JP4675681B2 - 特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法及び熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉄道用分岐器類の構成部材であるトングレールやクロッシング部のノーズレール等、列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工されることで一端側から他端側に向かい断面積が増大し断面が変化して一様でないレール（以下、特殊断面レールという）について、そのレール頭部の硬度を一定の硬度にするために行うスラッククエンチ熱処理方法及び熱処理装置に関する。

鉄道分岐器に使用されるトングレール等、列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工された特殊断面レール１の硬化熱処理を行う場合、図１０に示されるように、熱処理装置の走行レール上を移動する２台の台車１００上に特殊断面レール１が載置される。台車１００のいずれか一台には連結部２００を介して送りワイヤ３００が接続され、この送りワイヤ３００は駆動モータ４００の回転速度により速度制御されて台車１００を走行レール５００上の左側から右側まで移動させる。
そして、熱処理を行うそれぞれの特殊断面レール１の頭部断面形状に最適な速度、例えば、特殊断面レールで頭部断面形状の大きい箇所は比較的遅く、小さい箇所は速い速度で加熱装置６００内に導かれる。

加熱装置６００内には、アセチレン又はプロパン等の燃料ガスと酸素等を混合して燃焼させる加熱バーナーが配置されている。加熱装置６００においては、加熱バーナーの火炎を特殊断面レール１の頭部に直接当てることにより加熱を行っている。

この加熱バーナーは、特殊断面レール１の頭部の横寸法が変化しても、また、特殊断面レール１の頭部幅が順次変化するためにレール頭部の中心位置が変化しても、常に適正な位置での加熱ができるように特殊断面レール１の頭部形状を追従できる構造になっている。この加熱バーナーの加熱により、特殊断面レール１が加熱装置６００の出口まで導かれる時点で、特殊断面レール１の頭部表面は約１０００℃まで均一に加熱されている。

その後、特殊断面レール１は、空気冷却箱が配置されている冷却装置７００内に導かれる。冷却装置７００において、特殊断面レール１の頭部表面に相対する面には、細かい穴が多数加工されており、ここから圧縮空気が特殊断面レール１の頭部表面に直接吹き付けられる。これにより、特殊断面レール１の頭部表面では強制空冷が行われる。
この時の冷却速度は特殊断面レールの表面で５〜３℃／秒になるように風圧が調整されている。そして、冷却装置７００の出口では特殊断面レール１の頭部温度が３００℃以下にまで冷却される。

この冷却装置７００は、加熱装置６００と同様に、特殊断面レール１の頭部横寸法が変化しても、また、特殊断面レール１の頭部、幅が順次変化するためにレール頭頂の中心位置が変化しても、常に適正な位置での強制空冷ができるように、走行レール５００の走行中央部を高く形成して特殊断面レール１の形状に追従できる構造になっている。

その後、３００℃以下まで冷却された特殊断面レール１は、水冷装置８００により水をかけられ常温まで冷却される。

レール頭部の硬化熱処理を行うに際しては、レール頭部の加熱を行うとその熱によりレール頭部が膨張するが、レール底部は加熱されないため膨張しない。このため、レール全体が頭部を上にして湾曲した形状になる現象が生じる。
これは、特殊断面レール１の場合も同様で、特に１５ｍを越す長い特殊断面レールの場合、硬化熱処理中にレールの長手方向の形状が２００ｍｍ以上湾曲したり、頭部形状が左右対称でないことから生じるレール横方向の変形が１００ｍｍ以上発生し、前述の加熱装置６００、冷却装置７０、水冷装置８００による追従が困難になる場合があった。また、この変形は硬化熱処理後も残留し、この変形を冷間で機械矯正する場合には、多大の費用と長時間の作業が必要であった。

更に、硬化処理後の特殊断面レールの変形が大きい場合は、矯正するのにレールを大きく下方向や横方向に曲げる必要があり、場合によっては矯正作業中にレール破断が発生する可能性があった。
また、矯正後の特殊断面レールにはレール矯正時に発生した残留応力が残り、特にレール顎下やレール底部にはレール長手方向にレール疲労強度と同程度の約３００ＭＰaの大きな引張残留応力が残る場合があった。
このような場合は、残留応力軽減のため、硬化熱処理と矯正が終了した特殊断面レール全体を大型電気炉等で３００〜５００℃まで再度加熱して、残留応力低減処理をする必要があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、特殊断面レールの頭部硬化熱処理を行うに際して、熱処理中の特殊断面レールの変形を抑制することが可能な特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法及び熱処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１は、熱処理装置に対して列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工されることで一端側から他端側に向かい断面積が増大し断面が変化して一様でないレール（特殊断面レール）を相対的に移動して前記レールの硬化熱処理を行う特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法であって、次の各工程を含むことを特徴としている。
レール頭部加熱工程。このレール頭部加熱工程は、特殊断面レールのレール頭部を硬化熱処理するために加熱するものである。
レール底部加熱工程。このレール底部加熱工程は、レール頭部の加熱により生じる頭部の膨張に対してレール変形防止のためにレール底部を加熱するものである。
空冷工程。この空冷工程は、前記レール頭部の表面温度が５００℃以下になるまで５〜３℃／秒の迅速な冷却速度で強制空冷するとともに、前記レール底部を２〜０．５℃／秒のやや遅い冷却速度で強制空冷するものである。
選択冷却工程。この選択冷却工程は、レール頭部表面温度が５００℃以下の温度からは、加熱された前記特殊断面レールの湾曲具合に応じて強制空冷するレール部位を選択して冷却するものである。

