JP3731974B2

JP3731974B2 - 反りの少ない残留応力制御レールの製造方法

Info

Publication number: JP3731974B2
Application number: JP11745597A
Authority: JP
Inventors: 俊哉黒木; 耕一内野; 献久多良木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-04-22
Filing date: 1997-04-22
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: JPH10296333A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレール製造中に生じる残留応力を制御する軽圧下圧延に際してこれに伴う形状不良、特に反りを併せて解消する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レールは上下方向の形状を矯正する目的で、水平ロールを用いて垂直のローラー矯正を行っている。この矯正工程では残留応力として頭部（Ｈｅａｄ）と足部（底部）（Ｆｏｏｔ）に長手方向引張応力、柱部に圧縮応力が生じる。これらの残留応力によって頭部は上へ、足部（Ｆｏｏｔ）は下へと逆方向に反りかえろうとするので、腹部（Ｗｅｂ）に脆性亀裂ができた場合、亀裂の伝播を著しく促進させる危険性がある。かつて、米国で実際に腹部脆性亀裂の伝播によるレ―ルの破損事故があり、大きな問題となり、この原因の一つにこの残留応力分布が考えられていた。
【０００３】
そこで、このような残留応力を冶金的にもしくは機械的に緩和する方法が提案された。
【０００４】
冶金的な残留応力制御方法としては、特開平２−２８２４２６号開示での「パーライト変態を利用した、脆性亀裂が頭頂側へ抜けないことを目的とした方法」が知られているが、腹部脆性亀裂自体をそれほど短くできていない。
【０００５】
機械的な残留応力制御方法としては特開平７ー１８５６６０号開示での「ローラ―矯正での塑性変形を軽くすることにより残留応力を軽減する方法」、特開平６−３１２２１６号開示での「ローラー矯正後段で小径ロールで軽く圧延する方法」即ち、通常のローラー矯正を行ったレールの頭部および足部はともに引張残留応力を呈しているが、その後小径ローラーでレール頭部および足部表面層のみを同時に矯正圧延することで該表面層の長手方向に容易に圧縮の塑性変形を与え、ローラー矯正で発生した引張残留応力を圧縮残留応力に変える方法が知られている。
【０００６】
これらのうち、後者の軽圧下圧延の技術はレ―ルの頭部と足裏の表層に圧縮応力を付加するので、腹部脆性亀裂の伝播を抑制する残留応力分布が得られ、手段として比較的簡単であるにもかかわらず抜本的に残留応力分布が改善される点で、非常に有効である。特に小径ロ―ルとした理由は塑性変形を頭頂と足裏に限定するためであり、全体としての形状をほとんど変えることなく圧縮残留応力が付与できるからである。
【０００７】
さらに、この技術では、生産性を落とすことなく、４億通トン以上の長寿命のレ―ルが得られることが開示されている。
【０００８】
しかし、特開平６−３１２２１６号開示のロールを上下に千鳥状に配置した曲げ矯正機を通過して走行するレールを、ロールの直径が１００〜６００ｍｍでレールの頭部と接触してレール踏面がレール頭部曲率と同等ないし１、２倍の曲率半径を持つ凹状断面形状の上ロールと、該レールの足部に接触して曲率が２００〜１０００ｍｍの凸状断面形状の下ロールとからなる１対又は２対以上の圧下矯正機で、且つヘルツ応力が９００ー３０００ＭＰａの範囲で圧下矯正する方法は、矯正後であるにも関わらず、特に上反り等の形状不良が生じることがある。この上反りは最大で１２ｍあたり６０ｍｍ（曲率半径で３００ｍ、二階微分係数換算の曲率で１．６７×１０^-3ｍ^-1）にも達し、ＡＲＥＡの規格である１２ｍあたり１９ｍｍの反り量を遥かに上回る。このような場合、仕上げにプレス矯正を行ったり、再度曲げ矯正を負荷する等の対応が必要になる。特に、再度の曲げ矯正を与えることは残留応力制御の効果がなくなるので、好ましくない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はロ―ラ―矯正後に残留応力制御するレ―ルの冷間軽圧下圧延（以後単に軽圧下圧延）で生じる上下方向の反りを、その後にプレス矯正や曲げ矯正を行わないで制御すること、即ち、具体的にはこの軽圧下圧延を工夫することによって、残留応力制御と併せて、反り発生をも制御することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは、ローラ―矯正機で真直に矯正されたレ―ルについてロールとの摩擦条件を変えた軽圧下圧延実験と圧延解析を数多く試み、低コストでの反りの発生しない残留応力制御方法を検討した。
【００１１】
当初はこの上反りを防止するために異周速での非対称圧延（異周速圧延）による制御方法が考えられた。これができれば発生する上反りに合わせて周速を設定すればよいので、簡単に反りの制御ができると思われた。
【００１２】
しかし、まず、この基本デ―タとしてロ一ルからレ―ルへのマ―キングの転写で先進率を測定したところ、反りの曲率よりも先進率の方が大きく測定され、レールとロ−ルの間に既に滑りが存在することが判明した。また、反りで生じるひずみ差より十分大きい２％までの異周速圧延を行ったところ、上反りのなくなる条件を発見できず、１％以上の異周速ではかえって反りを大きくしてしまった。
【００１３】
さらに、異周速圧延では、レールに不安定な挙動が生じ、圧延自体が不安定となった。したがって、異周速圧延のみで反りを制御することは技術的に困難であることがわかった。
【００１４】
軽圧下圧延の実験や製造をくり返すうち、同じ長さを圧延するにしても短いレ―ルを全長にわたって圧延するよりも、長いレールの中央の―部を圧延する方が反りが小さいという傾向が現れた。これは短いレ―ルでは反り上がるはずのものがレールが長いために自重で圧延中に曲げモーメントが作用し、反りが抑えられたからと推察される。
【００１５】
そこで、軽圧下圧延に同時に付与される曲げモ―メントが反りに対して及ぼす影響について詳細に検討した結果、以下のような知見が得られた。
【００１６】
１）軽圧下圧延の入側と出側から曲げモ―メントを付与すると、レ―ルはそのモーメントの方向に反る。
【００１７】
２）このときの曲げモーメントはこれ自体では弾性範囲内の大きくないものであり、これで生じる最大応力は３００ＭＰａ以下で十分である。
【００１８】
本発明はこれらの知見に基づいて構成され、その要旨は次の通りである。
【００１９】
（１）レールの製造におけるローラー矯正後のレールを上下方向に軽圧下圧延するにあたり、軽圧下圧延中の前記レールに対して、その入側及び出側においてレール頭部から足部の方向に荷重を与えて、圧延ロールを支点とする曲げモーメントを付与することを特徴とする反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
【００２０】
（２）レール頭部から足部の方向に荷重を与える手段が入側及び出側ピンチロールであることを特徴とする上記（１）に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
