JP5849984B2

JP5849984B2 - レールの製造方法

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Publication number: JP5849984B2
Application number: JP2013068756A
Authority: JP
Inventors: 賢士奥城; 啓之福田; 好和吉田; 盛康山口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: JP2014188573A

Description

本発明は、オーステナイト域温度以上の高温のレールの頭部および足部の強制冷却を行うレールの製造方法に関する。

一般に、鉄道用等のレールの製造過程では、鋼素材を加熱し、オーステナイト域温度以上で所定の形状に熱間圧延した後、あるいは、オーステナイト域温度以上に再加熱した後で、レール頭部に要求される硬度等の所望の品質を確保するための強制冷却が行われる。例えば、温度履歴をコントロールしながらレール頭部の温度が３５０［℃］〜６００［℃］程度となるまでレールに冷却媒体（空気，水，ミスト等）を噴射することによって、内部を含むレール頭部の全体を微細なパーライト組織としている。このレールの強制冷却は、クランプ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。レールの自重によって上方向へは変位し難い長手方向中央部等では、テーブル等で支持することで下方向への変位のみを規制する場合もある。

ところで、強制冷却を終えたレールは冷却床に搬送され、放冷されるが、その際クランプが外されて横倒しに転回されるため、強制冷却時に生じた内部応力が開放される。さらに冷却床での放冷時は熱収縮による応力も加わり、これらに起因してレールに上下方向の曲がりが発生する場合があった。レールの上下曲がりが大きい場合は、矯正工程やプレス工程等の追加プロセスを実施しなければならず、製造コストが上昇してしまう。このようなレールの上下曲がりを抑制するための技術として、従来から、頭部の冷却開始よりも先に足部の冷却を開始するようにしたものが知られている（特許文献１を参照）。

特開平１０−１３０７３０号公報

しかしながら、上記した特許文献１の技術では、頭部の強制冷却に先立ち足部の強制冷却を行うため、強制冷却に要する時間（強制冷却時間）が増大し、生産性が阻害される問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷却時間を増大させることなくレールの上下曲がりを確実に抑制することができるレールの製造方法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製造方法は、オーステナイト域温度以上で熱間圧延され、あるいは、オーステナイト域温度以上に加熱された高温のレールの頭部および足部の強制冷却を行うレールの製造方法であって、前記頭部の強制冷却開始時における前記頭部表面の温度を用いて前記頭部の変態終了時における前記足部裏面の目標温度を算出し、前記頭部の強制冷却開始以降に前記足部の強制冷却を開始し、前記頭部の変態終了時における前記足部裏面の温度が前記算出した目標温度となるように前記足部の強制冷却を行うことを特徴とする。

本発明によれば、冷却時間を増大させることなくレールの上下曲がりを確実に抑制することができる。

図１は、レールを強制冷却する熱処理装置の要部構成例を示す模式図である。図２は、レールの強制冷却部位を説明する図である。図３は、熱処理装置の主要な制御系の構成例を示すブロック図である。図４は、レールの上下曲がり量を説明する図である。図５は、頭部に対する冷却と足部に対する冷却との関係を説明する説明図である。図６は、レール長手方向に沿った頭部表面の温度分布の一例を示す図である。図７は、足部冷却制御処理の原理を説明する説明図である。図８は、足部冷却制御処理の処理手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明のレールの製造方法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。

図１は、本実施の形態のレール１の熱処理装置３の要部構成例を示す模式図であり、図２は、熱処理装置３によるレール１の強制冷却部位を説明する図である。また、図３は、熱処理装置３の主要な制御系の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、熱処理装置３は、製品断面形状のレール１を所望の硬度等の要求される品質に応じた所定の冷却条件で強制冷却（以下、単に「冷却」ともいう。）するためのものであり、製造ライン内に搬送装置等で形成されるレール１の搬送経路に沿って加熱炉や圧延機等とともに設置される。熱処理装置３には、圧延機においてオーステナイト域温度以上で熱間圧延され、あるいは、加熱炉でオーステナイト域温度以上に加熱された高温のレール１が処理位置まで搬入され、熱処理装置３は、前述のように処理位置まで搬入されたレール１の頭部１１および足部１３を強制冷却する。このように強制冷却を行うことによれば、頭部１１を微細なパーライト組織とし、耐摩耗性および靭性に優れた高硬度のレール１を製造できる。