請求項２の特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法は、熱処理装置に対して列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工されることで一端側から他端側に向かい断面積が増大し断面が変化して一様でないレール（特殊断面レール）を相対的に移動して前記レールの硬化熱処理を行う方法であって、次の工程を含むことを特徴としている。
レール頭部加熱工程。このレール頭部加熱工程は、特殊断面レールのレール頭部を硬化熱処理するために加熱するものである。
空冷工程。この空冷工程は、前記レール頭部の表面温度が５００℃以下になるまで５〜３℃／秒の迅速な冷却速度で強制空冷するとともに、この空冷工程中において前記レール底部を２〜０．５℃／秒のやや遅い冷却速度で強制空冷するレール底部冷却工程を含むものである。
選択冷却工程。この選択冷却工程は、レール頭部表面温度が５００℃以下の温度からは、加熱された前記特殊断面レールの湾曲具合に応じて強制空冷するレール部位を選択して冷却するものである。

請求項３は、列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工されることで一端側から他端側に向かい断面積が増大し断面が変化して一様でないレール（特殊断面レール）を相対的に移動させて前記レールの硬化熱処理を行う熱処理装置であって、次の構成を含むことを特徴としている。
搬送手段。この搬送手段は、特殊断面レールを水平方向に搬送するものである。
レール頭部加熱手段。このレール頭部加熱手段は、特殊断面レールのレール頭部を硬化熱処理するために加熱するものである。
上下方向寸法測定手段。この上下方向寸法測定手段は、前記レール頭部加熱手段通過後における特殊断面レールの上下方向の湾曲具合を測定するものである。
レール底部加熱手段。このレール底部加熱手段は、上下方向寸法測定手段による測定値により前記特殊断面レールのレール底部を前記レール頭部の加熱により生じる頭部の膨張に対してレール変形防止のために加熱するものである。
レール頭部冷却手段。このレール頭部冷却手段は、前記レール頭部の表面温度が５００℃以下になるまで５〜３℃／秒の迅速な冷却速度で強制空冷するものである。
レール底部冷却手段。このレール底部冷却手段は、前記レール底部を２〜０．５℃／秒のやや遅い冷却速度で強制空冷するものである。
左右方向寸法測定手段。この左右方向寸法測定手段は、特殊断面レールの左右方向の湾曲具合を測定するものである。
選択冷却手段。この選択冷却手段は、前記左右方向寸法測定手段による計測値により強制空冷するレール部位を選択して冷却するものである。

上述の特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法によれば、特殊断面レールの頭部硬化熱処理を行うに際して、レール頭部の加熱中、若しくは加熱を行った後から冷却終了の間に、レール底部の冷却、並びに腹部の冷却を行い、熱処理中のレールの縦方向の変形と、横方向の変形を１０ｍｍ以内に制御することで、レール矯正後のレールの引張残留応力の大きさを低減することができる。

すなわち、本発明方法によれば、熱処理後のレールの縦と横方向の変形がほとんどなくなるので、機械での矯正が容易になり短時間で矯正作業を行うことができるとともに、矯正中のレール破断の発生も防止することができる。

また、矯正量を少なくすることができるので、矯正後でも特殊断面レールに大きな残留応力が発生しない。このため、残留応力軽減処理を施す必要がない。

熱処理中のレールの変形（曲がり）が少ないので、従前の方法では困難であった１５ｍ以上の長さのレールについても支障無く頭部硬化熱処理を行うことが可能となった。

したがって本発明方法および装置によれば、残留応力の少ない高品質の特殊断面の頭部硬化熱処理レールを短時間で経済的に得ることができる。

本発明の実施の形態の一例としての特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法について、図１〜図３を参照しながら説明する。
初めに、特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法を行うための熱処理装置の概略構成について説明する。
特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法を行うための熱処理装置は、特殊断面レール１のレール頭部を加熱する頭部予熱装置１０ａ，頭部加熱装置１０ｂと、レール底部を加熱する底部加熱装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃと、レール頭部を冷却する頭部冷却装置３０ａ，３１ａと、レール底部を冷却する底部冷却装置３０ｄ，３１ｄと、前記頭部冷却装置３１ａ及び底部冷却装置３１ｄによる強制空冷するレール部位を選択して冷却するための選択冷却手段（第２頭部冷却装置３１ａ，第２腹部右冷却装置３１ｂ，第２腹部左冷却装置３１ｃ，第２底部冷却装置３１ｄ）と、前記頭部加熱手段通過後における特殊断面レールの上下方向の湾曲具合を測定する上下方向寸法測定装置（第１寸法測定器４０，第２寸法測定器４１，第３寸法測定器４２，第５寸法測定器４４，第６寸法測定器４５，第８寸法測定器４７，第１０寸法測定器４９）と、特殊断面レールの左右方向の湾曲具合を測定する左右方向寸法測定装置（第４寸法測定器４３，第７寸法測定器４６，第９寸法測定器４８，第１１寸法測定器５０）と、前記各加熱装置、各冷却装置及び各測定装置に対して特殊断面レールを相対的に移動させるための搬送手段と、を有して構成されている。

頭部予熱装置１０ａ，頭部加熱装置１０ｂは、特殊断面レール１の頭部を硬化熱処理するための加熱を目的とするものである。底部加熱装置２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、頭部加熱により生じた頭部の膨張に対して底部を加熱することで相殺しレール変形の防止を目的とするものである。
第１頭部冷却装置３０ａは、特殊断面レール１の頭部を硬化処理することを目的とし、５〜３℃／秒の迅速な冷却速度で強制空冷するように設定されている。第１底部冷却装置３０ｄ及び第２底部冷却装置３１ｄは、レール底部が硬化しないように、２〜０．５℃／秒のやや遅い冷却速度で強制空冷するように設定されている。
第２頭部冷却装置３１ａは、特殊断面レール１の頭部を５００℃以下の温度から１００℃以下の温度に冷却するために、かつ、特殊断面レール１の変形を防止するため、第２底部冷却装置３１ｄと同じ冷却速度（２〜０．５℃／秒）に設定されている。
以下、連続頭部硬化熱処理方法を行うための熱処理装置の各構成について、詳細に説明する。

