JP6137093B2 - レールの冷却方法および冷却設備 - Google Patents

Description

本発明は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールを強制冷却することで高硬度のレールを製造する、レールの冷却方法および熱処理設備に関する。

耐摩耗性および靱性に優れたレールとして、頭部が微細なパーライト組織からなる高硬度レールが知られている。このような高硬度レールは、一般的に以下の製造方法によって製造される。
まず、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレールを、正立した状態で熱処理装置に搬入する。正立した状態とは、レールの頭部が上方、足裏部が下方になった状態をいう。このとき、レールは、例えば１００ｍ程度の圧延長のままの状態、あるいはレール１本あたりの長さが例えば２５ｍ程度の長さに切断（以下では、「鋸断」とも称する。）された状態で熱処理装置へ搬送される。なお、レールが鋸断されてから熱処理装置に搬送される場合、熱処理装置は、鋸断されたレールに応じた長さの複数のゾーンに分割されていることもある。

次いで、熱処理装置において、レールの足先部が支持拘束部で拘束され、レールの頭頂部、頭側部、足裏部、さらに必要に応じて腹部が、冷却媒体によって強制冷却される。冷却媒体には、空気、水、ミスト等が用いられる。このようなレールの製造方法では、強制冷却時の温度履歴をコントロールすることにより、レールの内部を含めた頭部全体を微細なパーライト組織とすることができる。

上記の方法で製造される高硬度レールは、近年、耐久性に対する要求がますます厳しくなってきており、頭部の硬度および靱性をさらに高くするような冷却方法がとられる傾向にある。一般的に、熱処理中のレールの冷却速度を上昇させると硬度は上昇するが、冷却中に頭部・足部と腹部との温度差が大きくなることにより、レールの長手方向に大きな残留応力が冷却後まで残存する。冷却後の残留応力は、レールの曲がりを発生させたり、あるいは、冷片での鋸断時に鋸歯が噛んでしまって動かなくなるといった問題を発生させたりすることがある。
このようなレールの残留応力に対して、一般的には、通過型のレベラ−矯正によって曲がりを矯正することで残留応力の低減が図られている。
また、特許文献１には、レールに引張と曲げを同時に加えることで残留応力を低減する方法が開示されている。

特開２０１１−０７９００８号公報

しかし、通過型のレベラ矯正や特許文献１に記載の方法では、外観上の曲がりが矯正されていても、内部の残留応力が低減されていないことがあった。
そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、冷却後の矯正に依らず、内部の残留応力を低減するレールの冷却方法および冷却設備を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るレールの冷却方法は、頭部、腹部および足部を有し、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいは頭部、腹部および足部を有し、オーステナイト域温度以上に加熱されたレールを強制冷却する際に、前記レールの少なくとも頭部を冷却する強制冷却装置よりも該レールの搬送方向上流側にて、横転した姿勢となっている前記レールを搬送中に、該レールの腹側面に限って冷却媒体を噴射して該レールの腹部を冷却し、その後に、前記強制冷却装置にて前記レールの少なくとも頭部を冷却することを特徴とする。
また、本発明の一態様に係るレールの冷却設備は、頭部、腹部および足部を有し、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいは頭部、腹部および足部を有し、オーステナイト域温度以上に加熱されたレールの少なくとも頭部を冷却する強制冷却装置と、横転した姿勢となっている前記レールの腹側面に限って冷却媒体を噴射して該レールの腹部を冷却する腹部冷却装置とを有し、前記腹部冷却装置は、前記強制冷却装置よりも前記レールの搬送方向上流の搬送テーブルに設けられることを特徴とする。

本発明に係るレールの冷却方法および冷却設備によれば、冷却後の矯正に依らず、内部の残留応力を低減することができる。

強制冷却装置を示す正面図である。 レールの各部位を示す断面図である。 本発明の第１実施形態の腹部冷却装置を示す正面図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却設備を示す正面図である。 腹部冷却装置の変形例を示す正面図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の説明に先立ち、本発明の元となる、一般的な高硬度レール製造のための強制冷却装置と強制冷却方法について概略を説明する。
熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、あるいは加熱装置によってオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１は、図１に示す強制冷却装置２にて冷却される。