なお、レールは、例えば１００［ｍ］程度の仕上圧延長のままで冷却される場合もあれば、１本辺りの長さを例えば５０［ｍ］程度や２５［ｍ］程度等の適当な長さに切断（鋸断）した上で冷却される場合もある。また、熱処理装置としては、仕上圧延長あるいは鋸断後の長さに応じて冷却ゾーンが分割されたものもある。本実施の形態の熱処理装置３は、冷却ゾーンが分割されて構成され、連接する冷却ゾーン１〜４の４つの冷却ゾーン３ａ〜３ｄにおいて、例えば図６に示して後述するように、鋸断後のレール１（４つのレール１ａ〜１ｄ）を同時に強制冷却する。

この熱処理装置３は、レール１の頭部１１を冷却するための頭頂冷却ヘッダ３１および頭側冷却ヘッダ３３と、レール１の足部１３を冷却するための足裏冷却ヘッダ３５とを備える。なお、必要に応じてレール１の腹部１５を冷却するための冷却ヘッダをさらに備えた構成としてもよい。

頭頂冷却ヘッダ３１、頭側冷却ヘッダ３３、および足裏冷却ヘッダ３５（以下、これらを包括して適宜「冷却ヘッダ３１，３３，３５」と呼ぶ。）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冷却媒体（空気，スプレー水，ミスト等）を噴射する。具体的には、頭頂冷却ヘッダ３１のノズルは、処理位置のレール１の頭部１１上方にレール１の長手方向に沿って配置され、図２に示す頭部１１の頭頂面１１１に向けて冷却媒体を噴射する（図１の矢印Ａ１１）。また、頭側冷却ヘッダ３３のノズルは、処理位置のレール１の頭部１１両側方にレール１長手方向に沿って配置され、図２に示す頭部１１の頭側面１１３，１１５に向けて冷却媒体を噴射する（図１の矢印Ａ１３）。また、足裏冷却ヘッダ３５のノズルは、処理位置のレール１の足部１３下方にレール１長手方向に沿って配置され、図２に示す足部１３の裏面（以下、「足裏部」と呼ぶ。）１３１に向けて冷却媒体を噴射する（図１の矢印Ａ１５）。

これら冷却ヘッダ３１，３３，３５の各々は、冷却媒体の吐出量や吐出圧、温度、水分量の調整が可能に構成されている。これら冷却媒体の吐出量や吐出圧、温度、水分量の調整は、頭部１１の表面（頭頂面１１１や頭側面１１３，１１５）および足裏部１３１の冷却速度を制御するためのものであり、例えば、冷却ヘッダ３１，３３，３５は、冷却媒体として空気やスプレー水を用いる構成の場合には、冷却媒体の吐出量、吐出圧、および温度のうちの少なくともいずれか１つの調整が可能に構成されていればよい。また、冷却ヘッダ３１，３３，３５は、冷却媒体としてミストを用いる構成のものであれば、吐出量、吐出圧、温度、および水分量のうちの少なくともいずれか１つの調整が可能に構成されていればよい。

また、熱処理装置３は、処理位置のレール１の足部１３の両側方において互いに対向する位置に、１対のクランプ３７を備える。このクランプ３７は、処理位置のレール１の足部１３を両側で狭持し、冷却中にレール１が上下方向に移動しないようにその変位を拘束するものであり、処理位置のレール１長手方向に沿って適所に複数組設置される。例えば、クランプ３７は、処理位置のレール１長手方向に沿って概ね５［ｍ］間隔で設置される。

また、熱処理装置３は、レール１の頭部１１上方に設けられ、頭部１１表面の温度（本実施の形態では頭頂面１１１の温度）を測定する頭部温度計３９１と、レール１の足部１３下方に設けられ、足部１３表面の温度（足裏部１３１の温度）を測定する足部温度計３９３とを備える。これら頭部温度計３９１および足部温度計３９３は、図３に示すように、制御部５と接続されており、随時測定値を制御部５に出力する。

