JP4906651B2 - スチール製レールの熱処理方法およびそれに用いる熱処理装置 - Google Patents

Description

本発明はスチール製レールの熱処理方法およびそれに用いる熱処理装置に関する。

鉄道輸送が高速化し重荷する傾向にあり、スチール製レールに対する要求が高くなってきている。長年の研究と使用実績によると、熱処理により微細なパーライト金属組織構造のスチール製レールを製造することができ、かつ、所望の機械性能を付与することができる。この方法はスチール製レールの耐用年数を伸ばす強力な手段である。主な既存の技術としてスチール製レールに対する熱処理の方式が二種類ある。その一つの方式は常温状態の圧延したスチール製レール完成品を再加熱するものである（“オフライン熱処理技術”とも称する）。もう一つの方式はスチールの圧延製造ライン上のスチール製レールを熱処理するために、圧延プロセスの余熱を利用するものである（“オンライン熱処理技術”とも称する）。これらの技術は特許文献１における開示内容およびその背景技術の部分に引用した背景技術の開示内容を参考することができる。
オフライン熱処理技術は、圧延したスチール製レールが２回の相転移過程を履歴するので、微細なパーライトミクロ構造となり、このために、より高い強度、強靭性および硬度の硬化層を得ることができる。しかしながら、オフライン熱処理技術には以下のような、この技術固有の欠点が存在する。例えば、エネルギー消費が高く、硬化層が薄く、硬化層と非硬化層の間の転移領域に軟化帯があり、かつ、スチール製レールの真直度が低くい。このスチール製レールの真直度はローラー矯正によって確立することが出来るが、このローラー矯正は同一のスチール製レールについて一回のみの適用しかできない。スチール製レールのローラー矯正は熱処理前に行うものであり、熱処理後に行うことができない。
オンライン熱処理技術の特徴は、エネルギー消費が低く、硬化層が深く、硬さカービングと軟化帯が無く、かつ、真直度が高い。しかしながら、オンライン熱処理技術には以下のような、この技術固有の欠点が存在する。例えば、圧延したスチール製レールは相転移過程が一回だけであり、得られた金属組織構造がオフライン熱処理技術によって製造したスチール製レールの金属組織構造のように微細ではない。

中国特許第１０８３０１３号明細書

本発明が解決しようとする技術課題の１つは、スチール製レールの熱処理方法を提供することにより、製造したスチール製レールがより微細な金属組織構造を有し、それによってスチール製レールの耐用年数を改善し、かつ、エネルギー消費を低減してスチール製レールの熱処理コストを下げることである。
また、本発明が解決しようとするもう一つの技術課題は上述のスチール製レールの熱処理方法に用いる熱処理装置を提供する。この装置はスチール製レールの圧延製造ラインの次に配置するものであり、前部架台部、高温矯正部、第一空冷部、加熱部および第二空冷部で構成され、スチール製レールの熱処理工程の順に設置される。

したがって、本発明は以下のステップで構成されるスチール製レールの熱処理方法を提供するものである。すなわち、
（１）圧延後の高温のスチール製レールを連続移送しながら高温矯正を行うステップ、
（２）該高温矯正した圧延後の高温のスチール製レールに対して、ジェット空冷方式によりレール頭頂部およびレール基底部を強制的に冷却する第一熱処理を行うステップ、および
（３）該第一熱処理したスチール製レールに対して、該レール頭頂部を８５０〜９５０℃に加熱し、次いで、ジェット空冷方式により、該レール頭頂部を該レール基底部に近い温度まで強制的に冷却する第二熱処理を行うステップ。

本発明は下記のような効果を有する。すなわち、圧延の余熱を利用して第一熱処理がなされたスチール製レールを直ぐに再加熱する第二熱処理を行うので、スチール製レールで二度の急速冷却中に二度の相転移が起り、スチール製レールにより微細な金属組織構造が生じる。これにより、スチール製レールの耐摩耗性、耐接触疲労性および耐用年数が改善され、既存のオンライン熱処理技術やオフライン熱処理技術によって製造した熱処理スチール製レールのものより高いものが得られる。
そのスチール製レールに対して第二熱処理を行うときにはレールウェブとレール頭頂部の中間部が既に高温状態になっているので、再加熱のエネルギー消費をオフライン熱処理技術の７０％まで削減することができる。したがって、スチール製レールの製造コストを低減することができる。