搬送手段は、特殊断面レール１を搬送するための左右の案内レール２ａ，２ｂと、特殊断面レール１を載置して前記案内レール２ａ，２ｂ上を移動する一対の台車３，３とを有して構成されるとともに、搬送速度が調整可能な制御装置を有して構成されている。案内レール２ａ，２ｂは水平に敷設されることで、従来例の図１０と異なり、特殊断面レール１は水平方向に搬送されるようになっている。
台車３の底部には、案内レール２上を走行する車輪４が装着され、上面にはパイプ状のコ字型アーム部５が装着され、コ字型アーム部５の上面に特殊断面レール１の端部が置かれることで、一対の台車３，３で特殊断面レール１を架け渡すようになっている。

アーム部５のコ字型で囲まれた部分は、底部加熱装置及び底部冷却装置が支障なく通過できる空間が形成されている。また、パイプ状のアーム部５は、図４に示すように、アーム部下側側面よりアーム部５の温度上昇を避けるために冷却用の水が循環できるパイプ６が挿入された構造になっている。
そして、台車３，３は、一体化されるとともに駆動手段（図示せず）により適宜速度で図中の矢印方向に水平に移動するようになっている。

一対の台車３，３のアーム部５，５上に載置された特殊断面レール１が通過する上側位置に、頭部予熱装置１０ａ、頭部加熱装置１０ｂの順に搬送方向に沿って配置されている。頭部予熱装置１０ａ及び頭部加熱装置１０ｂの両方を必要としたのは、レール表面から内部にかけて温度勾配が付くような加熱を行うためである。
すなわち、後述する冷却工程による冷却は、冷却位置を制御し易いように圧縮空気による強制空冷により行われる。この圧縮空気による冷却能は水冷の場合に比較して低く、頭部全体（表面から内部まで）を１０００℃まで加熱すると表層から深くなるほど冷却速度は遅くなり、レール内部の硬化は期待できない。そのため、圧縮空気で冷却する場合は、レール表層から内部に向けて温度勾配が付くような加熱が必要となるからである（なお、レール頭部の硬化熱処理は、頭頂中心の表層下２０ｍｍ以上まで硬化することを目的としている）。

温度勾配を作る方法としては、頭部予熱装置１０ａでレール頭部全体を５００〜６００℃にした後、頭部加熱装置１０ｂでレール頭部表層を急速加熱することにより、レール表面が約１０００℃で、レール頭部の頭頂中心の表面下２０ｍｍにおける温度を６００℃以上にすることができる。また、頭頂中心からその表面下２０ｍｍの間に約２０℃の温度勾配を付与することができる。

頭部予熱装置１０ａ及び頭部加熱装置１０ｂは、図５に示すように、レール長手方向に並列に連結された複数個の小型加熱バーナー１１で構成されている。各小型加熱バーナー１１の下方表面には小径孔火口１２が規則的に加工され、火口面が同一平面になるように配置されることで、特殊断面レール１の加熱を効率よく行うようになっている。

各小型加熱バーナー１１の上面に位置するガス供給元にはガス圧力調整器１３が取り付けられ、小型加熱バーナー１１に供給するガス圧力を調整するようになっている。また、各小型加熱バーナー１１上には冷却水が溜まる冷却室１４がそれぞれ形成され、冷却水は両端の冷却室１４にそれぞれ装着された水パイプ１５により供給されている。

特殊断面レール１が通過する下側位置においては、前記頭部予熱装置１０ａに対して搬送先位置に第１底部加熱装置２０ａが配置され、頭部加熱装置に対応する位置に第２底部加熱装置２０ｂがそれぞれ配置され、更に搬送先に第３底部加熱装置２０ｃが配置されている。底部加熱装置として３個設けるのは、弱い火炎で確実に所望の温度まで加熱させるためである。
レール底部加熱の場合、その厚みが薄いので容易に加熱過多になり易いため、常に弱い火炎で加熱する必要がある。しかし、レール底部の厚みは８〜２０ｍｍとバラツキがあるため、一つの加熱装置だけでは所定の温度まで加熱できない場合がある。そのため、本実施例では第２底部加熱装置２０ｂを主に使用し、第１底部加熱装置２０ａは補助的に使用し、第３底部加熱装置２０ｃは変形防止の目的で使用する。

すなわち、頭部予熱装置１０ａ，頭部加熱装置１０ｂ，第１底部加熱装置２０ａ，第２底部加熱装置２０ｂの加熱による変形を後述する第５寸法測定器４４で測定し、その値が所定の値以上の場合のみレール底部を第３底部過熱装置２０ｃで加熱して所定の変形量内にする。

第１底部加熱装置２０ａ、第２底部加熱装置２０ｂ及び第３底部加熱装置２０ｃは、図５に示した頭部加熱装置１０と同様に、レール長手方向に並列に連結された複数個の小型加熱バーナー１１で構成され、各小型加熱バーナー１１の表面に小径孔火口１２が規則的に加工し、火口面が同一平面になるように配置されることで、特殊断面レール１の底部の加熱を効率よく行うようになっている。

各加熱装置の配置場所より搬送先側には、加熱された特殊断面レールが通過する際に加熱装置からの熱を効率良く遮断するため、特殊断面レールが通過する周囲位置に、特殊断面レールの上方位置に頭部火炎仕切り２６が、特殊断面レール１の腹部を挟む左右側面に腹部右火炎仕切り２７及び腹部左火炎仕切り２８が、特殊断面レール１の下方位置に底部火炎仕切り２９がそれぞれ設置されている。

頭部火炎仕切り２６は、水平位置に配置された耐熱材製支柱２１に対して、短冊状の細長い耐熱材２２をレール幅方向に並列に固定したもので、特殊断面レール１のレール頭部の上方から耐熱材２２をレール上に垂らしてレール頭部側面まで覆い、頭部加熱装置１０ｂの火炎を遮る構造となっている。耐熱材製支柱２１は、その内部が空洞化され、支柱冷却用の水が循環できる構造となっている。
腹部右火炎仕切り２７及び腹部左火炎仕切り２８は、耐熱材２１を特殊断面レール１のレール頭部下からレール底部上面上に垂らしてレール腹部と底部上面を覆うことで、頭部加熱装置１０ｂの火炎を遮る構造となっている。
底部火炎仕切り２９は、耐熱材２２を特殊断面レール１のレール底部から下に垂らしてレール底部を覆うことで第３底部加熱装置２０ｃの火炎を遮る構造となっている。

