JP5429435B1 - レールの拘束方法およびレールの拘束装置 - Google Patents

Abstract

熱間圧延されたレール（１０）の頭部（１１）および足部（１３）の強制冷却の際、レール（１０）の両端面からレール（１０）の長手方向に沿って２ｍ以内の所定位置を第１の拘束位置とし、レール（１０）の長手方向に沿って第１の拘束位置からレール（１０）の中央方向に３ｍ〜１０ｍの所定位置を第２の拘束位置として、第１の拘束位置および第２の拘束位置において所定条件を満足する拘束力Ｆ（ｋＮ）でレール（１０）の上下方向への変位を拘束する。

Description

本発明は、熱間圧延されたレールの頭部および足部の冷却処理に際し、レールを正立姿勢で拘束するレールの拘束方法およびレールの拘束装置に関するものである。

熱間圧延後のオーステナイト域温度以上の高温のレールは、レール頭部に求められる硬度（硬さ）等の所望の品質を確保するための熱処理として強制冷却、すなわち、冷媒をレールに噴射しながら冷却されることがある。この熱処理のための強制冷却（以下、熱処理冷却とも言う）は、通常、レール頭部の組織がオーステナイトからパーライトやベイナイトに完全に変態するまで行われ、冷却停止温度は４００℃〜５００℃程度である。

ところで、上記したレールの熱処理冷却は、通常、レールを正立させた状態で頭部側と足部側の両方から行われるが、冷却過程で頭部と足部との間に温度差が生じ、この温度差に起因してレールに上下方向に反ろうとする熱応力が発生する。このため、レールの熱処理冷却は、熱処理冷却後のレールの上下方向への曲がり（反り）が公差内に入るよう、拘束装置によってレールの上下方向への変位を拘束した状態で行われる。例えば、特許文献１には、軌条足部の両足部を開閉可能な爪で狭持して拘束する軌条足部支持・拘束装置が開示されている。

特開平５−３３０５７号公報

しかしながら、熱処理冷却中に発生するレールの上下方向への変位を適切に拘束するためには、レールのどの位置をどの程度の拘束力で拘束するのかが重要となる。すなわち、拘束する位置が適切でなかったり、その拘束力が足りないと、レールに発生する反りが十分に抑制できず、拘束装置からレールが外れる事態も生じ得る。ここで、冷却装置は、レールの上方近傍および下方近傍にレールの長手方向に沿って設置される。このため、レールに大きく反りが発生してしまうと、反りの発生部位と発生していない部位とで冷却速度が変動してしまい、レールが均一に冷却できない場合があった。また、場合によっては、冷却装置にレールが接触してしまい、故障の原因となる。一方で、拘束位置を増やしたり、拘束力を増大させることとすると、その分コストの増大を招く。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱間圧延された高温のレールの頭部および足部を強制冷却する際、レールの上下方向への変位を適切に拘束することができるレールの拘束方法およびレールの拘束装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるレールの拘束方法は、熱間圧延されたレールの頭部および足部の強制冷却に際し、前記レールを正立姿勢で拘束する前記レールの拘束方法であって、前記強制冷却の際、前記レールの両端面から前記レールの長手方向に沿って２ｍ以内の所定位置を第１の拘束位置とし、前記レールの長手方向に沿って前記第１の拘束位置から前記レールの中央方向に３ｍ〜１０ｍの所定位置を第２の拘束位置として、前記第１の拘束位置および前記第２の拘束位置において下記式（１）を満足する拘束力Ｆ（ｋＮ）で前記レールの上下方向への変位を拘束することを特徴とする。

また、本発明にかかるレールの拘束装置は、熱間圧延されたレールの頭部および足部の熱処理に際し、前記レールを正立姿勢で拘束する前記レールの拘束装置であって、前記レールの両端面から前記レールの長手方向に沿って２ｍ以内の所定位置を第１の拘束位置とし、該第１の拘束位置において前記レールの上下方向への変位を拘束する第１の拘束装置と、前記レールの長手方向に沿って前記第１の拘束位置から前記レールの中央方向に３ｍ〜１０ｍの所定位置を第２の拘束位置とし、該第２の拘束位置において前記レールの上下方向への変位を拘束する第２の拘束装置と、を備え、前記第１の拘束装置および前記第２の拘束装置の拘束力Ｆ（ｋＮ）がそれぞれ下記式（１）を満足することを特徴とする。