以下、本発明の実施の態様を図面に基づいてさらに詳細に説明する。
本発明のスチール製レールの熱処理方法は以下のステップで構成されるものである。
すなわち、
（１）圧延後の高温のスチール製レールを連続移送しながら高温矯正を行うステップ、
（２）該高温矯正した圧延後の高温のスチール製レールに対して、ジェット空冷方式によりレール頭頂部およびレール基底部を強制的に冷却する第一熱処理を行うステップ、
および
（３）該第一熱処理したスチール製レールに対して、該レール頭頂部を８５０〜９５０℃に加熱し、次いで、ジェット空冷方式により、該レール頭頂部を該レール基底部に近い温度まで強制的に冷却する第二熱処理を行うステップ。

通常、スチール製レールはその横断面を見ると、レール頭頂部、レールウエブおよびレール基底部という３つの部分で構成される。該レール頭頂部はレールを設置するときに上方を向く頭頂部を指し、該レール基底部は地面と接する底部を指し、該レールウェブは該レール頭頂部と該レール基底部の間の中間部分を指す。
圧延後の高温スチール製レールの温度は通常８００℃以上、例えば８６０〜１２００℃である。高温矯正を行う間、スチール製レールの温度は圧延した温度と同じか少々低い温度、例えば７５０〜８５０℃である。前記のステップ（２）の第一熱処理において、レール頭頂部やレール基底部の冷却は、その速度が１〜５℃／秒、時間が９０〜１３０秒で、冷却後の温度が４５０〜６００℃であるのが好ましい。前記のステップ（３）の第二熱処理において、レール頭頂部の冷却は速度が１〜５℃／秒、時間が９０〜１３０秒で、冷却後の温度が４５０〜６００℃であるのが好ましい。前記第二熱処理において、レール頭頂部の加熱に中間周波数誘導加熱器を使用するのが好ましい。

前記のステップ（３）の第二熱処理の後、スチール製レールを常温に冷却し、次いで仕上げ作業を行う。
本発明のスチール製レールの熱処理方法において、圧延の余熱を利用して第一熱処理がなされたスチール製レールを直ち再加熱する第二熱処理を行うので、二度の急速冷却中にスチール製レールに二度の相転移が起り、スチール製レールにより微細な金属組織構造が生じる。これにより、スチール製レールの耐摩耗性、耐接触疲労性および耐用年数が改善され、既存のオンライン熱処理技術やオフライン熱処理技術によって製造した熱処理スチール製レールのものより高いものが得られる。
そのスチール製レールに対して第二熱処理を行うときにはレールウェブとレール頭頂部の中間部が既に高温状態になっているので、再加熱のエネルギー消費がオフライン熱処理技術の７０％まで削減することができる。これによりスチール製レールの製造コストを低減することができる。

実施例１
スチール製レールの化学成分
Ｃ：０．７１〜０．８０%、Ｓｉ：０．５０〜０．８０％、Ｍｎ：０．７５〜１．０５％、Ｐ≦０．０３０％、Ｓ≦０．０３０％、Ｖ：０．０４〜０．１２％、残部：鉄と微量の不純物。
このスチール製レールの熱処理工程は、圧延した高温スチール製レールを８１０〜７９０℃の温度に冷却した時に、スチール製レールの高温矯正、第一熱処理（すなわち、ジェット空冷方式により約５５０℃の温度、約３℃／秒の速度で、該スチール製レールのレール頭頂部とレール基底部を強制的に冷却する）、第二熱処理（すなわち、該レール頭頂部を８７０℃の温度に加熱し、次いで、ジェット空冷方式により該レール基底部の温度（約４５０℃）に近い温度に、約３℃／秒の速度で、該スチール製レールのレール頭頂部を強制的に冷却する）を順次行い、次いで、該スチール製レールを常温まで冷却した後に、引続き、該スチール製レールの仕上げ作業を行うものである。二回の熱処理を行った後のスチール製レールの機械的性質は、降伏強度Ｒｐ０．２≧９００ＭＰａ、引張強度Ｒｍ≧１３００ＭＰａ、および伸びＡ≧１２％である。

