JP4174423B2 - 工作物、特にレール鋼製の形材圧延製品の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱い工作物、すなわちオーステナイト組織を有する工作物が入口範囲と出口範囲を有する冷却区間を通って案内されて冷却プロセスを受け、この場合パーライト組織またはフェライト／パーライト組織への変換が行われる、工作物の冷却方法、特に圧延製品、ここでは微細なパーライトまたはフェライト／パーライトの組織を有するレール鋼からなる形材圧延製品の冷却方法に関する。

レール鋼は実質的に、レールと、レールの連結要素または固定要素を製造するために役立つ。車輪を経てレールに作用する、垂直力、案内力、加速力および制動力のような垂直方向および横方向の力は、直接的な作用範囲において、きわめて大きな動応力と、一般的には鋼の塑性変形を生じることになる。この負荷によって、材料押しのけ、磨滅、材料除去、局部的な材料疲労または亀裂の形をした摩耗現象が生じる。摩耗現象を生じにくくするレールの改良は、できるだけ微細な筋を有するパーライト組織に関連して、降伏点と引張り強度と耐疲労性を高めることによって達成可能である。

技術水準による冷却床での普通の冷却条件下で、レール鋼はパーライト組織への変換を行う。この場合、フェライト−パーライト組織を備えたレール鋼は７００〜９００Ｎ／ｍｍ² の範囲の引張り強度を有する。レール鋼の重要な特性は、フェライト／パーライトの組織の割合によっておよびその組織形態学的な形成によって決まる。フェライト／パーライトの鋼の場合にもパーライトの鋼の場合にも、薄片間隔が重要である。
ヨーロッパ特許出願公開第０７２５１５２号公報により、熱間圧延されたレール形材を冷却するための装置が公知である。形材形状に適合した冷却出力がコンピュータシステムによって計算される。この場合、基部と比べて、特にレールヘッドの形状が考慮される。レールのひずみを防止するために、フェライトおよび／またはパーライトへのヘッド内と基部の組織の変換ができるだけ短い時間のずれで進行するように、冷却が行われる。
米国特許第４４８６２４８号明細書は同様にレール形材の冷却に関する。この方法の場合、実質的にレールヘッドが冷却される。接続する中間範囲では、レール基部の残留熱による再加熱が生じる。少量のベイナイトを有するパーライト組織が目標組織として生じる。
米国特許第４６３８８５１号明細書は、例えば連続的な帯板熱処理または帯板メッキの際の金属帯板の冷却に関する。

本発明の根底をなす課題は、機械的特性が改善され、微細筋状のパーライト組織またはフェライト／パーライト組織を有する、レール鋼からなる工作物、特に形材圧延製品を製造するための冷却方法を提供することである。

この課題は、請求項１記載の特徴によって解決される。有利な発展形態は従属請求項に記載されている。
方法では、工作物、例えば（圧延）高温部から来る圧力形材製品または場合によっては連続形材製品が、冷却区間を通って案内される。この冷却区間は、互いに無関係に調節可能な冷却パラメータを有する独立した個々の冷却モジュールからなっている。この場合、冷却モジュールの間に、温度補正または熱応力除去のための中間範囲が設けられ、この中間範囲内のそれぞれの工作物の実際温度を測定するための手段を備え、冷却区間全体を通過するときに工作物の所定の（表面）温度を調節するために、１つまたは各々の中間範囲内の工作物のその都度の実際温度に依存して、少なくとも後続の冷却モジュールの特有の冷却パラメータ、特に冷却の強さが制御され、工作物の所定の温度がその都度、ベイナイト組織成分を形成する臨界温度の上方にある。

従って、基本思想は、所望なパーライトまたはフェライト／パーライト組織が生じるように、レール鋼からなる工作物の表面温度を冷却するために、冷却区間内でレール鋼からなる工作物の冷却を制御することである。この場合、応力除去相の通過と、好ましくは各々の中間範囲内の温度状態の連続的な点検と、場合によっては個々の冷却モジュールの冷却パラメータの制御とによって、温度が臨界温度を下回ることがなく、それによってベイナイト変換が発生して不所望なベイナイト組織部分が形成されるほど強い過冷却は行われない。