本発明のレールの拘束方法およびレールの拘束装置は、熱間圧延されたレールの頭部および足部を強制冷却する際、レールの上下方向への変位を適切に拘束することができるという効果を奏する。

図１は、レールの製造ラインの要部構成を示す図である。 図２は、強制冷却装置の構成を説明する概略断面図である。 図３は、レールの一端部に設置される第１のクランプ装置および第２のクランプ装置を示す図である。 図４は、レールの反り量を説明する図である。 図５は、強制冷却（熱処理冷却）によってレール端部に生じる反りについて説明する図である。 図６は、第１の距離とレール端部に発生する最大発生反り量との関係を示す図である。 図７は、強制冷却（熱処理冷却）によってレール端部の第１，第２の拘束位置間に発生する反りについて説明する図である。 図８は、第２の距離とレール端部に発生する最大発生反り量との関係を示す図である。 図９は、第２の距離と第１の拘束位置に発生する最大発生拘束反力との関係を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明のレールの拘束方法およびレールの拘束装置を実施するための形態について説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

（実施の形態）
図１は、本実施の形態のレールの拘束方法およびレールの拘束装置を適用するレールの製造ライン１の要部構成を示す図である。図１に示すように、レールの製造ライン１は、仕上圧延機２、ホットソー（熱間鋸断機）３、強制冷却装置４（以下、熱処理装置４とも言う）、冷却床５等を含み、レール（鉄道用レール）の製造を行う。このレールの製造ライン１において、仕上圧延機２には、前段での処理を終えたレールが搬送され、レールは、この仕上圧延機２で製品断面形状に圧延される。そして、レールは、ホットソー３により先後端のクロップが切り落とされ、所定の長さに切断された後、熱処理装置４に搬送される。熱処理装置４は、熱間圧延後のレールに対して所望の品質に応じた熱処理（強制冷却：以下単に冷却ともいう）を行うものである。レールは、この熱処理装置４によって熱処理冷却された後、冷却床５に搬送されて常温程度に冷却される。

図２は、熱処理装置４の構成を説明する概略断面図である。この熱処理装置４には、適所に敷設された搬送ローラ４９（図３を参照）によって熱間圧延後のレール１０が正立姿勢で処理位置まで搬送され、熱処理装置４は、レール１０の頭部１１と足部１３とをそれぞれ冷却する。図２に示すように、熱処理装置４は、レール１０の頭部１１を冷却するためのものとして、頭頂冷却ヘッダー４１および頭側冷却ヘッダー４３を備え、レール１０の足部１３を冷却するものとして足部冷却ヘッダー４５を備える。また、熱処理装置４は、処理位置に搬送されたレール１０の足部１３の両側方において、互いに対向する位置に一対のクランプ装置４７を備える。

頭頂冷却ヘッダー４１、頭側冷却ヘッダー４３および足部冷却ヘッダー４５は、それぞれ配管を介して冷却媒体源と接続され、不図示の複数のノズルから空気等の冷却媒体を噴射する。具体的には、頭頂冷却ヘッダー４１は、処理位置のレール１０の頭部１１上方にレール１０の長手方向に沿って配置され、図２中に矢印Ａ１１で示すように、頭部１１の頭頂面に向けて冷却媒体を噴射して頭部１１を冷却する。頭側冷却ヘッダー４３は、処理位置のレール１０の頭部１１両側方にレール１０の長手方向に沿って配置され、図２中に矢印Ａ１３で示すように、頭部１１の両側面に向けて冷却媒体を噴射して頭部１１を冷却する。また、足部冷却ヘッダー４５は、処理位置のレール１０の足部１３下方にレール１０の長手方向に沿って配置され、図２中に矢印Ａ１５で示すように、足部１３の底面に向けて冷却媒体を噴射して足部１３を冷却する。