実施例２
スチール製レールの化学成分
Ｃ：０．６５〜０．７７%、Ｓｉ：０．１５〜０．３５％、Ｍｎ：１．１０〜１．５０％、Ｐ≦０．０３５％、Ｓ≦０．０３５％、残部：鉄と微量の不純物。
このスチール製レールの熱処理工程は、圧延した高温スチール製レールを８１０〜７９０℃の温度に冷却した時に、スチール製レールの高温矯正、第一熱処理（すなわち、ジェット空冷方式により約５５０℃の温度、約３℃／秒の速度で、該スチール製レールのレール頭頂部とレール基底部を強制的に冷却する）、第二熱処理を（すなわち、該レール頭頂部を８７０℃の温度に加熱し、次いで、ジェット空冷方式により該レール基底部の温度（約４５０℃）に近い温度に、約３℃／秒の速度で、該スチール製レールのレール頭頂部を強制的に冷却する）を順次行い、次いで、該スチール製レールを常温まで冷却した後に、引続き、該スチール製レールの仕上げ作業を行うものである。このスチール製レールの機械的性質は、Ｒｐ０．２≧８００ＭＰａ、Ｒｍ≧１２００ＭＰａ、およびＡ≧１０％である。

実施例３
以下、図面を参照して本発明のスチール製レールの熱処理装置の実施態様について説明する。
図１および図２に示すように、本発明の熱処理装置はスチール製レールの圧延製造ラインの後に設置されるものであり、スチール製レールの熱処理の順序によって順次設置され、前架台部１０、熱矯正部２０、第一空冷部３０、加熱部５０および第二空冷部６０で構成される。さらに、必要に応じて、第二空冷部６０の後に収集架台７０を設置することができる。以下、収集架台７０が設置されている該熱処理装置について説明するが、該収集架台７０は本発明の必須要件ではない。製造現場のそれぞれの状況により、前架台部１０、熱矯正部２０、第一空冷部３０、加熱部５０、第二空冷部６０と収集架台７０を異なる方式で配置することができる。
図１に示すように、前架台部１０、熱矯正部２０、第一空冷部３０、加熱部５０、第二空冷部６０と収集架台７０は基本的にスチール製レールの圧延製造ラインの方向に沿って順次直線的に配置することができる。このような配置は製造現場の縦方向長さが十分である場合に適する。
一方、図２に示すように、前架台部１０、熱矯正部２０と第一空冷部３０は基本的にスチール製レールの圧延製造ラインの方向に沿って順次直線的に配置し、加熱部５０、第二空冷部６０と収集架台７０は該スチール製レールの圧延製造ラインと逆方向に順次直線的配置することができる。このような場合には、第一空冷部３０の出口と加熱部５０の入口との間に横向き移動部４０を設置することができ、それによりスチール製レール１を第一空冷部３０から加熱部５０へ便利、かつ迅速に移送することができる。このような配置は製造現場の縦方向長さが不十分な場合に適していて、合理的、効果的に製造現場の広さを利用することができる。

次に、図面を参照して本発明のスチール製レールの熱処理装置の各部分の実施態様を説明する。

図３は前架台部１０の断面略図である。図３に示すように、前架台部１０は、主にレール逆転マシン１１、レール引き上げ機１３およびフロントローラートラック１２を備える。レール逆転マシン１１はスチール製レール１をレール頭頂部が上向きの状態に転回し、ついで、レール引き上げ機１３によってスチール製レール１をフロントローラートラック１２上に引き上げ、次に、フロントローラートラック１２によってスチール製レール１を高温矯正部２０に移送する。レール逆転マシン１１、レール引き上げ機１３およびフロントローラートラック１２は、当業者に既に知られているので、それらの具体的な説明は省略する。