冷却プロセスは、通過する冷却モジュールに依存する個々の冷却プロセスステップと、組織応力除去のための通過する中間範囲に依存する再加熱の時間的な相および／または熱的に保持する時間的な相および／またはゆっくりと冷却する時間的な相とからなっている。この場合、工作物はすべての中間範囲内で、応力除去の同じ時間的な相または中間範囲で異なる時間的な相を通過することができる。この場合、再加熱は工作物の内部に存在する残留熱によっておよび／または外部からの熱供給によって行われる。これにより、ほぼ鋸歯状の冷却過程が生じる。この冷却過程は発生する最終組織、ひいては機械的な特性に対して有利に作用する。冷却プロセスのどの時点でもベイナイト形成が開始されないように、冷却区間のパラメータを調節することにより、ベイナイトが形成されないようにする。

本発明では更に、中間範囲が工作物、特に圧延製品にわたる温度補正のためあるいはゆっくりした冷却速度での冷却のために使用される。
好ましくは、各々の中間範囲のその都度測定された実際温度に依存して、その都度後続の冷却領域の特有の冷却パラメータと、同時に、先行する冷却モジュールの冷却パラメータが制御される。これは、工作物または圧延製品の温度が所定の時点または中間範囲内の設定された目標温度と異なっている場合に、後続の冷却モジュール内の冷却パラメータの特有の変更によって、工作物または圧延製品が再び目標温度に調節され、同時に後続の工作物のために先行する冷却モジュールが調節されることを意味する。

好ましくは、工作物の表面温度が中間範囲の終端で、すなわち組織応力除去のための範囲の終わりで測定される。中間範囲内での温度測定は品質監視のためにも利用することができる。

有利な実施形では、表面温度測定が光学式および非接触式測定、すなわち高温計によって行われる。
冷却パラメータ、ここでは特に冷却の強さの制御は好ましくは、工作物の表面に冷却媒体を当てる圧力の制御および／または冷却媒体の温度制御調整および／または冷却ノズル形状の選択による冷却媒体の流量の制御調整によって行われる。冷却媒体としては冷却水が好ましい。

圧力制御は好ましくは、冷却ビームに配置されたノズルに至る供給管路内の圧力制御弁によって行われる。冷却の強さの制御は冷却ビームまたは冷却ビーム構造体あたり異なる数のノズルを作動させることによっても可能である。

冷却媒体の温度制御のきわめて有利な実施形では、ライデンフロスト温度を下回らないようにあるいは非常に遅く下回るように、冷却媒体、特に冷却水が工作物表面に当たる前に予熱される。

ライデンフロスト現象とは、接触した物体の温度が液体の沸点の上方にあるときに、液体の湿っていない状態であると理解される。水は例えば蒸発した水からなるガス膜によって、更に蒸発しないように保護され、それによって所定の時間の間冷却作用を喪失する。ライデンフロスト温度は冷却水供給温度によって影響を受ける。ライデンフロスト温度は冷却水供給温度が高くなるにつれて上昇し、冷却作用は弱くなる。ライデンフロスト温度を下回らないようにあるいは非常に遅く下回るようにするために、冷却水を予熱することが提案される。これは、冷却作用が弱くなり、それによって良好に再現可能であるという利点がある。

有利な方法ステップでは、工作物の温度が冷却区間に入る前または入る際に測定され、この温度が冷却パラメータを予めセットするために使用される。それによって、個々の冷却モジュールの冷却パラメータの予備調節、特に冷却媒体を工作物表面に当てる圧力を調節することができる。

本発明の他の詳細と効果は、従属請求項と次の記載から明らかになる。次の記載では、図に示した本発明の実施の形態を詳しく説明する。その際、特徴の上記の組合せのほかに、単独の特徴または特徴の他の組合せも本発明にとって重要である。