ここで、頭部１１表面および足裏部１３１の温度は、レール１長手方向の全域で取得するのが望ましい。本実施の形態では、頭部温度計３９１および足部温度計３９３は、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄ内にそれぞれ複数含まれるようにレール１長手方向に沿って複数箇所に設置され、冷却ゾーン３ａ〜３ｄ毎にレール１（レール１ａ〜１ｄ）の全域の頭部１１表面および足裏部１３１の温度を取得できるようになっている。ただし、頭部温度計３９１および足部温度計３９３は、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄ内に少なくとも１つ設置されていればよい。なお、頭部１１上方を走査可能な１台の頭部温度計３９１を設置し、この頭部温度計３９１を走査させながらレール１（レール１ａ〜１ｄ）の長手方向に沿った頭部１１表面の温度分布を取得する構成としてもよい。同様に、足部１下方を走査可能な１台の足部温度計３９３を設置し、この足部温度計３９３を走査させながらレール１（レール１ａ〜１ｄ）の長手方向に沿った足裏部１３１の温度分布を取得する構成としてもよい。

制御部５は、主な機能部として、温度取得部５１と、足裏部目標温度算出部５３と、足部冷却速度決定部５５と、足部冷却制御部５７とを備え、頭部１１の強制冷却の開始以降に足部１３の冷却を開始し、頭部１１の変態終了時における足裏部１３１の温度が後述する所定の目標値（足裏部目標温度）となるように足部１３の冷却を制御する処理（足部冷却制御処理）を行う。

この制御部５は、足部冷却制御処理を実現するのに必要なプログラムやデータ等が記憶される記憶部７と接続されている。記憶部７は、更新記憶可能なフラッシュメモリやＲＡＭといった各種ＩＣメモリ、ハードディスク、各種記憶媒体等の記憶装置によって実現される。この他、制御部５には、図示しないが、上記温度監視や冷却速度制御等に必要な情報を入力するための入力装置や、冷却中のレール１の頭部１１表面や足裏部１３１の温度等をモニタ表示するための表示装置等が必要に応じて適宜接続される。

上記したように、熱間圧延後のレール１は、熱処理装置３にて強制冷却された後、最終的には冷却床にて常温まで自然放冷されるが、この過程でレール１の上下方向への曲がり（上下曲がり）が発生し得る。図４は、レール１の上下曲がり量ｄを説明する図である。図４に示すように、レール１の上下曲がり量ｄは、足裏部１３１の両端を結ぶ図４中に破線で示す直線からの足裏部１３１の最大上昇量または最大下降量であり、上昇量を上曲がり量、下降量を下曲がり量と呼ぶ。

本発明の発明者等は、この上下曲がりの原因と考えられる塑性ひずみによる残留応力について検討した結果、強制冷却中のレール１の断面各部の温度履歴と塑性ひずみとの間に関連性があることを知見し、塑性ひずみは、高温で変形抵抗の小さい頭部１１のパーライト変態終了前にのみ生じることを見出した。加えて、強制冷却の終了後、レール１が常温となるまでの間に生じる上下曲がり量ｄは、この間に生じる熱収縮による熱ひずみと、頭部１１および足部１３に生じた塑性ひずみとのバランスによって決定付けられることを見出した。

そして、本発明の発明者等は、さらに検討を重ねた結果、頭部１１の冷却を開始してから頭部１１の変態が終了するまでの間（以下、「頭部変態期間」と呼ぶ。）の足部１３の冷却が重要であり、少なくとも冷却開始時における頭部１１表面の温度を用いて頭部１１の変態終了時における足裏部１３１の目標温度（足裏部目標温度）を算出し、頭部１１の変態終了時の足裏部１３１の温度が足裏部目標温度となるように足部１３を冷却することで、レール１が常温となったときの上下曲がり量ｄが所定値以下に抑制されることを見出した。