図４は熱矯正部２０の平面略図である。図４に示すように、熱矯正部２０は、主にスチール製レール１の移送方向に沿って間隔を開けて設置する少なくとも３組の能動矯正ローラー２１および受動矯正ローラー２２で構成される。前架台部１０から移送したスチール製レール１が能動矯正ローラー２１と受動矯正ローラー２２により、高温矯正されると、真直で水平な状態に保持することができる。能動矯正ローラー２１と受動矯正ローラー２２は当業者に既に知られているので、それらの具体的な説明は省略する。

図５は第一空冷部３０の断面略図である。図５に示すように、第一空冷部３０は、主に上部ガイド機構３４、下部ガイド機構３５、第一ジェットクーラー３１、第二ジェットクーラー３２と第三ジェットクーラー３３を備える。該スチール製レールが第一空冷部３０を通過すると、上部ガイド機構３４と下部ガイド機構３５とで該スチール製レール１が真直で水平の状態に保持される。第一ジェットクーラー３１はレール頭頂部の上方に位置し、ジェット空気をレール頭頂部の頂面に向けて冷却する。第二ジェットクーラー３２はスチール製レール頭頂部の両側に位置し、ジェット空気をレール頭頂部の両側面に向けて冷却する。第三ジェットクーラー３３は、レール基底部の下方に位置し、ジェット空気をレール基底部に向けて冷却する。第一ジェットクーラー３１、第二ジェットクーラー３２および第三ジェットクーラー３３により、レール頭頂部とレール基底部が強制的に冷却をされる。
第二空冷部６０は第一空冷部３０の構造と同じであり、具体的な図面と説明を省略する。また、該ガイド機構と該ジェットクーラーは、当業者にとって既に知られているので、具体的な説明を省略する。

図６は横向き移動部４０の断面略図である。図６に示すように、横向き移動部４０は、主として急速レール引き上げ移動機４１で構成されていて、スチール製レール１を迅速に並行移送するために使用されている。急速レール引き上げ移動機４１は当業者に既に知られているので、それ以上の説明を省略する。
図７は加熱部５０の断面略図である。図７に示すように、加熱部５０は、主としてヒーター５１、上部ガイド機構５２および下部ガイド機構５３で構成される。ヒーター５１は中間周波誘導加熱器５１を採用するのが好ましく、レール頭頂部の加熱に用いられる。スチール製レール１が加熱部５０を通る時に該レール１を必要に応じた真直で水平の状態に保持するために、上部ガイド機構５２と下部ガイド機構５３が設けられている。
収集架台７０は、熱処理したスチール製レールを接収するためのもので、該レール１を収集架台７０上で常温に冷却し、引続き、矯正、レール端の加工、検査などの仕上げ作業を行う。最後に耐用年数の長い熱処理したスチール製レールを鉄道としての使用に提供する。

実施例４
次に、本発明のスチール製レールの熱処理装置の応用に関して説明する。
図１、２、および３に示すように、スチール製レールの熱処理を行う間、高温のスチール製レールは圧延製造ラインの延長ローラートラック２を通って、熱処理装置の前架台部１０に移送される。スチール製レール１が前架台部１０に到達すると、レール逆転マシン１１により、レール頭頂部が上向くように転回する。次いで、レール引き上げ機１３により、このスチール製レール１はフロントローラートラック１２上に引き上げられる。
スチール製レール１が８１０〜７９０℃の温度に冷える時、このレールは図４で示す矢印の方向に、フロントローラートラック１２を経由して高温矯正部２０に移送される。この際、能動矯正ローラー２１と受動矯正ローラー２２によりスチール製レール１は高温矯正されて真直ぐで水平な状態になる。