図１に示した冷却区間１は形材圧延区間（図示していない）、例えばレール鋼からなるレール形材のための圧延区間に接続されている。冷却区間１は図示した実施の形態の場合、５個の冷却モジュール２ａ〜２ｅからなっているがしかし、この冷却モジュールの数に限定されない。個々の冷却モジュール２ａ〜２ｅは例えば、１個または複数の冷却ビームまたは冷却ノズル構造体を備えるように構成されている。個々のノズルから出る冷却水の圧力は、圧力制御弁３ａ〜３ｅによって調節可能である。実際の圧力は圧力測定装置４ａ〜４ｅによって測定される。個々の冷却モジュール２ａ〜２ｅの間には中間範囲５ａ〜５ｅが配置されている。中間範囲５ａ〜５ｅの各々の端部には、この中間範囲内にある圧延製品の表面温度を光学的に非接触測定するための高温計６ａ〜６ｅが配置されている。レール形材の場合、レールヘッドの表面温度が測定される。

冷却区間１の始端または入口範囲（１２）において第１の冷却モジュール２ａの手前に、付加的な高温計６ｆが配置されている。個々の高温計６ａ〜６ｆは信号ライン７ａ〜７ｇを介してコンピュータユニット８に接続されている。このコンピュータユニット８は個々の制御弁３ａ〜３ｅを変更するために制御ライン９ａ〜９ｅを介して冷却媒体ノズルに接続されている。冷却媒体、特に冷却水（ＫＷ）は排出管１０ａ〜１０ｅを備えた共通の供給管１０を経て個々の冷却モジュール２ａ〜２ｅに案内される。圧力値を制御するために、同様に、コンピュータユニット８と共に圧力測定機器４ａ〜４ｅの制御回路が設けられている（信号ライン１１ａ〜１１ｅ）。

次に、プロセスについて説明する。圧延された鋼からる形材、例えばレールが冷却区間に入る前に、第１の高温計６ｆ、例えば２色の高温計によって、そのときの表面温度が測定される。この第１の表面温度はコンピュータユニット８に供給される。コンピュータユニットはこの個別の値に依存して、冷却水圧力と冷却水温度を調節するために個々の制御弁の予備調節（プリセット）を行う。第１の冷却モジュール２ａを通過し、最初の冷却を行った後で、レール形材は第１の中間範囲５ａに入る。この中間範囲では、組織の応力除去が行われる。第１の中間範囲５ａの終わりに、第２の高温計６ａ、例えば２色高温計によって、他の表面温度測定（Ｔ_IST）が行われる。測定されたこの実際値は信号ライン７ａ，７ｇを経てコンピュータユニット８に送られ、そこで目標値（Ｔ_SOLL）と実際値（Ｔ_IST）の差が計算される。この場合、目標値は常に、ベイナイトの形成が開始される材料特有の温度の上方にある。目標値は合金特有のものであり、試験によって決定される。レール鋼の場合、冷却プロセス時に下回らないようにすべきであるこの臨界温度の基準値は、約４００〜５００°Ｃである。

実際値と目標値の間に差がある場合には、後続の冷却モジュールが、その冷却パラメータに関して、ここでは発生する冷却水の圧力に関して、圧力制御弁３ａ〜３ｅを変更することによって制御される。この場合、圧力値の制御は測定された実際の圧力値に依存して連続的に行われる。

上記の制御は各々の広い中間範囲５ｂ〜５ｅで測定された温度値に依存して繰り返される。その際好ましくは、後続の冷却モジュールだけでなく、先行する冷却モジュールも、次に冷却すべき圧延材のために制御される。

図２，３は、制御する場合と制御しない場合の、０．８％の炭素を有する材料からなるレールヘッドの冷却曲線を温度−時間−グラフによって示している。記号Ｃ８０Ｗ６０またはＣ８０Ｗ６５により、（例えばＡＲＥＡ（アメリカ鉄道エンジニアリング協会の納入規定）１３６によるレール形状の）レールヘッドの中心部における冷却速度がエッジ範囲内の冷却速度よりも遅いことと、それによって中心範囲内においてオーステナイトからパーライトまたはフェライト−パーライトへの変換が比較的に速い温度で生じることが明らかである。

時間に対する温度変化は、レールヘッドの異なる５つの測定個所で測定される。この場合、最初の測定個所はレールヘッドの中心部であり、２番目の測定個所は表面の下方５ｍｍであり、３番目の測定個所は側面の内側５ｍｍであり、４番目の測定個所は側面上であり、５番目の測定個所はヘッド表面である。どの時間でもどの測定個所でも、レールヘッドの組織が冷却によって、組織内にベイナイトが形成されるほど過冷却されないことが明らかである。

