量は頭頂部１箇所（ノズル２２Ｔ）のみとした。

比較のため行った実験１Ｂでは、第１段階ミストは実験Ａと同じ、第２段階ミストとして５００℃から３００℃までを空気０．４Ｍｐａ：水０．４Ｍｐａで１分３０秒、合計９分行った。この際のミストの噴霧高さはレール頭頂面より２２０ｍｍの位置でノズル数量は頭頂部１箇所（ノズル２２Ｔ）のみとした。

実験１の結果を図５に示す。

この実験１の結果を検討し、次の実験２では、ミストは現場での作業を考慮し、時間管理を単純化するため、８００℃から３００℃までの１段階で行うこととした。又、ノズル数量を頭頂部１個、腹部左右各１個合計３個に増やし、頭部ノズル２２Ｔ及び腹部ノズル２２Ｓから溶接部までの距離をそれぞれ１００ｍｍに設定した。なお、ノズル数量については頭部２方向のダブルミストも検討したが、十分な結果は得られなかった。

次に、実験２で空気と水の比率を検討した。この実験２では、空気と水の比率を空気は０．４Ｍｐａに固定し、水の量を変えて８００℃から３００℃までの冷却時間を測定した。実験２の条件を表１に示し、結果を図６に示す。

実験２Ａ、２Ｂでの冷却時間は、いずれも頭部２分３８秒、底部３分００秒であり、いずれも目標７分に対してかなり早い。

一方、実験２Ｃにおける冷却時間は頭部８分１０秒、底部９分３０秒であり、目標７分に対してやや遅い。

又、実験２Ｄにおける冷却時間は頭部６分４５秒、底部７分４５秒であり、目標７分と同等な結果となったので、以降の実験では、この実験２Ｄの条件を採用した。

次に実験３で腹部ノズル２２Ｓの配設角度の検討を行った。

実験３Ａでは、図７（Ａ）に示す如く、腹部ノズル２２Ｓの方向をレール１０の腹部全体及び底部上面全体に噴霧する角度４５°に設定した。この場合の冷却時間は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、頭部９分１５秒、底部８分１５秒であった。

次に、実験３Ｂでは、図７（Ｂ）に示す如く、腹部ノズル２２Ｓの方向をレール下首部を中心としてレール上首部から底部上面部に噴霧する角度３０°に設定した。この場合の冷却時間は図８（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、頭部８分１５秒、底部８分３０秒であった。

又、実験３Ｃでは、図７（Ｃ）に示す如く、腹部ノズル２２Ｓの方向をレール頭側部から底部上面中央部に噴霧する角度１０°とした。この実験３Ｃにおける冷却時間は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示す如く、頭部７分００秒、底部９分４５秒となったが、頭部温度が７分で冷却できたので、この腹部ノズル固定角度１０°を採用した。

次にミスト冷却を実施した試験体の継手評価を得るための事前確認を行った。試験体はＡからＣの３本作成し、圧接終了後約３分３０秒（約８００℃）から７分３０秒間ミスト冷却を行い、３００℃以下に下がったことを温度頂部で確認した。

試験体の頭頂面硬さ（ショア硬度）を測定し、いずれも異常な硬さの数値が無いことを確認した。

次に、試験体Ａ、Ｂについて曲げ幅の試験を行った。試験体Ａは頭部上姿勢で最大荷重１．９０８ＫＮ、撓み量６９ｍｍ、試験体Ｂは頭部下姿勢で最大荷重１．６１６ＫＮ、撓み量４３ｍｍで、いずれも基準値を満足していることを確認した。

以上の実験結果に基づいて、自然冷却との比較冷却曲線により効果を確認した結果が図１である。溶接終了温度１２００℃から３００℃までの自然空冷時間約２５分、８００℃からでは約２２分であったのが、８００℃から３００℃までのミスト冷却時間は約８分であり、約１４分の時間削減を確認できた。

上記条件で９本の試験体を作成し、公益財団法人鉄道総合技術研究所に継手評価試験を委託したところ、良好な結果を得ることができた。

本実施形態においては、ミスト冷却を１段階で行っているので、現場でも容易に実施できる。なお、ミスト冷却を２段階以上の複数段階に分けて行うことも可能である。

前記実施形態においては、頭部ノズル２２Ｔのレール頭頂面からの距離を１０ｃｍ、腹部ノズル２２Ｓのレール腹部表面からの距離を１０ｃｍとし、腹部ノズル２２Ｓのレール腹部表面に対する角度を１０°としていたが、前記数値はこれらに限定されない。更に、例えばノズル治具により、これらの関係を調整可能とすることもできる。空気と水の比率も、空気０．４：水０．１５に限定されない。

又、前記実施形態においては、本発明がガス圧接されたレール圧接溶接部の冷却に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、ガス圧接以外の方法、例えば鋳型を使って鋳込み溶接されたレール溶接部や、溶接時以外の製造時等の高温レールの冷却にも同様に適用できることは明らかである。

１０…レール
２０…ミスト冷却装置
２２Ｔ…頭部ノズル
２２Ｓ…腹部ノズル
２４…ノズル治具
２６…水タンク
２８…エアコンプレッサ

Claims (8)

1. 高温状態のレールを冷却する際に、
   レールの温度が所定温度に下がる迄はミストで冷却し、
   前記所定温度に下がってからは水で冷却することを特徴とする高温レールの冷却方法。
2. 前記高温状態のレールが、溶接直後のレール溶接部であることを特徴とする請求項１に記載の高温レールの冷却方法。
3. 前記所定温度が３００℃であることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温レールの冷却方法。
4. 前記ミストの空気と水の比率が０．４：０．１５であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高温レールの冷却方法。
5. 高温状態のレールをミストで冷却するための高温レールのミスト冷却装置であって、
   ミストをレールの頭部及び両腹部の３方向からそれぞれ噴射するための頭部ノズル及び腹部ノズルと、
   該ノズル群をレールに対して所定位置に保持するためのノズル治具と、
   前記ノズル群に供給するミストを発生するためのミスト発生手段と、
   該ミスト発生手段に水を供給する水タンクと、
   前記ミスト発生手段に圧縮空気を供給するエアコンプレッサと、
   を備えたことを特徴とする高温レールのミスト冷却装置。
6. 前記ミスト発生手段が、液滴に圧縮空気の流速を与えることができる２流体スプレーノズルであることを特徴とする請求項５に記載の高温レールのミスト冷却装置。
7. 前記ノズル治具により、前記ノズル群のレールに対する位置及び向きが調整可能とされていることを特徴とする請求項５又は６に記載の高温レールのミスト冷却装置。
8. 前記腹部ノズルのレール腹部表面の法線に対する傾斜角度が１０°であることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の高温レールのミスト冷却装置。