図５に示すように、高温矯正されたスチール製レール１は第一空冷部３０に移送される。上部ガイド機構３４と下部ガイド機構３５に制御されて、スチール製レール１は真直ぐで水平に保たれたまま、第一空冷部３０を通過する。一方、第一、第二および第三ジェット空冷クーラー３１、３２および３３の制御下に、該レール頭頂部と該レール基底部を１〜５℃／秒の速度で強制冷却し第一高温処理を行う。該レール１は約５００〜６００℃まで冷却するのが好ましい。

図６に示すように、スチール製レール１が第一空冷部３０を出た後、第一横向き移動部４０に到達する時、スチール製レール１のレール頭頂部とレール基底部において最初の相転移が起こる。横向き移動架台４０の急速レール引き上げ移動機４１が該スチール製レール１を下流側加熱部５０に迅速に移送する。

図７に示すように、スチール製レール１が該加熱部５０に送り込まれた後に、上部ガイド機構５２と下部ガイド機構５３との制御下に、真直ぐで水平な状態に保持される。一方では、中間周波誘導加熱器５１により該スチール製レール１のレール頭頂部を約８７０℃の温度まで上げる。

図５に示すように、該スチール製レール１が該加熱部５０を出て第二空冷部６０に入った後、上部ガイド機構３４と下部ガイド機構３５との制御下に、該レール１は真直で水平の状態を保持されたまま第二空冷部６０を通過する。一方、ジェット空冷クーラー３１および３２の制御下に、該スチール製レールのレール頭頂部は１〜５℃／秒の速度で強制的に冷却される。該スチールレールは約４５０〜６００℃の温度に冷却されるのが好ましい。この時、該スチール製レール１の下方にあるジェット空冷クーラー３３は該スチール製レール１のレール基底部に向くようにジェット空気を吹きつける。これにより、該スチール製レールが第二空冷クーラー６０を出る時に、該レール頭頂部の温度が該レール基底部の温度に近くなる。そして、該スチールレール１は収集架台７０へ真直ぐに入ることができる。
スチール製レール１はこの収集架台７０で常温に冷却された後に、矯正、レール端の加工、検査などの仕上げ作業を行って、耐用年数の長い熱処理されたスチール製レールを線路への使用に提供することができる。

本発明を特定の態様で説明したが、これらの詳細な記述は発明を制限するものではない。本発明の精神や範囲から離れない限り、本発明をいろいろ具現化したり、変更したり、修飾できることはが明らかに可能である。そして、かかる同等の態様も本発明の範囲に入るものである。

本発明による熱処理されたスチール製レールは耐用年数が長く、矯正、レール端の加工、検査などの仕上げ作業を行った後、線路への使用に提供することができる。

本発明の一つのスチール製レールの熱処理装置の配置を示す平面略図である。 本発明のもう一つのスチール製レールの熱処理装置の配置を示す平面略図である。 本発明のスチール製レールの熱処理装置の前架台部の断面略図である。 本発明のスチール製レールの熱処理装置の高温矯正部を示す平面略図である。 本発明のスチール製レールの熱処理装置の第一空冷装置（第二空冷部）の断面略図である。 本発明のスチール製レールの熱処理装置の移動架台部の断面略図である。 本発明のスチール製レールの熱処理装置の加熱部の断面略図である。

符号の説明

１：スチール製レール
２：圧延製造ラインの延長テーブル
１０：前架台部
１１：レール逆転マシン
１２：フロントローラートラック
１３：レール引き上げ機
２０：高温矯正部
２１：能動矯正ローラー
２２：受動矯正ローラー
３０：第一空冷部
３１：第一ジェット空冷クーラー
３２：第二ジェット空冷クーラー
３３：第三ジェット空冷クーラー
３４：上部ガイド機構
３５：下部ガイド機構
４０：横向き移動部
４１：急速スチール引き上げ移動機
５０：加熱部
５１：中間周波数誘導加熱器
５２：上部ガイド機構
５３：下部ガイド機構
６０：第二空冷部
７０：収集架台

Claims (6)