火炎仕切りに対して搬送側のレール頭部の上側には、第１頭部冷却装置３０ａ及び第２頭部冷却装置３１ａが一定の間隔をおいて設置されている。間隔を置いて２個の冷却装置を設置するのは、冷却途中でレールの変形量を後述する第５寸法測定器４７で正確に測定するためである。
なお、測定するときのレール頭頂面の温度は約５００℃にしている。これは、レール頭部の硬さが変態点付近の冷却速度で決まり、５００℃以下で強制空冷してもレール頭部硬さが変化しないこと、熱変形の大きさは温度の高さに比例するが、５００℃は以後の冷却方法によりレールに変形を与えることも変形を抑えることもできる温度であること、との理由による。

また、第１頭部冷却装置３０ａの下でレール腹部の左右には第１腹部右冷却装置３０ｂ、第１腹部左冷却装置３０ｃが、レール底面には第１底部冷却装置３０ｄがそれぞれ配置されている。
同様に、第２頭部冷却装置３１ａの下でレール腹部の左右には第２腹部右冷却装置３１ｂ、第２腹部左冷却装置３１ｃが、レール底面には第２底部冷却装置３１ｄがそれぞれ配置されている。
第１腹部右冷却装置３０ｂ、第１腹部左冷却装置３０ｃ、第２腹部右冷却装置３１ｂ、第２腹部左冷却装置３１ｃには、レール腹面に対して一定の距離に冷却面を位置させるために伸縮シリンダー３８を設けることで、冷却面が腹部に追従できるように構成されている。

頭部冷却装置３０ａ，３１ａは、図６に示されるように、複数（五個）の小型空冷ボックス３２をレール長手方向に並列に連結して構成され、それぞれの小型空冷ボックスには、小径圧縮空気吐出孔３３が規則的に加工され、それぞれの圧縮空気吐出面は下側に同一平面になるように配置されている。そして、小径圧縮空気吐出孔より吐出された圧縮空気が特殊断面レール１の頭部に当たることにより、レール頭部の強制冷却が行われる。
また、それぞれの小型空冷ボックス３２に圧縮空気を供給するパイプ３４が接続され、パイプ３４の元には電磁開閉弁３５と圧縮空気の圧力調整器３６が装着され、コンプレッサーや大型ブロワ−（図示せず）から圧縮空気が供給されている。

腹部右冷却装置３０ｂ、３１ｂ及び腹部左冷却装置３０ｃ、３１ｃは、図７に示されるように、二個の小型空冷ボックス３２をレール長手方向に並列に連結して構成され、各小型空冷ボックス３２には、小径圧縮空気吐出孔３３が規則的に加工され、それぞれの圧縮空気吐出面は横側に同一平面になるように配置されている。そして、小径圧縮空気吐出孔より吐出された圧縮空気が特殊断面レールの腹部に当たることにより、レール腹部の強制冷却が行われる。電磁開閉弁３５及び圧力調整器３６が装着される構成は、上部冷却装置と同様である。

底部冷却装置３０ｄ、３１ｄは、図８に示されるように、複数（五個）の小型空冷ボックス３２を並列に連結した構成であり、圧縮空気吐出面３３が上面に位置する構造のみが頭部冷却装置３０ａ，３１ａと異なるものである。他の構成は頭部冷却装置と同じ構造であり、小径圧縮空気吐出孔より吐出された圧縮空気が特殊断面レール１の底部に当たることにより、レール底部の強制冷却が行われる。

特殊断面レール１が通過する上方及び下方には、各加熱装置により加熱する範囲を決めるための複数の寸法測定器が順に設置されている。すなわち、搬送される特殊断面レールの位置を正確に把握するために、搬送入口に位置する第１寸法測定器４０と、第１寸法測定器４０の下方に位置する第２寸法測定器４１と、第１寸法測定器４０より搬送先側に位置する第３寸法測定器４２と、第１寸法測定器４０より下側且つ側面側に位置する第４寸法測定器４３がそれぞれ設置されている。

また、第１〜第４寸法測定器より搬送先側において、加熱された特殊断面レール１が通過する上方及び下方には、加熱されたレールの湾曲具合を測定するために複数の寸法測定器が順に設置されている。すなわち、搬送される特殊断面レールの頭部の位置を把握するための第５寸法測定器４４と、第５寸法測定器４４の搬送先側に位置する第６寸法測定器４５と、第６寸法測定器４５の下側且つ側面側に位置する第７寸法測定器４６と、第６寸法測定器４５より搬送先側に位置する第８寸法測定器４７と、第８寸法測定器４７より下側且つ側面側に位置する第９寸法測定器４８と、第８寸法測定器４７の搬送先側に位置する第１０寸法測定器４９と、第１０寸法測定器４９の下側且つ側面側に位置する第１１寸法測定器５０とがそれぞれ設置されている。

これら各寸法測定器は、図９に示されるように、市販の光距離センサ本体５２の端面に装着された光距離センサ５３が５〜１０ｍｍ間隔で並列にレール横断面方向に配置され、各光距離センサ本体５２からは光距離センサケーブル５４が配線されている。この寸法測定器により、特殊断面レールのレール頭部における「案内レールの位置」「幅」「光距離センサから特殊断面レールまでの距離」等を測定するようになっている。また、各寸法測定器は、加熱火炎の影響を受けない場所に設置されている。

また、頭部予熱装置１０ａの搬送先位置上側、頭部加熱装置１０ｂの搬送先位置上側、底部加熱装置２０ｂの搬送先位置下側、底部加熱装置２０ｃの搬送先位置下側、第１頭部冷却装置３０ａの搬送先位置上側、第１０寸法測定器４９の搬送先下側にそれぞれ放射温度計６０，６１，６２，６３，６４，６５がそれぞれ設置されることで、特殊断面レール１のレール温度の測定が行われるようになっている。