一対のクランプ装置４７は、処理位置のレール１０の足部１３を両側で狭持し、熱処理冷却中のレール１０が上下方向へ移動しないようにその変位を拘束するものである。各クランプ装置４７は、それぞれレール１０の足部１３を支持する支持台４７１と、図２中に矢印Ａ１７で示すように、支持台４７１の上方から足部１３を押える押さえ部材４７３とを備え、押さえ部材４７３の押圧力を調整することによって所定のクランプ力（拘束力）で足部１３を狭持する。

この一対のクランプ装置４７は、処理位置のレール１０の両端部において、レール１０の長手方向に所定の間隔を隔ててそれぞれ２組ずつ設置される。図３は、レール１０の一端部に設置される第１の拘束装置および第２の拘束装置としての２組のクランプ装置４７−１，４７−２を示す図であり、レール１０の側面側から２組のクランプ装置４７−１，４７−２の位置関係を示している。以下、これら２組のクランプ装置４７−１，４７−２を、端面に近い方から第１のクランプ装置４７−１、第２のクランプ装置４７−２と呼ぶ。なお、レール１０の他端部については図示しないが、他端面からの距離が以下説明する一端部と同様の距離の各位置（後述する第１の拘束位置および第２の拘束位置）に２組の第１のクランプ装置４７−１および第２のクランプ装置４７−２が設置される。

図３に示すように、第１のクランプ装置４７−１は、足部１３の拘束位置（以下、「第１の拘束位置」と呼ぶ。）が、レール１０の長手方向に沿ってレール１０の一端面から所定長Ｌ１離れた位置となるように設置される。また、第２のクランプ装置４７−２は、足部１３の拘束位置（以下、「第２の拘束位置」と呼ぶ。）が、レール１０の長手方向に沿って第１の拘束位置からレール１０の中央方向に（内側に）所定長Ｌ２離れた位置となるように設置される。

なお、図３では図示していないが、第１のクランプ装置４７−１と第２のクランプ装置４７−２との間にも搬送ローラを設置してもよい。また、必要に応じて第２のクランプ装置４７−２よりもレールの長手方向中央側に第３以降のクランプ装置を設置してもよい。レール１０の長手中央側ほどレールの自重による上方向への変位を拘束する力が大きくなるため、第３以降のクランプ装置については、上下方向の拘束に対しては大きな効果を発揮しない場合もあるが、レールの左右方向の曲がりが大きい場合にこれを矯正して拘束する効果が期待できる。

ここで、レール１０の強制冷却工程では、熱処理冷却中にレール１０の上下方向への曲がり（反り）が発生する場合があり、特に、レール１０の両端部において反りが発生し易く問題となる。レール１０の中央部については、自重により、搬送ローラ４９上で水平に支持された状態から変形し難い。図４は、レール１０の最終製品の反り量δを説明する図である。本実施の形態では、図４中に一点鎖線で示すレール１０の両端の頭頂面を結ぶ直線からのレール１０の頭頂面の最大上昇量または最大下降量、あるいは、レール１０の両端の底面を結ぶ直線（図示省略）からレール１０の底面の最大上昇量または最大下降量をレール１０の反り量δと定義し、上昇量を負の値、下降量を正の値で表す。

先ず、レール１０の端面から第１の拘束位置までの距離（以下、「第１の距離」と呼ぶ。）Ｌ１について説明する。図５は、熱処理冷却によってレール１０の一端部に生じる反りについて説明する図である。上記したように、頭頂冷却ヘッダー４１は、レール１０の頭部１１上方に設置される。このため、図５に示すような反りが発生すると、レール１０の端部では、その頭部１１と頭頂冷却ヘッダー４１との距離がレール１０の中央部と比べて近くなる。この結果、レール１０の頭部１１の端部と中央部とで冷却速度が異なり、均一に冷却できない事態が生じ得る。