ここで、頭部１１に対する冷却と足部１３に対する冷却との関係について図５を参照して説明する。特許文献１の技術では、足部１３のみを所定時間ｔ１冷却（足裏部予備冷却）した後で頭部１１に対する冷却を開始するため、その分強制冷却時間の増大を招いていた。そこで、本実施の形態の足部冷却制御処理では、強制冷却時間を増大させる事態を防止するため、頭部冷却開始時Ｔ１１から頭部冷却終了時Ｔ１３までの間の頭頂冷却ヘッダ３１および頭側冷却ヘッダ３３による頭部１１の冷却中に足裏冷却ヘッダ３５によって足部１３を冷却することを前提に、特に、途中の頭部変態終了時Ｔ１５（図７を参照）までの足部１３の冷却を制御する。

ところで、レール１は長尺であり、その温度はレール１長手方向で一定とは限らない。そのため、足部１３の冷却速度をレール１長手方向に一律に適用するのは適切ではない。図６は、レール１長手方向に沿った頭部１１表面の温度分布の一例を示す図であり、併せて熱処理装置３にレール１を搬入する様子を模式的に示している。図６に示すように、頭部１１表面の温度はレール１長手方向に沿って一定ではなく、特に両端で温度が低下する傾向を示す。なお、図示しないが、足裏部１３１も同様に、レール１長手方向に沿って温度分布を有する。温度分布は、熱処理装置３に搬入されるレール毎にも当然異なる。

このようにレール１長手方向に温度分布を有する熱間圧延後の仕上圧延長のレール１は、例えば、レール１ａ〜１ｄに鋸断された上で熱処理装置３に搬入され、連接する冷却ゾーン（冷却ゾーン１〜４）３ａ〜３ｄで冷却されるが、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄが冷却の対象とするレール１ａ〜１ｄは温度分布が各々異なる。したがって、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに同じ冷却速度を適用したのでは、全てのレール１ａ〜１ｄの上下曲がりを抑制するのは困難である。特に、レール１の端部部分であるレール１ａ，１ｄでは温度の上下限値幅が大きいため、上下曲がりが発生し易いといえる。なお、上下曲がりを抑制するため、レール１の両端部分を切り落とすことでレール１長手方向の温度分布を平坦化する手法も考えられるが、歩留まりが大きく低下するため好ましくない。

そこで、本実施の形態の足部冷却制御処理では、頭部変態期間における足部１３の冷却速度を冷却ゾーン毎に決定する。また、その際、冷却開始時（熱処理装置３への搬入時）における鋸断された各レール１ａ〜１ｄの頭部１１表面の温度および足裏部１３１の温度を用いるが、これらの温度は、該当する冷却ゾーン３ａ〜３ｄ内に設置された頭部温度計３９１および足部温度計３９３の測定値から取得する。

次に、足部冷却制御処理の原理について図７を参照して説明する。なお、以下では、１つの冷却ゾーン（冷却ゾーン１）３ａに着目して足部冷却制御処理の原理を説明する。図７は、足部冷却制御処理を説明する目的で、頭部変態期間であるＴ１１〜Ｔ１５におけるレール１ａの頭部１１表面の温度変化Ｌ２１および足裏部１３１の温度変化Ｌ２３を模式的に示したものである。

足部冷却制御処理では、強制冷却開始時における頭部１１表面の温度である冷却ゾーン３ａへのレール１ａの搬入時の頭部１１表面の温度の平均値（装置搬入時頭部平均温度）Ｔ_{ｈｅａｄａ}を用い、レール１ａの頭部変態終了時Ｔ１５におけるレール１ａの足裏部目標温度を算出する。そのために先ず、装置搬入時頭部平均温度Ｔ_{ｈｅａｄａ}と、頭部１１の冷却パターンとから頭部１１の冷却速度（頭部冷却速度）を求め、頭部１１の変態に要する時間（頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５の時間）を求める。

ここで、頭部１１の変態温度（頭部変態温度）Ｔ_{ｈｅａｄｂ}はレール１ａ（レール１）の成分系によって定まり、頭部１１の冷却パターンは、頭部１１を微細なパーライト組織とし、高硬度とするために予め設定されている。したがって、レール１ａの上下曲がりを抑制する目的で頭部１１の冷却パターンを変更するのは適切ではない。足部１３の冷却速度を決定するのはそのためである。