特殊断面レール１の搬送先側のレール上部には、水冷装置５１が設置され、冷却水を特殊断面レール１の上面に散布させることにより常温まで冷却するようになっている。

次に、上述の装置を使用した特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法による加熱及び冷却について説明する。
列車車輪が接触する側だけのレール頭部が切削加工された特殊断面レール１について、切削側と反対側の腹部が右案内レール２ａと平行になるように台車３のアーム部５間に架け渡すように配置する。特殊断面レール１は、搬送手段により台車３が案内レール２ａ，２ｂ上を走行することにより、頭部断面が大きい側から頭部予熱装置１０ａに搬送される。

頭部予熱装置１０ａの入口では、第１寸法測定器４０により特殊断面レールの頭部幅と頭部位置が、第４寸法測定器４３によりレール腹部と第４寸法測定器４３との距離が、第２寸法測定器４１により底部幅と底部位置がそれぞれ測定される。

頭部予熱装置１０ａでは、第１寸法測定器４０が測定した頭部幅位置に相当する箇所の小型加熱バーナー１１（図５）だけが各小型加熱バーナー１１の火炎を調整する制御器（図示せず）を介して自動的に又は手動で駆動され、レール頭部箇所を加熱火炎で十分覆うことができる。この加熱により特殊断面レール１の頭部が５００〜６００℃まで加熱される。予熱温度の測定は、頭部予熱装置１０ａの出口に設置された非接触型の放射温度計６０により行われる。
頭部予熱装置１０ａを通過した特殊断面レール１は、頭部加熱装置１０ｂの入口で第３寸法測定器４２により頭部幅と頭部位置が再度測定される。

頭部加熱装置１０ｂにおいては、第３寸法測定器４２が測定した頭部幅位置に相当する箇所の小型加熱バーナー１１だけが自動的に又は手動で駆動され、レール頭部箇所を加熱火炎で十分覆うことができる。この加熱により特殊断面レールの頭部表面が１０００℃まで加熱される。加熱温度の測定は、頭部加熱装置１０ｂの出口に設置された非接触型の放射温度計６１により行われる。加熱温度がやや低い場合には搬送手段の制御装置を介して台車３の搬送速度を遅くし、やや高い場合には搬送速度を速くすることにより加熱温度を調整することもできる。

第３寸法測定器４２の位置では、第１寸法測定器４０で測定されたレール頭部高さ測定値との比較を行い、測定値の差が１０ｍｍ以上レール頭部が上方向に湾曲している場合については、第１底部加熱装置２０ａと第２底部加熱装置２０ｂによりレール底部が３００〜５００℃まで加熱される。この加熱温度の確認は、第２底部加熱装置２０ｂの出口で放射温度計６２により行われる。
第１底部加熱装置２０ａ及び第２底部加熱装置２０ｂにおいては、第２寸法測定器４１が測定したレール底部幅位置に対応する小型加熱バーナー１１だけが駆動され、レール底部箇所を加熱火炎で十分覆うことができる。

第１底部加熱装置２０ａおよび第２底部加熱装置２０ｂでの加熱に際しては、底部の肉厚が頭部に比べて薄いため、頭部予熱装置１０ａ及び頭部加熱装置１０ｂのような強い火炎でなく比較的に弱い火炎が用いられる。これは、底部の加熱の目的がレール底部を硬化熱処理することではなく、頭部予熱装置１０ａ及び頭部加熱装置１０ｂの頭部加熱による頭部の上方向の湾曲を、底部を加熱して膨張させることにより相殺してレール全体の変形を少なくすることが目的であるからである。
このため、レール種別が４０Ｎレール〜６０ｋｇレールのように、レールの底部断面が大きくない場合で、１０ｍｍ以上レール頭部が上方向に湾曲した場合は第２底部加熱装置２０ｂだけが用いられる。

また、レール頭部の大半を切削加工した特殊断面レールで、レール頭部での上方向への湾曲が１０ｍｍ以内の場合には、第１底部加熱装置２０ａ及び第２底部加熱装置２０ｂは使用しない（レール底部の加熱を行わない）。
また、第２底部加熱装置２０ｂだけではレール底部を３００℃まで加熱できない底部断面の大きな８０Ｓレール、ＣＲ７３クレーンレール、ＣＲ１００クレーンレール、クロッシングノーズレール等の場合には、第１底部加熱装置２０ａがレール底部の予熱用として用いられる。

放射温度計６２で測定された温度が低い場合には、第１底部加熱装置２０ａ及び第２底部加熱装置２０ｂに送られるガス圧力が増加し、レール底部の加熱温度が上げられる。

頭部加熱装置１０ｂを通過した特殊断面レールは第５寸法測定器４４によりレール頭部高さ測定値が測定され、この測定値と第１寸法測定器４０でのレール頭部高さ測定値との比較を行い、測定値の差が１０ｍｍ以上ある場合で、底部が既に３００〜５００℃まで加熱されている場合には、第３底部加熱装置２０ｃの小型バーナー１１によりレール底部が７００℃まで加熱される。
また、第１底部加熱装置２０ａ及び第２底部加熱装置２０ｂを使用していない場合は、第３底部加熱装置２０ｃの小型加熱バーナー１１によりレール底部が３００〜５００℃まで加熱される。加熱温度の確認は、第３底部加熱装置２０ｃの出口で放射温度計６３により行われる。