さらに、頭頂冷却ヘッダー４１は、レール１０の頭部１１上方において頭頂面の比較的近傍（一般的には、例えば、頭頂面から２０ｍｍ程度離れた位置：以下、頭頂面から頭頂冷却ヘッダー４１までの距離を「頭頂ヘッダー間距離」と呼ぶ。）に設置される。このため、レール１０の端部に発生する反り量δが大きいと、レール１０の端部が頭頂冷却ヘッダー４１に接触してしまい、装置を破損する等の事態が生じ得る。

そこで、第１の距離Ｌ１を変えて熱処理冷却を行い、第１の距離Ｌ１と、レール１０の端部に発生する最大発生反り量δ１との関係を取得し、反り量δ１が頭頂ヘッダー間距離よりも小さくなる第１の距離Ｌ１について検討した。加えて、反りの発生部位（すなわち端部）と反りの発生していない部位とで熱処理冷却後のレール１０の強度を比較し、その強度差が許容範囲となる第１の距離Ｌ１についても検討した。図６は、横軸を第１の距離Ｌ１（ｍ）とし、縦軸を最大発生反り量δ１（ｍｍ）として、取得した各値をプロットした図である。図６に示すように、レール１０の端部に発生する最大発生反り量δ１は、第１の距離Ｌ１が長くなるほど大きくなっている。本実施の形態では、得られた第１の距離Ｌ１と最大発生反り量δ１との関係と頭頂ヘッダー間距離とをもとに、第１の距離Ｌ１毎の強度差を加味することで、第１の距離Ｌ１としては２ｍ以内が適切な値であるとして決定した。

このようにして第１の距離Ｌ１を定めることで、前述のようなレール１０の両端部に発生する反りに起因して生じる問題を解決できる。すなわち、レール１０の両端部に発生する反りを十分に抑制できるので、レール１０の端部と中央部とで生じる冷却速度の差を許容範囲内に収めて熱処理冷却の不均一性（冷却ムラ）を抑制し、かつ、レール１０の端部が頭頂冷却ヘッダー４１に接触して頭頂冷却ヘッダー４１を破損する事態を防止することができる。

次に、第１の拘束位置から第２の拘束位置までの距離（以下、「第２の距離」と呼ぶ。）Ｌ２について説明する。図７は、熱処理冷却によってレールの一端部の第１，第２の拘束位置間に発生する反りについて説明する図である。熱処理冷却中には、頭部と足部の温度状態によってレールが下方向に反ろうとする期間がある。このとき、上記したように，第１のクランプ装置４７−１および第２のクランプ装置４７−２はレールの上下方向の変形を拘束するので、クランプされている箇所では上下方向の変位はほぼ０になる。しかしながら、第１のクランプ装置４７−１と第２のクランプ装置４７−２との間では、図７に示すようにレール１０の上方への浮き上がりが生じる。ここではこの浮き上がり量の最大値をδ２（以下最大発生反り量δ２ともいう）と定義している。

先ず、第２の距離Ｌ２を変えて熱処理冷却を行い、第２の距離Ｌ２と、レール１０の第１，第２の拘束位置間に発生する最大発生反り量δ２との関係を取得した。加えて、反りの発生部位（すなわち、第１，第２の拘束位置間）と反りの発生していない部位とで熱処理冷却後のレール１０の頭部１１の頭頂部の表面の硬度を比較し、その硬度差が許容範囲となる第２の距離についても検討した。図８は、横軸を第２の距離Ｌ２（ｍ）とし、縦軸を最大発生反り量δ２（ｍｍ）として、取得した各値をプロットした図である。図８に示すように、第１の距離Ｌ１と同様、第１，第２の拘束位置間に発生する最大発生反り量δ２は、第２の距離Ｌ２が長いほど大きくなる。

しかしながら、第２の距離Ｌ２を単に短くしてしまうと、別の問題が生じる。図９は、横軸を第２の距離Ｌ２（ｍ）とし、縦軸を第１の拘束位置での最大発生拘束反力（ｋＮ）として各値をプロットした図である。図９に示す第２の距離Ｌ２と最大発生拘束反力との関係は、第１のクランプ装置４７−１に荷重検出器を取り付け、第２の距離Ｌ２を変えて熱処理冷却を行って、熱処理冷却中の第１の拘束位置での拘束反力を実測することで取得した。図９に示すように、第２の距離Ｌ２が短いほど、非常に大きな拘束反力が必要となる。なお、第２の拘束位置での拘束反力については図示しないが、第１の拘束位置での拘束反力と同様に第２の距離Ｌ２が短いほど大きな拘束反力が必要となる。