また、装置搬入時頭部平均温度Ｔ_{ｈｅａｄａ}は、レール１ａが冷却ゾーン３ａに搬入された時点で冷却ゾーン３ａ内に設置された複数の頭部温度計３９１が測定した測定値の平均値である。なお、冷却ゾーン３ａ内に設置される頭部温度計３９１の数が１つの場合には、その測定値を用いればよい。

続いて、上記した装置搬入時頭部平均温度Ｔ_{ｈｅａｄａ}や頭部冷却速度、頭部変態温度Ｔ_{ｈｅａｄｂ}、頭部１１の変態に要する時間といった頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５における頭部１１の冷却条件から頭部変態終了時Ｔ１５における足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}を算出する。足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}は、上記頭部１１の冷却条件をもとに、頭部１１および足部１３それぞれの断面２次モーメントや熱収縮量を計算することで算出することができる。ただし、これに限らず、例えば、予め頭部１１の冷却条件と足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}との対応関係をテーブル化して用意しておき、これを参照して算出することとしてもよい。あるいは、過去の操業時に収集した頭部１１と足部１３との温度差とそのときの上下曲がり量ｄの実績値との関係から近似式を定め、この近似式を用いて求めることとしてもよい。足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}の精度は、±５［℃］以下であることが上下曲がりの低減のため望ましい。

また、足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}の算出に際しては、レール１ａ（レール１）の成分系や形状を加味するのが望ましい。上下曲がりを抑制するのに最適な足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}は、頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５における頭部１１の冷却条件だけでなく、レール１ａ（レール１）の成分系や形状によっても変動するためである。レール１ａ（レール１）の形状は、頭部１１の断面積、足裏部１３１の断面積、およびレール１ａ（レール１）の高さを指標とすることが望ましい。

そして、足部冷却制御処理では、足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}をもとに、頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５におけるレール１ａの足裏部１３１の冷却速度の目標値（足裏部目標冷却速度）ＣＲ_ｆｏｏｔを決定する。例えば、次式（１）に従って足裏部目標冷却速度ＣＲ_ｆｏｏｔを算出する。次式（１）において、ＣＲ_ｈｅａｄは、頭部冷却速度を表す。装置搬入時頭部平均温度Ｔ_{ｈｅａｄａ}は、レール１ａが冷却ゾーン３ａに搬入された時点で冷却ゾーン３ａ内に設置された複数の足部温度計３９３が測定した測定値の平均値である。なお、冷却ゾーン３ａ内に設置される足部温度計３９３の数が１つの場合には、その測定値を用いればよい。

なお、本例では頭部１１の冷却を足部１３の冷却と同時に開始することとしたが、足部１３の冷却は、頭部冷却開始時Ｔ１１以降に開始し、頭部変態終了時Ｔ１５に目標温度となるように行えばよく、頭部冷却開始時Ｔ１１から遅れて開始することとしてもよい。

図８は、足部冷却制御処理の詳細な処理手順を示すフローチャートである。熱処理装置３は、制御部５が図８の処理手順に従って足部冷却制御処理を実行することで、レールの製造方法を実施する。

熱処理装置３は、オーステナイト域温度以上の高温状態のレール１（各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに搬入されたレール１ａ〜１ｄ）に対して冷却ヘッダ３１，３３，３５から冷却媒体を噴射することでレール１の強制冷却を行うが、足部１３の冷却に関して制御部５が足部冷却制御処理を実行する。この足部冷却制御処理では、図８に示すように、先ず、全ての冷却ゾーン３ａ〜３ｄを順番に対象冷却ゾーンとしてループＡの処理を実行する（ステップＳ１〜ステップＳ９）。