【００２１】
（３）レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが最大応力で３００ＭＰａ以下であることを特徴とする上記（１）又は上記（２）に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法
（４）レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが、頭部での最小応力が４ＭＰａ以上であることを特徴とする上記（１）から上記（３）の内のいずれか１つに記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
【００２２】
（５）レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが、熱処理レールである場合、頭部での応力が４ＭＰａ〜１００ＭＰａであることを特徴とする上記（１）又は上記（２）に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
【００２３】
（６）レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが、普通鋼レールである場合、頭部での応力が４ＭＰａ〜８０ＭＰａであることを特徴とする上記（１）又は上記（２）に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１は本発明を実施した装置である。
【００２６】
既に、矯正手段（図示しない）を通過したレール１は、ロール２とロール３によって構成される軽圧下圧延機に導かれて、上下から圧下されて残留応力が制御される。この軽圧下圧延自体は、前述した特開平６−３１２２１６号公報に示されるように、周知の技術である。
【００２７】
この際、このまま何らの対応も施さなければ、一般的に頭部側の反り（上向き）が生じる。
【００２８】
この発明では軽圧下圧延の入側（圧延前）と出側（圧延後）にピンチロール４〜７を配して、このピンチロール４〜７を下降させて、レールの頭部側から足部へ荷重を与える。このことによって、レールには、軽圧下圧延ロール特に下ロール３を支点とする下向きの曲げモーメントが付与される。
【００２９】
この一連の圧延の後にはローラー搬送テーブル８があり、通常の通り次工程に搬送される。
【００３０】
この際の荷重は、後述の実施例で示されるように、約１ＫＮ〜数十ＫＮレベルで十分である。
【００３１】
また、付与される曲げモーメントは、弾性限界範囲内の小さいもので良い。その理由は次の通りである。但し、これは厳密な意味での弾性限との視点ではなく、その程度の曲げモーメントの小ささのレベル感を意味する。
【００３２】
ここで付与される曲げモーメントは下向きのもので、頭頂側では引張、足裏側では圧縮の応力が生じている。すなわち頭頂側は張力圧延、足裏側では押し込み圧延になっている。上下の圧下する荷重は自重分以外には等しいので、頭頂側で長手方向の塑性ひずみが大きくなり、足裏で小さくなる。このひずみ量の変化によって上反りが抑えられる。
【００３３】
ここで付与される曲げモーメントは小さすぎては効果が無く、大きすぎても下反りしてしまう。そこで、この適用範囲は限定されるべきものであるが、曲げモーメントによっての効果はレール形状（断面係数Ｚ）によって異なるので、これによって発生する頭頂もしくは足裏での最大応力の絶対値で定義する。
【００３４】
曲げモーメントによる形状制御効果は、熱処理レールの場合、頭部での応力が４ＭＰａで現れ始め、１００ＭＰａを越えるとかなりの割合で下反りが生じる。
【００３５】
従って、熱処理レールの場合には、好ましくは付与するモーメントは頭部での応力が４ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下の応力を生じさせる曲げモーメントであることが望ましい。
【００３６】
ここで説明したモーメントの範囲はＤＨＨレール（熱処理レール）が対象で、ロール直径が上下でほぼ等しく、無潤滑であることが条件での制御可能範囲である。これらの条件が異なると、この範囲自体も変わってくる。
【００３７】
例えば、普通炭素鋼では、実験結果より、負荷が７〜８割程度で十分なため、好ましくは４ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下の応力を生じさせる曲げモーメントであることが望ましい。即ち、応力４ＭＰａ未満では反りが変化せず、上限の８０ＭＰａについてはこの程度で十分に形状制御できるという意味で推奨する。
【００３８】
また、実験結果によれば、レール形状が異なっても、曲げモーメントの最大応力が３００ＭＰａ以下であれば、十分に形状制御が可能であった。
【００３９】
【実施例】
本発明者らは摩擦条件を変えてロ一ラ―矯正機で真直に矯正されたレールの軽圧下圧延を数多く行っており、本発明はレール軽圧下圧延機において実験および検証された。
【００４０】
実験の対象としたレールはＤＨＨ３７０−１３６１ｂＲＥレール、熱処理無し普通炭素鋼−ＪＩＳ６０Ｋレールである。反り評価は１０ｍ当たりの反りで評価し、１０ｍｍ以下ならば合格〇、５ｍｍ以下ならば良好◎、１０ｍｍ以上であれば不合格とした。−は下反りを示す。
【００４１】
モーメントは入り側のピンチロ―ルをパスライン高さに固定し、出側上のピンチ−ルの下向きに荷重を加えることで付与し、荷重を変えることでモーメントを変化させた。ピンチロールと圧延ロールとの距離は出側入側とも１ｍである。
【００４２】
実施例１はＤＨＨ３７０−１３６ｌｂＲＥレール（以下レ―ル▲１▼）を対象とし、実施例２は熱処理無し普通炭素鋼ＪＩＳ６０Ｋレ―ル（以下レ―ル▲２▼）を対象とした標準条件である。どちらも反りが微小であり、良好である。
【００４３】
比較例１はレ―ル▲１▼で、比較例２はレ―ル▲２▼で曲げモ―メントを付与しない場合を示したものである。どちらも上反りが激しく不合格である。
【００４４】
実施例３はレール▲１▼に、実施例４はレール▲２▼に少なめの曲げモーメントを付与した例である。上反りがわずかに生じ、良好までいかないが合格である。
【００４５】
実施例５はレール▲１▼に、実施例６はレール▲２▼に多めの曲げモーメントを付与した例である。下反りがわずかに生じ、良好までいかないが合格である。
【００４６】
比較例３はレール▲１▼で頭部での応力が１００ＭＰａを越え、比較例４はレール▲２▼で頭部での応力が８０ＭＰａを越え、本発明で規定する曲げモーメントの範囲を越えて、大きすぎる曲げモ―メントを付与した場合を示したものである。どちらも下反りが激しく不合格である。
【００４７】
図２はこのように曲げモーメントを付与しつつ、軽圧下圧延されたものと従来の軽圧下圧延されたものでの残留応力分布を比べたものである。図中「矯正ままのレール」とは、残留応力制御のための軽圧下圧延を適用していないレールを意味し、「曲げモーメントを付与していないレール」とは、軽圧下圧延を施してテいるレールを意味する。曲げモーメントを付与した本発明のレールでも、残留応力分布は従来の残留応力制御軽圧下圧延材と比べてほとんど変化が無いことがわかる。
【００４８】
【表１】