第３底部加熱装置２０ｃにおいては、第２寸法測定器４１が測定したレール底部幅位置に対応する小型加熱バーナー１１だけが駆動され、レール底部箇所を加熱火炎で十分覆うことができる。
第１底部加熱装置２０ａ、第２底部加熱装置２０ｂ及び第３底部加熱装置２０ｃでは、底部加熱温度を７００℃以上にしない。これは加熱後に行われる強制空冷により底部が硬化する可能性を排除するためである。この底部加熱により強制空冷装置に入る特殊断面レール１の頭部上方向の湾曲量は１０ｍｍ以内になる。
なお、通常の６０ｋｇ偏断面レールの場合、頭部加熱装置１０ｂの出口において、レール頭部での上方向への湾曲は、長さ１０ｍのレールで頭部と底部の温度差が５００℃の場合は約１０ｍｍ、７００℃では１４ｍｍ、９００℃では１８ｍｍになる。このため、頭部と底部の温度差はできるだけ少なくする必要がある。

続いて、特殊断面レール１は火炎仕切り２６，２７，２８，２９に案内される。各火炎仕切り２６，２７，２８，２９は耐熱材で形成され特殊断面レール１の全周を覆う位置に配置されているので、頭部加熱装置１０ｂと第３底部加熱装置２０ｃの火炎が、加熱後に引き続き行われる強制空冷に使用する冷却装置に当たらないように遮断される。

各火炎仕切り２６，２７，２８，２９を通過した特殊断面レール１は、第６寸法測定器４５によりレール頭部高さ、頭部幅、頭部位置の測定が行われた後に、第１頭部冷却装置３０ａに案内されて強制空冷が行われる。第１頭部冷却装置３０ａの小径圧縮空気吐出孔３３より吐出された圧縮空気が特殊断面レール１のレール頭部に当たることによりレール頭部の強制空冷が行われる。この時、レール頭部表面における冷却速度は、レール硬化を目的とするため、８００℃から５００℃間で５〜３℃／秒と非常に早くなるように、高い圧力の圧縮空気が使用される。
また、第１頭部冷却装置３０ａにおける各小型空冷ボックス３２は、第６寸法測定器４５で測定されたレール頭部箇所を圧縮空気のシャワーで十分に覆うことができるように、第６寸法測定器４５が測定した頭部幅位置に相当する箇所の小型空冷ボックス３２だけが強制空冷に使用される。

第６寸法測定器４５により測定されたレール頭部高さは、第１寸法測定器４０でのレール頭部高さと比較され、レール頭部での上方向への湾曲量が＋５ｍｍ以下（頭部側に突出している状態が＋となる）の場合のみ第１底部冷却装置３０ｄによりレール底部が強制空冷される。
これは、第１頭部冷却装置３０ａでの強制空冷においては、８００℃から５００℃間で５〜３℃／秒の早い冷却速度にしているため、レール頭部の収縮量が大きく、特殊断面レール１のレール頭部の大きさにもよるが、８００℃から〜５００℃に冷却する間に約５〜１５ｍｍレールが下側に湾曲するためである。すなわち、このまま頭部の強制空冷を行うとレール頭部は底部側に湾曲した形状になる。
しかし、熱処理後、レールを真っ直ぐになるように矯正する際には、僅かに頭部側に湾曲している方が作業を容易にするので、熱処理に際しては僅かに頭部側を＋に湾曲させておく必要がある。

すなわち、レールが上方向（＋側）に湾曲している場合は、三点曲げ（底部に支点を二つセットし、その底部間の中央の頭部に力を加える方法）により、レール頭部を圧縮するように曲げてレールを真っ直ぐにするに際して、レール底部は硬くなっていないので曲げ易く、またレール底部の幅は頭部より広いので曲がりを矯正する機械を安定してセットできる。これに対してレールが下方向（−側）に湾曲している場合は、三点曲げ（頭部に支点を二つセットし、その頭部間の中央の底部に力を加える方法）により、レール頭部を引っ張るように曲げてレールを真っ直ぐにするに際して、レール頭部が硬くなっているので曲げ難く、またレール頭部が偏断面のため曲がりを矯正する機械を安定してセットするのが困難である。
したがって、底部を強制空冷して収縮させて頭部を湾曲させることにより、頭部強制空冷時の頭部の下方向への湾曲を若干相殺してレール全体の変形を少なくすることができる。

第１底部冷却装置３０ｄでの強制空冷には、頭部冷却装置で使用されるような高い圧力の圧縮空気ではなく、レール底部が硬化しないように、レール底部の表面での冷却速度が２℃／秒以下（２〜０．５℃／秒）になるような低圧力の圧縮空気が使用される。底部が７００℃まで加熱された場合と、３００〜５００℃まで加熱された場合とでは、第１底部冷却装置３０ｄでの底部強制空冷による頭部を上方向に湾曲させる程度は異なるが、この強制空冷により、レール頭部を上方向に約５ｍｍ湾曲することができる。

また、第７寸法測定器４６により、特殊断面レール１のレール腹部と第７寸法測定器４６間の距離測定を行って、その測定値と第４寸法測定器４３の測定値との比較が行われる。
第７寸法測定器４６の測定値が＋５ｍｍより大きい場合は、第１腹部右冷却装置３０ｂにより特殊断面レール１の腹部が強制空冷される。この場合、第１腹部左冷却装置３０ｃは使用しない。
第１腹部右冷却装置３０ｂの小径圧縮空気吐出孔３３より吐出された圧縮空気が特殊断面レール１の腹部に当たることにより、第１腹部右冷却装置３０ｂ側の腹部の強制空冷が行われ、その腹部表面が収縮することにより、腹部の横曲がりが修正されて少なくなる。
なお、腹部表面の冷却速度は１℃／秒以下になるように圧縮空気の圧力が調整されている。

この時、第１腹部右冷却装置３０ｂと第１腹部左冷却装置３０ｃの圧縮空気吐出面積位置は、レール腹部の厚みが変化しても常にレール頭部側面より１０〜３０ｍｍ離れた位置になるように、第６寸法測定器４５で測定した頭部幅と位置に合わせて、第１腹部右冷却装置３０ｂと第１腹部左冷却装置３０ｃの後ろに設置されている伸縮シリンダー３８を伸縮させることで、圧縮空気吐出面がレール腹部に追従するようにしている。
また、第７寸法測定器４６の測定値が−５ｍｍより大きい場合は、第１腹部左冷却装置３０ｃにより特殊断面レール１の腹部が強制空冷される。この場合、第１腹部右冷却装置３０ｂは使用しない。