すなわち、ループＡでは、先ず温度取得部５１が、対象冷却ゾーン内に設置された頭部温度計３９１および足部温度計３９３の測定値をもとに装置搬入時頭部平均温度Ｔ_{ｈｅａｄａ}および装置搬入時足部平均温度Ｔ_{ｆｏｏｔａ}を取得する（ステップＳ３）。続いて、足裏部目標温度算出部５３が、上記した要領で、頭部変態終了時Ｔ１５における足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}を算出する（ステップＳ５）。その後、足部冷却速度決定部５５が、上記した要領で、頭部変態終了時Ｔ１５における足裏部１３１の温度が足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}となるように頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５の足部１３の足裏部目標冷却速度ＣＲ_ｆｏｏｔを決定し（ステップＳ７）、対象冷却ゾーンについてのループＡの処理を終了する。

そして、全ての冷却ゾーン３ａ〜３ｄについてループＡの処理を実行したならば、足部冷却制御部５７が、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄのレール１ａ〜１ｄの足部１３の冷却を制御する（ステップＳ１１）。すなわち、足部冷却制御部５７は、頭部１１の冷却開始と同時に足部１３の冷却を開始し、足裏部目標冷却速度ＣＲ_ｆｏｏｔに従って足裏冷却ヘッダ３５からの冷却媒体の噴射を冷却ゾーン３ａ〜３ｄ毎に制御する。具体的には、足部冷却制御部５７は、頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５中の各冷却ゾーン３ａ〜３ｄにおける足裏部１３１の冷却速度が、上記したステップＳ７で該当する冷却ゾーン３ａ〜３ｄについて決定した足裏部目標冷却速度ＣＲ_ｆｏｏｔとなるように足裏冷却ヘッダ３５からの冷却媒体の噴射を冷却ゾーン３ａ〜３ｄ毎に制御する。冷却速度の制御は、足裏冷却ヘッダ３５からの冷却媒体の噴射制御として冷却媒体の吐出量や吐出圧、温度、水分量を段階的または断続的に変更することで行う。このとき、足部冷却制御部５７は、頭部変態終了時Ｔ１５における足裏部１３１の温度が実際に該当する冷却ゾーン３ａ〜３ｄの足裏部目標冷却速度ＣＲ_ｆｏｏｔとなるように、頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５の足裏部１３１の冷却速度を足部温度計３９３の測定値を監視しながら調整するとより望ましい。

なお、頭部変態期間Ｔ１１〜Ｔ１５中の頭頂冷却ヘッダ３１および頭側冷却ヘッダ３３からの冷却媒体の噴射制御については、制御部５が、頭部１１の冷却条件に従って頭部温度計３９１から随時入力される測定値等を適宜用いて制御する。

頭部変態終了時Ｔ１５以降は、頭部１１表面の温度および足裏部１３１の温度が予め定められる各々の冷却終了温度になるまで冷却を行い、強制冷却を終了する。頭部１１の変態が終了した後の冷却速度は、頭部１１のパーライト組織の硬度やレール１の上下曲がり量ｄには影響を与えないため、頭部１１および足部１３ともに、各々の冷却終了温度となるまで可能な限り速く冷却することが生産効率上望ましい。強制冷却を終えたレール１は、クランプ３７が外されて熱処理装置３から搬出され、必要に応じて横倒しに転回された上で冷却床に搬送され、常温まで自然放冷されて製品となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、装置搬入時頭部平均温度Ｔ_{ｈｅａｄａ}を用い、レール１の成分系および形状を加味して頭部１１の変態終了時における足裏部１３１の目標温度（足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}）を算出することができる。そして、頭部１１の冷却開始と同時に足部１３の冷却を開始し、頭部１１の変態終了時における足裏部１３１の温度が足裏部目標温度となるように足部１３を冷却することができる。これにより、冷却時間を増大させることなくレール１の上下曲がりを確実に抑制することができる。具体的には、上曲がり量および下曲がり量ともに２５［ｍ］あたり５０［ｍｍ］以下を確保することができる。