1. 下記のステップ（１）、（２）および（３）で構成されるスチール製レールの熱処理方法であって、
   （１）圧延後の高温のスチール製レールを連続移送しながら高温矯正を行うステップ、
   （２）該高温矯正した圧延後の高温のスチール製レールに対して、ジェット空冷方式によりレール頭頂部およびレール基底部を強制的に冷却する第一熱処理を行うステップ、および
   （３）該第一熱処理したスチール製レールに対して、該レール頭頂部を８５０〜９５０℃に加熱し、次いで、ジェット空冷方式により、該レール頭頂部を該レール基底部に近い温度まで強制的に冷却する第二熱処理を行うステップ、
   前記ステップ（２）の第一熱処理において、該レール頭頂部および該レール基底部を速度１〜５℃／秒、時間９０〜１３０秒で５００〜６００℃の温度に冷却し、
   前記ステップ（３）の第二熱処理において、該レール頭頂部を速度１〜５℃／秒、時間９０〜１３０秒で４５０〜６００℃の温度に冷却し、及び
   前記ステップ（３）の第二熱処理において、該レール頭頂部の加熱に中間周波数誘導加熱器を使用する、スチール製レールの熱処理方法。
2. 前記ステップ（３）の第二熱処理後、引き続き、該スチールレールを常温まで冷却した後に仕上げ作業を行う請求項１に記載のスチール製レールの熱処理方法。
3. スチール製レールの圧延製造ラインの後に設置される該レールの熱処理装置であって、前架台部（１０）、高温矯正部（２０）、第一空冷部（３０）、加熱部（５０）および第二空冷部（６０）で構成され、かつ該スチール製レールの熱処理の順に配置されているスチール製レールの熱処理装置であって、
   該前架台部（１０）が、該スチール製レール（１）を転回させて該レール頭頂部を上向きの状態にするためのレール逆転マシン（１１）、該スチール製レール（１）をフロントローラートラック（１２）上に引き上げるためのレール引き上げ機（１３）および該スチール製レール（１）を高温矯正部（２０）に移送するためのフロントローラートラック（１２）で構成され、
   該高温矯正部（２０）は、該スチール製レールの移送方向に沿って間隔を置いて配置されている１組の能動矯正ローラー（２１）および少なくとも２組の受動矯正ローラー（２２）で構成され、
   該第一空冷部（３０）および該第二空冷部（６０）はそれぞれ、該レールの可動範囲を拘束するための上部ガイド機構（３４）および下部ガイド機構（３５）、ジェット空気を該スチール製レール（１）のレール頭頂部に向けて該レール頭頂部の上面を冷却する第一ジェット空冷クーラー（３１）、該レール頭頂部の両側に設置されて、ジェット空気を該レール頭頂部の両側面に向けて冷却する第二ジェット空冷クーラー（３２）、および該スチール製レールのレール基底部の下側に設置されて、ジェット空気を該レール基底部に向けて冷却する第三ジェット空冷クーラー（３３）で構成され、
   該加熱部（５０）は、該スチール製レール（１）の可動範囲を拘束するための上部ガイド機構（５２）および下部ガイド機構（５３）ならびに該スチール製レールのレール頭頂部を加熱するためのヒーター（５１）で構成され、該ヒーター（５１）が中間周波数誘導加熱器（５１）である、スチール製レールの熱処理装置。
4. 該前架台部（１０）、該高温矯正部（２０）、該第一空冷部（３０）、該加熱部（５０）および該第二空冷部（６０）が該スチール製レールの圧延製造ラインの方向に沿って順次直線的に配置される請求項３に記載のスチール製レールの熱処理装置。
5. 該前架台部（１０）、該高温矯正部（２０）および該第一空冷部（３０）が該スチール製レールの圧延製造ラインの方向に沿って順次直線的に配置され、該加熱部（５０）および該第二空冷部（６０）が該スチール製レールの圧延製造ラインの方向とは逆の方向に沿って順次直線的に配置され、かつ横向き移動部（４０）が該第一空冷部（３０）の出口と該加熱部（５０）の入口との間に設置されている請求項３に記載のスチール製レールの熱処理装置。
6. 収集架台（７０）が該第二空冷部（６０）の後に設置されている請求項３に記載のスチール製レールの熱処理装置。

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