レール１は、図２に示すように、長手方向に垂直な断面視において、幅方向に延在し、互いに上下方向に対向する頭部１１および足部１３と、上側に配された頭部１１と下側に配された足部１３とをつなぎ、上下方向に延在する腹部１２とからなる。また、レール１は、頭部１１の上端面となる頭頂面１１ａと、頭部１１の幅方向両端面となる頭側面１１ｂ，１１ｃと、腹部１２の両端面となる腹側面１２ａ，１２ｂと、足部１３の下端面となる足裏面１３ａとを有する。

強制冷却装置２は、熱間圧延機の搬送方向下流側、あるいは加熱炉等の加熱装置の搬送方向下流側に設けられ、熱間圧延機または加熱装置から搬送されるレール１を強制冷却する。強制冷却装置２は、頭頂面冷却ヘッダ２０と、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂと、足裏面冷却ヘッダ２２と、支持拘束部２３ａ，２３ｂとを有する。また、強制冷却装置２は、図１のｘ−ｙ平面に垂直なｚ軸方向に延在して設けられ、レール１の長さに応じて、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏面冷却ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂが少なくとも一つずつ設けられる。なお、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏面冷却ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂが複数設けられる場合、複数の頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏面冷却ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂは、それぞれｚ軸方向に並んで設けられる。

頭頂面冷却ヘッダ２０は、多孔板ノズル２０１を有し、多孔板ノズル２０１からレール１の頭頂面１１ａに冷却媒体を噴射することで頭部１１を強制冷却する冷却手段である。冷却媒体には、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。また、頭頂面冷却ヘッダ２０は、多孔板ノズル２０１がレール１の頭頂面１１ａ中央部に対向して配される。多孔板ノズル２０１は、複数の孔が設けられた部材であり、孔から冷却媒体が噴射される。

頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂは、多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂをそれぞれ有し、多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂからレール１の頭側面１１ｂ，１１ｃに冷却媒体を噴射することで頭部１１を冷却する冷却手段である。冷却媒体には、頭頂面冷却ヘッダ２０と同様に、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂは、多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂがレール１の頭側面１１ｂ，１１ｃにそれぞれ対向して配される。多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂは、複数の孔が設けられた部材であり、孔から冷却媒体が噴射される。

足裏面冷却ヘッダ２２は、多孔板ノズル２２１を有し、多孔板ノズル２２１からレール１の足裏面１３ａの全長に冷却媒体を噴射することで足部１３を冷却する冷却手段である。冷却媒体には、頭頂面冷却ヘッダ２０と同様に、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。足裏面冷却ヘッダ２２は、多孔板ノズル２２１がレール１の足裏面１３ａに対向して配される。多孔板ノズル２２１は、複数の孔が設けられた部材であり、孔から冷却媒体が噴射される。

支持拘束部２３ａ，２３ｂは、足部１３のｘ軸方向の両端部をそれぞれ挟持することでレール１を支持および拘束する装置である。支持拘束部２３ａ，２３ｂは、例えばレール１の長手方向の全長に渡って数ｍずつ離隔して複数設けられる。
また、強制冷却装置２は、不図示の搬送管と、不図示の冷却媒体供給装置と、不図示のオシレーション機構とを有する。
冷却媒体搬送管は、冷却媒体供給装置から供給される冷却媒体を頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２に搬送する管であり、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２にそれぞれ接続される。

オシレーション機構は、支持拘束部２３ａ，２３ｂに設けられ、支持拘束部２３ａ，２３ｂをレール１の長手方向にオシレーション（往復動作）させる。このため、支持拘束部２３ａ，２３ｂにレール１が拘束された状態で、オシレーション機構が作動することで、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２に対してレール１が往復移動する。
このような強制冷却装置２にてレール１が冷却される際、まず、レール１は強制冷却装置２へと搬送される。このとき、レール１は、図１に示す正立した状態で強制冷却装置２へと搬送される。