また、熱処理装置３へのレール１の搬入時に各冷却ゾーン３ａ〜３ｄ内で測定した頭部１１表面の温度の平均値を装置搬入時頭部平均温度Ｔ_{ｈｅａｄａ}として用い、足裏部目標温度Ｔ_{ｆｏｏｔｂ}を算出することとした。これによれば、不可避的に発生する熱処理装置３への搬入時におけるレール１長手方向の温度のばらつきによらずに、また、熱処理装置３が仕上圧延長のレールをそのまま冷却するのか鋸断したレールを対象とするのかによらずに、レール１が常温となったときの上下曲がりを所定値以下とすることができる。

この結果、形状矯正のための追加プロセスの実施が不要となるため、生産性を向上でき、加えてコストのより一層の低減が図れる。さらに、形状が特に悪い端部を切り落とすのみで、上下曲がりを原因とする端部の切り落としが不要となるため、歩留りの向上が図れる。

（実施例）
頭部変態温度が６００［℃］の成分系Ａの鋼と、頭部変態温度が６２０［℃］の成分系Ｂの鋼とを用い、圧延終了時の温度が９００［℃］以上で、仕上圧延長が概ね１００［ｍ］となるように異なる２種類の形状ア，イに熱間圧延したレールを実験材として用意した。そして、足部の冷却条件をかえてレール（実験材）の強制冷却を行い、室温まで自然放冷した後で実験材の上下曲がりを評価した（実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２）。表１に、実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２の実験材の成分系（ＡまたはＢ）と、形状（アまたはイ）と、強制冷却時に使用した冷却媒体と、頭部変態温度と、実験材の形状の指標となる頭部断面積、足部断面積、およびレール高さとを示す。頭部変態温度は、冷却媒体が空気の場合の頭部冷却速度を２［℃／秒］とし、ミストの場合の頭部冷却速度を２．５［℃／秒］として、成分計のＣＣＴ図より特定した。

（１）実施例１〜実施例１２
表２に、実施例１〜実施例１２の実験材の足裏部目標温度と、装置搬入時頭部平均温度と、装置搬入時足部平均温度と、足裏部目標冷却速度とを示す。また、表３に、各実験材の冷却時レール長さ、再加熱の有無、最大上曲がり量、最大下曲がり量等を示す。

実施例１〜実施例１２では、鋸断が必要なものは圧延終了後の実験材を直ちに該当する冷却時レール長さに鋸断し、再加熱が必要なものは一度４００［℃］まで放冷した後でＩＨヒーターによって８００［℃］まで加熱し、その後強制冷却を行った。

ここで、冷却時レール長さが１００［ｍ］である実施例５等では、熱間圧延後の概ね１００［ｍ］の実験材４本を用いた。すなわち、形状が特に悪い端部を切り落とした上で熱処理装置３内の各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに搬入し、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに設けられたクランプ３７によって拘束した。冷却時レール長さが５０［ｍ］である実施例３等では、熱間圧延後の概ね１００［ｍ］の実験材２本をそれぞれ５０［ｍ］に鋸断した上で熱処理装置３内の各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに搬入し、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに設けられたクランプ３７によって拘束した。冷却時レール長さが２５［ｍ］である実施例１等では、熱間圧延後の概ね１００［ｍ］の実験材１本をそれぞれ２５［ｍ］に鋸断した上で熱処理装置３内の各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに搬入し、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに設けられたクランプ３７によって拘束した。

また、図８の足部冷却制御処理を行って足裏部目標冷却速度を決定した。このとき、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄにはそれぞれレール長手方向に沿って５箇所に頭部温度計３９１および足部温度計３９３を設置し、レール搬入時（冷却開始時）の頭部温度計３９１による測定値の平均値を装置搬入時頭部平均温度、レール搬入時（冷却開始時）の足部温度計３９３による測定値の平均値を装置搬入時足部平均温度として取得した。足裏部目標温度は、頭部断面積、足裏部断面積、およびレール高さをもとに、曲げモーメントが０となる値として算出した。足裏部目標冷却速度は、上記式（１）に従って決定した。

強制冷却は、頭部および足部の強制冷却時間（図５のｔ２）を１６５［秒］として行った。冷却媒体は、空気またはミストとした。ミストによる強制冷却は、オリフィスチップが内蔵されたノズルを用い、１［ｍ］あたり２［ｌ／分］の水と５００［ｋＰａ］のエアを混合したミストを冷却ヘッダ３１，３３，３５から噴射した。