シミュレーションされた冷却区間は５つのモジュールによって個々に制御可能である。図２の個々の冷却曲線が示すように、ベイナイトの形成が開始される臨界温度を決して下回らない。レールヘッドの表面の冷却を示す冷却曲線４，５から、中間範囲または補償領域内での再過熱による鋸歯状の冷却過程が明らかである。

図３は、個々に制御できない５つの冷却モジュールを備えた冷却区間を比較のために示している。従って、レールヘッドの表面近くの範囲（曲線４，５）において、ベイナイト温度を下回ることになる。

提案した方法によって、高い圧延温度からレール鋼を冷却する際に、機械的な特性、特に耐摩耗性に不利な影響を与えるベイナイト成分を含まない微細な（ファイン）パーライトまたはフェライト／パーライトの組織が生じる。

本発明による方法が実施される冷却区間の概略図である。 冷却区間内で本方法に従ってバイナイト温度を下回らないように冷却される、０．８％のＣと１．０％のＭｎを含む普通のレール鋼のレールヘッドにおける５つの測定個所の冷却曲線を示す温度−時間−グラフである。 比較のために、ベイナイト温度を下回る制御できない冷却過程の５つの冷却曲線を示す温度−時間−グラフである。

Claims (7)

1. 圧延高温部から来るオーステナイト組織を有する熱い工作物が入口範囲（１２）と出口範囲を有する冷却区間（１）を通って案内されて冷却プロセスを受け、この場合パーライト組織またはフェライト／パーライト組織への変換が行われる、
   微細なパーライトまたはフェライト／パーライトの組織を有するレール鋼からなる工作物を冷却するための方法において、
   工作物が、冷却区間の長さにわたって直列に配置された、冷却パラメータを独立して調節可能な独立した個々の冷却モジュール（２ａ〜２ｅ）からなる冷却区間を通って案内され、
   冷却モジュール（２ａ〜２ｅ）の間に、熱応力を除去するための中間範囲（５ａ〜５ｅ）が設けられ、この中間範囲（５ａ〜５ｅ）内のそれぞれの工作物の実際温度（Ｔ_IST）を測定するための手段を備え、
   冷却プロセスが、通過する冷却モジュールに依存する個々の冷却プロセスステップと、熱応力除去のために通過する中間範囲に依存する再加熱の時間および／または熱的に保持する時間および／またはゆっくりと冷却する時間とからなっており、
   冷却区間（１）全体を通過するときに工作物の目標温度を保証するために、中間範囲（５ａ〜５ｅ）内の工作物のその都度の実際温度（Ｔ_IST）に依存して、少なくとも後続の冷却モジュール（２ｂ〜２ｅ）の特有の冷却の強さが制御され、工作物の目標温度（Ｔ_SOLL）がその都度、ベイナイト組織成分を形成する臨界温度の上方にあることを特徴とする冷却方法。
2. １つまたは各々の中間範囲（５ａ〜５ｅ）のその都度測定された実際温度（Ｔ_IST）に依存して、その都度後続の冷却モジュール（２ｂ〜２ｅ）の特有の冷却パラメータと、同時に先行する冷却モジュール（２ａ〜２ｄ）の冷却パラメータが制御されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却方法。
3. 工作物の表面温度が中間範囲（５ａ〜５ｅ）の終端で測定されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却方法。
4. 実際温度測定（Ｔ_IST）が光学式および非接触式測定によって行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載の冷却方法。
5. 冷却強さの制御が冷却媒体の圧力制御および／または温度制御によって行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の冷却方法。
6. ライデンフロスト温度を下回らないようにあるいは予熱されていない冷却媒体よりも遅く下回るように、冷却媒体が工作物表面に当たる前に予熱されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つに記載の冷却方法。
7. 工作物の温度が冷却区間（１）に入る前または入る際に測定され、この温度が個々の冷却モジュールの冷却パラメータを予めセットするために使用されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の冷却方法。

Images