すなわち、第２の距離Ｌ２が短く第１，第２の拘束位置間が近いと、レール１０の反りを拘束するために必要な第１のクランプ装置４７−１および第２のクランプ装置４７−２のクランプ力が増大する。具体的には、図７に示して説明したようにレール１０の端部が下方に戻ろうとして起こるレール１０の下方への変位を拘束し、第１，第２の拘束位置間で起こるレール１０の上方への変位（浮き上がり）を拘束するために必要な第１のクランプ装置４７−１および第２のクランプ装置４７−２のクランプ力が増大する。このため、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力が足りないと、熱処理冷却中にレール１０が第１のクランプ装置４７−１や第２のクランプ装置４７−２から外れてしまうという問題が生じ得る。

一方で、第２の距離Ｌ２を長くしすぎると、図８に示したように、第１，第２の拘束位置間で発生する反りが大きくなる。反りが大きくなれば、第１の距離Ｌ１と同様、頭部１１の冷却ムラや頭頂冷却ヘッダー４１の破損を引き起こす場合が生じる。また、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力を大きく設定したり、あるいは設置するクランプ装置の数を増やすことは、その分コストの増大を招く。

そこで、本実施の形態では、得られた第１の距離Ｌ１と最大発生反り量δ１との関係および第２の距離Ｌ２と最大発生拘束反力との関係をもとに、第２の距離Ｌ２毎の得られたレールの頭部表面の硬度差を加味することで、クランプ力の増大を押さえつつレール１０の上下方向への変位を適切に拘束することが可能な第２の距離Ｌ２および第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力を検討した。そして、第２の距離Ｌ２としては３ｍ〜１０ｍが適切な値であるとして決定した。また、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力としては、図９に示した第１，第２の拘束位置間の距離Ｌ２と最大発生拘束力の関係から、最低でも１００／Ｌ２（ｋＮ）が必要であるとして決定した。つまり、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力（拘束力Ｆ（ｋＮ））は下記式（１）を満足する必要がある。

このようにして第２の距離Ｌ２を定め、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力を定めることで、コストの大幅な増大を抑えつつレール１０の上下方向への変位を適切に拘束することができ、レール１０の両端部に発生する反りを十分に抑制することができる。したがって、熱処理冷却時の頭部１１の冷却ムラや頭頂冷却ヘッダー４１の破損を防止することができる。

（実施例）
以上説明した第１の距離Ｌ１、第２の距離Ｌ２およびクランプ力のクランプ条件に合致する適合例と、合致しない比較例１〜３について、長さ１００ｍのレール材（１３６ポンド／ヤード）を用いて検証した。ここで、レール材の強制冷却条件は、冷却開始時の頭部１１の表面温度は７２０℃、冷却終了時の頭部１１の表面温度は４２０℃とした。

適合例では、第１の距離Ｌ１＝１ｍ、第２の距離Ｌ２＝５ｍとして第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２を設置するとともに、これらのクランプ力をそれぞれ２０ｋＮとしてレールの足部を拘束し、レールの熱処理冷却を行った。また、熱処理冷却後のレール両端部の反り量δ（図４参照）を測定した。この適合例では、熱処理冷却中にレールが大きく変形することがなく、レールの上下方向の変位を適切に拘束できた。結果、レール頭部の冷却ムラを抑制でき、熱処理冷却後のレール両端部の反り量δは１０ｍｍ以内と良好であった。

比較例１は、第１の距離Ｌ１がクランプ条件に合致しない場合であり、第１の距離Ｌ１＝３ｍ、第２の距離Ｌ２＝５ｍ、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力をそれぞれ２０ｋＮとしてレールの熱処理冷却を行い、熱処理冷却後のレールの反り量δ（図４参照）を測定した。この比較例１では、レール両端部に大きな上反りが発生した。結果、レール両端部で頭部が冷却過多となり、熱処理冷却後のレール両端部の頭頂部分に過冷却が発生し、この両端部の頭部１１の表面の硬度が他の部分の頭部１１の表面硬度に比べて異常に大きくなった。また、熱処理冷却中に、レール両端部が頭頂冷却ヘッダー４１に接触した。