【００４９】
【発明の効果】
軽圧下圧延の前後で曲げモーメントを付与することによって、低コストの上で、形状制御されていない時と同様に残留応力制御されて、かつ、反りを実質的に許容できる範囲に制御した形状の良いレールの製造ができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施した装置を示す図である。
【図２】本発明の形状制御された軽圧下圧延材と、形状制御されていない軽圧下圧延材の断面内残留応力分布を示す図である。
【符号の説明】
１矯正を施した真直なレール
２軽圧下圧延機の上ロール
３軽圧下圧延機の下ロール
４入側上のピンチロール
５入側下のピンチロール
６出側上のピンチロール
７出側下のピンチロール
８搬送ローラーテーブル

Claims

レールの製造におけるローラー矯正後のレールを上下方向に軽圧下圧延するにあたり、軽圧下圧延中の前記レールに対して、その入側及び出側においてレール頭部から足部の方向に荷重を与えて、圧延ロールを支点とする曲げモーメントを付与することを特徴とする反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
レール頭部から足部の方向に荷重を与える手段が入側及び出側ピンチロールであることを特徴とする請求項１に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが最大応力で３００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法
レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが、頭部での最小応力が４ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１から請求項３の内のいずれか１つに記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが、熱処理レールである場合、頭部での応力が４ＭＰａ〜１００ＭＰａであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。
レールに頭部から足部へ下向きに付与する曲げモーメントが、普通鋼レールである場合、頭部での応力が４ＭＰａ〜８０ＭＰａであるこ
とを特徴とする請求項１又は請求項２に記載する反りの少ない残留応力制御レールの製造方法。