次いで、レール１は、足部１３が支持拘束部２３ａ，２３ｂに挟持されることで、強制冷却装置２に支持・拘束される。
さらに、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２から冷却媒体が噴射されることで、強制冷却が開始される。強制冷却の開始時点におけるレール１の頭部１１の表面温度は、オーステナイト域温度以上である。このとき、レール１は、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２から噴射される冷却媒体により長手方向の全長にわたり強制冷却される。また、レール１を強制冷却する際、オシレーション機構が支持拘束部１４をレール長手方向にオシレーション（往復運動）させることにより、レールと冷却ヘッダの長手方向の相対位置を変化させることで、冷却を均一にすることもある。
さらに、レール１を強制冷却する際、冷却媒体の噴射量・噴射圧などを制御・調整することで、主に頭部において所定の変態組織が得られる。このような方法で製造されたレール１は、硬度および靱性に優れる。ここで、一般には、冷却速度が高いほど高硬度となるが、冷却速度を高くし過ぎると靱性が低下するといった問題が起こることがある。

以上のように、一般的な強制冷却装置２では、頭部１１および足部１３が優先的に冷却される。発明者らの検討によると、強制冷却時の頭部１１および足部１３と腹部１２との温度差が大きくなると、冷却後に、頭部１１および足部１３では圧縮、腹部１２では引張の長手方向の残留応力が発生する。近年、さらなる高硬度化のため頭部１１の冷却速度が大きくなることにより、冷却後の残留応力も増加している。残留応力が大きくなりすぎると、鋸断後に変形することに加え、冷片を鋸断する際に、鋸歯が噛んでしまって動かなくなることがある。

発明者らは、温度測定やシミュレーション等により検討したところ、残留応力が発生する最大の原因が、腹部１２が高温で、すなわち変形抵抗の低いまま、頭部１１や足部１３が急速に冷却されることであることを知見した。そこで、発明者らは、頭部１１や足部１３の冷却する前に、腹部１２の温度を下げて変形抵抗を大きくしておくことにより、残留応力を低減させる冷却方法を想到した。

＜第１実施形態＞
［設備構成］
次に、本発明の第１実施形態に係るレール１の冷却設備について説明する。第１実施形態に係る冷却設備は、図１に示す強制冷却装置２と、図３に示す腹部冷却装置３とを有する。
強制冷却装置２は、上述した一般的な冷却装置であり、熱間圧延機の搬送方向下流側に設けられ、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１を強制冷却する装置である。強制冷却装置２は、図１に示すように、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２から冷却媒体を噴射させることで、レール１の頭部１１と足部１３とを強制冷却する。

腹部冷却装置３は、強制冷却装置２よりもレール１の搬送方向上流側、すなわち、強制冷却装置２の入側となる、熱間圧延機から搬送される搬送テーブルに設けられる。図３に示すように、腹部冷却装置３は、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂを有する。レール１は、腹部冷却装置３を通過する際、図３に示すように、横転した姿勢となっている。このように、横転しているレール１に対して、腹側面冷却ヘッダ３０ａはレール１の上方（ｙ軸正方向）側、腹側面冷却ヘッダ３０ｂはレール１の下方（ｙ軸負方向）側にそれぞれ配される。また、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂは、ｚ軸方向に並んだ搬送ロール４間または、搬送テーブルの空隙に設けられる。なお、搬送中のレール１のｘ軸方向の位置は、レール１のｘ軸方向両端側に設けられたガイドロール５ａ，５ｂによって押さえられることで、調整される。

腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂは、多孔板ノズル３０１ａ，３０１ｂをそれぞれ有し、多孔板ノズル３０１ａ，３０１ｂからレール１の腹側面１２ａ，１２ｂに冷却媒体を噴射することで腹部１２を冷却する冷却手段である。腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂは、レール１の長手方向（ｚ軸方向）に少なくとも１つ配置される。なお、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂが設けられる数は、搬送スピードと必要冷却量とに応じて適宜決定される。すなわち、搬送スピードが速い場合や必要冷却量が多い場合には、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂがｚ軸方向に複数設けられる。また、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂは、多孔板ノズル３０１ａ，３０１ｂがレール１の腹側面１２ａ，１２ｂに対向して配される。多孔板ノズル３０１ａ，３０１ｂは、複数の孔が設けられた部材であり、孔から冷却媒体が噴射される。