強制冷却の終了後は、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄの実験材をクランプ３７から外して冷却床に搬送し、自然放冷した。冷却時レール長さが１００［ｍ］および５０［ｍ］の実験材については、全断面が１００［℃］以下となった後で２５［ｍ］に鋸断した。その後、常温となった２５［ｍ］のレールの上下曲がり量ｄを測定した。

この結果、表３に示すように、実施例１〜実施例１２では、いずれの場合も、上曲がり量および下曲がり量のばらつきが低減され、各々の値も目標値である５０［ｍｍ］以下を達成した。

（２）比較例１〜比較例１２
表４に、比較例１〜比較例１２における実験材の冷却時レール長さ、再加熱の有無、ｔ１、足裏部冷却速度、最大上曲がり量、最大下曲がり量等を示す。

比較例１〜比較例１２では、鋸断が必要なものは圧延終了後の実験材を直ちに該当する冷却時レール長さに鋸断し、再加熱が必要なものは一度４００［℃］まで放冷した後でＩＨヒーターによって８００［℃］まで加熱し、その後強制冷却を行った。

ここで、冷却時レール長さが１００［ｍ］である比較例５等では、熱間圧延後の概ね１００［ｍ］の実験材４本を用いた。すなわち、形状が特に悪い端部を切り落とした上で熱処理装置３内の各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに搬入し、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに設けられたクランプ３７によって拘束した。冷却時レール長さが５０［ｍ］である比較例３等では、熱間圧延後の概ね１００［ｍ］の実験材２本をそれぞれ５０［ｍ］に鋸断した上で熱処理装置３内の各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに搬入し、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに設けられたクランプ３７によって拘束した。冷却時レール長さが２５［ｍ］である比較例１等では、熱間圧延後の概ね１００［ｍ］の実験材１本をそれぞれ２５［ｍ］に鋸断した上で熱処理装置３内の各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに搬入し、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄに設けられたクランプ３７によって拘束した。

強制冷却は、特許文献１の手法を用いて行った。すなわち、図５に示すｔ１を２０［秒］とし、各冷却ゾーン３ａ〜３ｄのレールの頭部表面の温度が７００［℃］〜７２５［℃］の状態から足部１３のみの冷却を開始して足裏部予備冷却を行った。その後、頭部１１に対する冷却を開始し、図５に示すｔ２を１６５［秒］として頭部１１および足部１３を冷却した。冷却媒体は、空気またはミストとした。ミストによる強制冷却は、オリフィスチップが内蔵されたノズルを用い、１［ｍ］あたり２［ｌ／分］の水と５００［ｋＰａ］のエアを混合したミストを冷却ヘッダ３１，３３，３５から噴射した。

この結果、表４に示すように、比較例１〜比較例１２では、いずれの場合も、上曲がり量および下曲がり量が目標値である５０［ｍｍ］以下を達成できなかった。

３熱処理装置
３１頭頂冷却ヘッダ
３３頭側冷却ヘッダ
３５足裏冷却ヘッダ
３７クランプ
３９１頭部温度計
３９３足部温度計
５制御部
５１温度取得部
５３足裏部目標温度算出部
５５足部冷却速度決定部
５７足部冷却制御部
７記憶部
１レール
１１頭部
１３足部
１３１足裏部

Claims

オーステナイト域温度以上で熱間圧延され、あるいは、オーステナイト域温度以上に加熱された高温のレールの頭部および足部の強制冷却を行うレールの製造方法であって、
前記頭部の強制冷却開始時における前記頭部表面の温度を用いて前記頭部のパーライト変態終了時における前記足部裏面の目標温度を算出し、
前記頭部の強制冷却開始以降に前記足部の強制冷却を開始し、前記頭部のパーライト変態終了時における前記足部裏面の温度が前記算出した目標温度となるように前記足部の強制冷却を行うことを特徴とするレールの製造方法。
前記レールの成分および／または前記レールの形状を加味して前記目標温度を算出することを特徴とする請求項１に記載のレールの製造方法。