比較例２は、第２の距離Ｌ２がクランプ条件に合致しない場合であり、第１の距離Ｌ１＝１ｍ、第２の距離Ｌ２＝１２ｍ、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力をそれぞれ２０ｋＮとしてレールの熱処理冷却を行い、熱処理冷却後のレールの反り量δ（図４参照）を測定した。この比較例２では、熱処理冷却中、レール両端部の第１，第２の拘束位置間で大きな反り（浮き上がり）が発生した。結果、レール両端部の第１，第２の拘束位置間で頭部が冷却過多となり、熱処理冷却後のレール両端部の頭頂部分に過冷却が発生し、この両端部の頭部１１の表面の硬度が他の部分の頭部１１の表面硬度に比べて異常に大きくなった。

比較例３は、クランプ力がクランプ条件に合致しない場合であり、第１の距離Ｌ１＝１ｍ、第２の距離Ｌ２＝５ｍ、第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２のクランプ力をそれぞれ５ｋＮとしてレールの熱処理冷却を行い、熱処理冷却後のレールの反り量δ（図４参照）を測定した。この比較例３では、熱処理冷却中、レール両端部の反りを拘束できずにレールが第１，第２のクランプ装置４７−１，４７−２から外れてしまい、レール両端部に大きな上反りが発生した。結果、レール両端部で頭部が冷却過多となり、熱処理冷却後のレール両端部の頭頂部分に過冷却が発生し、この両端部の頭部１１の表面の硬度が他の部分の頭部１１の表面硬度に比べて異常に大きくなった。また、熱処理冷却中に、レール両端部が頭頂冷却ヘッダー４１に接触した。

以上説明したように、本実施の形態によれば、熱間圧延されたレールの頭部および足部を強制冷却する際、適切な拘束位置において適切なクランプ力でレールの上下方向への変位を拘束することができる。

４ 強制冷却装置（熱処理装置）
４１ 頭頂冷却ヘッダー
４３ 頭側冷却ヘッダー
４５ 足部冷却ヘッダー
４７−１ 第１のクランプ装置
４７−２ 第２のクランプ装置
４９ 搬送ローラ
Ｌ１ 第１の距離
Ｌ２ 第２の距離
δ 反り量

Claims (2)

1. 熱間圧延されたレールの頭部および足部の強制冷却に際し、前記レールを正立姿勢で拘束する前記レールの拘束方法であって、
   前記強制冷却の際、前記レールの両端面から前記レールの長手方向に沿って２ｍ以内の所定位置を第１の拘束位置とし、前記レールの長手方向に沿って前記第１の拘束位置から前記レールの中央方向に３ｍ〜１０ｍの所定位置を第２の拘束位置として、前記第１の拘束位置および前記第２の拘束位置において下記式（１）を満足する拘束力Ｆ（ｋＮ）で前記レールの上下方向への変位を拘束することを特徴とする前記レールの拘束方法。
   

   
2. 熱間圧延されたレールの頭部および足部の熱処理に際し、前記レールを正立姿勢で拘束する前記レールの拘束装置であって、
   前記レールの両端面から前記レールの長手方向に沿って２ｍ以内の所定位置を第１の拘束位置とし、該第１の拘束位置において前記レールの上下方向への変位を拘束する第１の拘束装置と、
   前記レールの長手方向に沿って前記第１の拘束位置から前記レールの中央方向に３ｍ〜１０ｍの所定位置を第２の拘束位置とし、該第２の拘束位置において前記レールの上下方向への変位を拘束する第２の拘束装置と、
   を備え、
   前記第１の拘束装置および前記第２の拘束装置の拘束力Ｆ（ｋＮ）がそれぞれ下記式（１）を満足することを特徴とする前記レールの拘束装置。
   

   

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