冷却媒体には、空気、スプレー水、およびミスト等が用いられる。なお、頭部１１の下面側および足部１３の上面側も不可避的に冷却されるため、その影響を最小限に留められるようにすることが好ましい。また、横転姿勢のレール１の上面側（ｙ軸正方向側）に冷却媒体が残存・滞留しないことが好ましい。
また、腹部冷却装置３は、不図示の搬送管と、不図示の冷却媒体供給装置とを有する。冷却媒体搬送管は、タンクおよびポンプ等からなる冷却媒体供給装置から供給される冷却媒体を腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂに搬送する管であり、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂに接続される。

［冷却方法］
次に、第１実施形態に係るレール１の冷却方法について説明する。
まず、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１は、腹部冷却装置３を介して強制冷却装置２へと搬送される。
レール１が強制冷却装置２へと搬送される際、レール１は腹部冷却装置３を通過する。このとき、腹部冷却装置３では、通過するレール１に腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂから冷却媒体が噴射されることで、腹部１２が全長にわたって冷却される。腹部１２の冷却速度および冷却量は、レール１の合金成分および目標組織によって適宜選択される。腹部１２の目標組織としては、頭部１１や足部１３と同様の靱性となるような組織が好ましい。なお、腹部１２の冷却速度および冷却量が大きすぎると腹部１２表面の靱性が低下する。一方、冷却速度が小さすぎる場合、残留応力低減効果が得られる冷却量を達成するため、冷却に要する時間が長くなり、それだけ設備長が長くする必要が生じるので好ましくない。
腹部冷却装置３にて冷却されたレール１は、さらに強制冷却装置２まで搬送され、頭部１１および足部１３が強制冷却される。頭部１１および足部１３の強制冷却の方法は、上述の強制冷却装置２を用いた一般的な冷却方法と同様である。

＜第２実施形態＞
［設備構成］
次に、本発明の第２実施形態に係るレール１の冷却設備について説明する。第２実施形態に係る冷却設備は、図４に示すように、頭頂面冷却ヘッダ２０と、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂと、足裏面冷却ヘッダ２２と、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂと、支持拘束部２３ａ，２３ｂとを有する冷却装置である。第２実施形態に係る冷却設備は、熱間圧延機の搬送方向下流側に設けられる。

頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏面冷却ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂは、第１実施形態の強制冷却装置２と同じ構成である。
腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂは、第１実施形態の腹部冷却装置３に設けられた腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂと同様な構成であるが、腹側面１２ａ，１２ｂにそれぞれ対向して設けられるため、互いにｘ軸方向に並んで設けられることが異なる。また、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂには、腹側面１２ａ，１２ｂに対向して配される多孔板ノズル３１１ａ，３１１ｂがそれぞれ設けられる。

［冷却方法］
次に、第２実施形態に係るレール１の冷却方法について説明する。
まず、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１は、冷却設備へと搬送される。
次いで、冷却設備に搬送されたレール１は、足部１３の幅方向（ｘ軸方向）の両端側が支持拘束部２３ａ，２３ｂに挟持されることで、冷却設備に拘束される。

さらに、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂからレール１に冷却媒体が噴射されることで、腹部１２のみが冷却される。このとき、第１実施形態と同様に、腹部１２の冷却速度および冷却量は、レール１の合金成分および目標組織によって適宜選択される。なお、腹部１２を冷却する際、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２からは冷却媒体が噴射されないため、頭部１１および足部１３の冷却は行われない。
その後、第１実施形態と同様に、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２から冷却媒体がレール１へ噴射されることで、頭部１１および足部１３が強制冷却される。このとき、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂからの冷却媒体の噴射は停止されるため、頭部１１および足部１３のみ冷却が行われる。