第１腹部左冷却装置３０ｃの小径圧縮空気吐出孔３３より吐出された圧縮空気が特殊断面レール１の腹部に当たることにより、腹部冷却装置側の腹部の強制空冷が行われ、その腹部表面が収縮することにより腹部の横曲がりが修正されて少なくなる。
この時の腹部表面の冷却速度は１℃／秒以下になるように圧縮空気の圧力が調整されている。
これにより、第１頭部冷却装置３０ａの出口で、特殊断面レール１はレール頭部が上方向に１０ｍｍ以下の湾曲した状態で搬出される。

第１の各冷却装置を出た特殊断面レール１は、放射温度計６４でレール頭頂面の温度が測定される。この時の温度が５００℃以上の場合は、第１頭部冷却装置３０ａの圧縮空気圧力が上げられ、レール頭部の強制空冷が促進される。
次に、特殊断面レール１は第８寸法測定器４７と第９寸法測定器４８によりレール各部の位置等が測定された後、次段（第２）の冷却装置（選択冷却装置）（第２頭部冷却装置３１ａ，第２腹部右冷却装置３１ｂ，第２腹部左冷却装置３１ｃ，第２底部冷却装置３１ｄ）に案内され、５００℃以下の温度からの第８寸法測定器４７，第９寸法測定器４８により測定した湾曲量に応じてレール部位を選択して常温近くまでの強制空冷が行われる。

第２頭部冷却装置３１ａの各小型空冷ボックス３２においては、第８寸法測定器４７で測定されたレール頭部箇所を圧縮空気のシャワーで十分に覆うことができるように、第８寸法測定器４７が測定した頭部幅位置に相当する箇所の小型空冷ボックス３２だけが強制空冷に使用される。
第８寸法測定器４７により測定されたレール頭部高さは、第１寸法測定器４０でのレール頭部高さと比較されて、レール頭部での上方向への湾曲量が＋３ｍｍの場合は、第２頭部冷却装置３１ａと第２底部冷却装置３１ｄには同じ圧力の圧縮空気が使用され、レール頭部と底部は同じ冷却速度で常温まで冷却される。
湾曲量が＋３ｍｍより大きい場合は、その量に応じて第２頭部冷却装置３１ａの圧力が第２底部冷却装置３１ｄの圧力より上げられる。これにより、底部および頭部の冷却がより促進されて湾曲量が少なくなる。

なお、レール各部の温度は各冷却装置での強制空冷によりレールの過冷変態点６００〜６５０℃を下回っているため、各冷却装置の強制空冷によりレールが硬化することはない。
また、第９寸法測定器４８では、特殊断面レール１のレール腹部と第９寸法測定器４８間の距離測定を行って、その測定値と第４寸法測定器４３の測定値との比較が行われる。
第９寸法測定器４８の測定値が＋３ｍｍより大きい場合は、第２腹部右冷却装置３１ｂにより特殊断面レール１の腹部が強制空冷される。この場合、第２腹部左冷却装置３１ｃは使用しない。
第２腹部右冷却装置３１ｂの小径圧縮空気吐出孔３３より吐出された圧縮空気が特殊断面レール１の腹部に当たることにより、第２腹部右冷却装置側３１ｂの腹部の強制空冷が行われ、その腹部表面が収縮することにより腹部の横曲がりが修正されて少なくなる。
この時の腹部表面の冷却速度は１℃／秒以下になるように圧縮空気の圧力が調整されている。

また、第９寸法測定器４８の測定値が−３ｍｍより大きい場合には、第２腹部左冷却装置３１ｃにより特殊断面レールの腹部が強制冷却される。この場合、第２腹部右冷却装置３１ｂは使用しない。
第２腹部右冷却装置３１ｂの小径圧縮空気吐出孔３３より吐出された圧縮空気が特殊断面レール１の腹部に当たることにより、第２腹部左冷却装置３１ｃ側の腹部の強制空冷が行われ、その腹部表面が収縮することにより腹部の横曲がりが修正されて少なくなる。
また、腹部表面の冷却速度は１℃／秒以下になるように圧縮空気の圧力が調整されている。
この時、第２腹部右冷却装置３１ｂと第２腹部左冷却装置３１ｃの圧縮空気吐出面位置は、レール腹部の厚みが変化しても常にレール頭部側面より１０〜３０ｍｍ離れた位置になるように、第８寸法測定器４７で測定した頭部幅と位置に合わせて、第２腹部右冷却装置３１ｂと第２腹部左冷却装置３１ｃの後ろに設置されている伸縮シリンダー３８を伸縮させることでレール腹部に追随させている。

各冷却装置から出てきた特殊断面レールの温度は放射温度計６５で測定され、１００℃以上の温度の時は、第２頭部冷却装置３１ａの圧縮空気圧力が均等に上げられ、レール全体空冷が推進される。
１００℃以下の温度になった特殊断面レール１は水冷装置５１により常温まで冷却される。これは１００℃以下からの水冷では、レールの湾曲が発生しないとの理由による。また、残留応力の変化も皆無であるためである。

上述した連続頭部硬化熱処理によれば、熱処理後のレール頭部の上方向への湾曲量は、２５ｍの特殊断面レールの場合で、全長で＋３〜８ｍｍ、横方向の曲がりは±５ｍｍ以内となった。
これにより、熱処理後の冷間矯正作業が容易に、且つ短時間で行うことができるようになった。また、曲がり矯正後のレール残留応力値は、レール長手方向の引張応力で最大９８ＭＰａ以下となり、従来の方法に比べて大幅に低減した。

上述した特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法によれば、硬化熱処理中に発生する特殊断面レールの変形を常に１０ｍｍ以下にするように制御を行うことにより、熱処理後の変形量を１０ｍｍ以内にすることが可能となる。その結果、熱処理後の冷間矯正作業が容易になり、且つ短時間で行うことができる。
また、レールの引張残留応力を低減し品質の高い特殊断面レールを製造することができる。

本発明の特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法を行うための装置の概略構成を示す斜視構成説明図である。 本発明の特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法を行うための装置の概略構成を示す正面構成説明図である。 本発明の特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法を行うための装置の概略構成を示す側面構成説明図である。 アーム部の内部を説明するための構造説明図である。 特殊断面レールの頭部又は底部を加熱する加熱装置の構造説明図である。 特殊断面レールの頭部を強制空冷する頭部冷却装置の構造説明図である。 特殊断面レールの腹部を強制空冷する腹部冷却装置の構造説明図である。 特殊断面レールの底部を強制空冷する底部冷却装置の構造説明図である。 本発明方法で使用される寸法測定器の平面説明図である。 従来の熱処理方法を説明するための構成説明図である。

符号の説明

１ 特殊断面レール
２ａ 右案内レール
２ｂ 左案内レール
３ 台車
４ 車輪
５ アーム部
６ パイプ
１０ａ 頭部予熱装置
１０ｂ 頭部加熱装置
１１ 小型加熱バーナー
１２ 小径孔火口
２０ａ 第１底部加熱装置
２０ｂ 第２底部加熱装置
２０ｃ 第３底部加熱装置
２６ 頭部火炎仕切り
２７ 腹部右火炎仕切り
２８ 腹部左火炎仕切り
２９ 底部火炎仕切り
３０ａ 第１頭部冷却装置
３０ｂ 第１腹部右冷却装置
３０ｃ 第１腹部左冷却装置
３０ｄ 第１底部冷却装置
３１ａ 第２頭部冷却装置
３１ｂ 第２腹部右冷却装置
３１ｃ 第２腹部左冷却装置
３１ｄ 第２底部冷却装置
３２ 小型空冷ボックス
３３ 小径圧縮空気吐出孔
４０ 第１寸法測定器
４１ 第２寸法測定器
４２ 第３寸法測定器
４３ 第４寸法測定器
４４ 第５寸法測定器
４５ 第６寸法測定器
４６ 第７寸法測定器
４７ 第８寸法測定器
４８ 第９寸法測定器
４９ 第１０寸法測定器
５０ 第１１寸法測定器
５１ 水冷装置
５２ 光距離センサ本体
５３ 光距離センサ
５４ 光距離センサケーブル
６０ 放射温度計
６１ 放射温度計
６２ 放射温度計
６３ 放射温度計
６４ 放射温度計
６５ 放射温度計
１００ 台車
２００ 連結部
３００ 送りワイヤ
４００ 駆動モータ
５００ 走行レール
６００ 加熱装置
７００ 冷却装置
８００ 水冷装置

Claims (3)

1. 熱処理装置に対して列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工されることで一端側から他端側に向かい断面積が増大し断面が変化して一様でないレール（特殊断面レール）を相対的に移動して前記レールの硬化熱処理を行う方法であって、
   特殊断面レールのレール頭部を硬化熱処理するために加熱するレール頭部加熱工程と、
   レール頭部の加熱により生じる頭部の膨張に対してレール変形防止のためにレール底部を加熱するレール底部加熱工程と、
   前記レール頭部の表面温度が５００℃以下になるまで５〜３℃／秒の迅速な冷却速度で強制空冷するとともに、前記レール底部を２〜０．５℃／秒のやや遅い冷却速度で強制空冷する空冷工程と、
   レール頭部表面温度が５００℃以下の温度からは、加熱された前記特殊断面レールの湾曲具合に応じて強制空冷するレール部位を選択して冷却する選択冷却工程と
   を具備することを特徴とする特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法。
2. 熱処理装置に対して列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工されることで一端側から他端側に向かい断面積が増大し断面が変化して一様でないレール（特殊断面レール）を相対的に移動して前記レールの硬化熱処理を行う方法であって、
   特殊断面レールのレール頭部を硬化熱処理するために加熱するレール頭部加熱工程と、
   前記レール頭部の表面温度が５００℃以下になるまで５〜３℃／秒の迅速な冷却速度で強制空冷する空冷工程と、
   前記空冷工程中において前記レール底部を２〜０．５℃／秒のやや遅い冷却速度で強制空冷するレール底部冷却工程と、
   レール頭部表面温度が５００℃以下の温度からは、加熱された前記特殊断面レールの湾曲具合に応じて強制空冷するレール部位を選択して冷却する選択冷却工程と
   を具備することを特徴とする特殊断面レールの連続頭部硬化熱処理方法。
3. 列車車輪が接触する側だけレール頭部が切削加工されることで一端側から他端側に向かい断面積が増大し断面が変化して一様でないレール（特殊断面レール）を相対的に移動させて前記レールの硬化熱処理を行う熱処理装置であって、
   特殊断面レールを水平方向に搬送する搬送手段と、
   特殊断面レールのレール頭部を硬化熱処理するために加熱するレール頭部加熱手段と、
   前記レール頭部加熱手段通過後における特殊断面レールの上下方向の湾曲具合を測定する上下方向寸法測定手段と、
   該上下方向寸法測定手段による測定値により前記特殊断面レールのレール底部を前記レール頭部の加熱により生じる頭部の膨張に対してレール変形防止のために加熱するレール底部加熱手段と、
   前記レール頭部の表面温度が５００℃以下になるまで５〜３℃／秒の迅速な冷却速度で強制空冷するレール頭部冷却手段と、
   前記レール底部を２〜０．５℃／秒のやや遅い冷却速度で強制空冷するレール底部冷却手段と、
   特殊断面レールの左右方向の湾曲具合を測定する左右方向寸法測定手段と、
   該左右方向寸法測定手段による計測値により強制空冷するレール部位を選択して冷却する選択冷却手段と
   を具備することを特徴とする熱処理装置。

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