＜変形例＞
上記の実施形態は本発明を実施するための例に過ぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、仕様等に応じて種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明内において、他の様々な実施の形態が可能であることは上記記載から自明である。
例えば、第１実施形態において、腹部冷却装置３の出側、すなわち強制冷却装置２の入側に腹部１２の表面温度を測定する温度計を設け、温度計の測定結果から、冷却速度を調整してもよい。冷却速度の調整は、例えば、腹部冷却装置３における冷却媒体の噴出量や噴出圧力、あるいは、レール１と腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂとの間隔や搬送スピードを調整することで行われる。また、冷却速度の調整は、レール１の形状により、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂの位置を調整するようにすることでも行われる。

また、第１実施形態では、腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂは、多孔板ノズル３０１ａ，３０１ｂを有する構成としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、図５に示すように、腹側面冷却ヘッダ３２ａ，３２ｂは、所定の噴射角度で冷却媒体を噴射可能なスプレーノズル３２１ａ，３２１ｂを有する構成であってもよい。このとき、所定の噴射角度とは、冷却媒体が腹側面１２ａ，１２ｂの略全体に噴射可能な角度である。

さらに、第１実施形態では、腹部冷却装置３は、搬送テーブル等を用いた通過型の冷却装置であるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、腹部冷却装置３は、停止型、あるいはオシレーション型の冷却装置としてもよい。なお、停止型、あるいはオシレーション型の場合、強制冷却装置２へ挿入するまでの時間が長くなるため、通過型の冷却装置の方が好ましい。

さらに、第２実施形態では、冷却設備にて頭部１１および足部１３を加速冷却する際、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂからは冷却媒体を噴射しないとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、頭部１１および足部１３を加速冷却する際、冷却条件によっては、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂから冷却媒体を噴射し、腹部１２の冷却を継続してもよい。
さらに、上記実施形態では、頭部１１および足部１３を強制冷却する構成としたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、レール１を強制冷却する際に、頭部１１のみを強制冷却する構成としてもよい。

さらに、第１実施形態では、強制冷却装置２は熱間圧延機の下流側に設けられるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、強制冷却装置２は、レール１が加熱される加熱炉等の加熱装置の搬送方向下流側に設けられてもよい。この際、腹部冷却装置３は、加熱装置から強制冷却装置２までの搬送テーブルに設けられる。さらに、加熱装置では、強制冷却装置２にてレール１が強制冷却される際に、レール１の温度がオーステナイト域温度以上となるようにレール１が加熱される。

さらに、第２実施形態では、冷却設備は熱間圧延機の下流側に設けられるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、第2実施形態における冷却設備は、レール１が加熱される加熱炉等の加熱装置の搬送方向下流側に設けられてもよい。この際、加熱装置では、冷却設備にてレール１が強制冷却される際に、レール１の温度がオーステナイト域温度以上となるようにレール１が加熱される。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の実施形態にかかるレール１の冷却方法は、頭部、腹部および足部を有し、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、あるいは頭部、腹部および足部を有し、オーステナイト域温度以上に加熱されたレール１を強制冷却する際に、レール１の腹部１２を冷却した後、レール１の少なくとも頭部１１を冷却する。
上記構成によれば、少なくとも頭部１１を強制冷却する際、腹部１２の温度が低く変形抵抗を高くすることができる。このため、腹部１２の温度が高い場合に比べ、強制冷却時に生じる特に長手方向の残留応力を低減させることができる。このため、冷却後のレール１の鋸断を安定して行うことができる。また、特許文献１のように、残留応力を低減するための特別な矯正装置を設ける必要がないため、投資コストやランニングコストを抑制することができる。さらに、例えば、第１実施形態のような構成の冷却設備にて上記構成の冷却方法を用いる場合、既存の強制冷却装置２に腹部冷却装置３を追加で付加するだけでよいため、投資コストを抑制することができる。さらに、例えば、第２実施形態のような構成の冷却設備にて上記構成の冷却方法を用いる場合、冷却設備としては少なくとも頭部１１と腹部１２とを同時に冷却するような既存の冷却設備にも適用することができるため、投資コストを抑制することができる。

（２）本発明の実施形態にかかるレール１の冷却設備は、頭部、腹部および足部を有するレールの少なくとも頭部を冷却する強制冷却装置２と、レール１の腹部１２を冷却する腹部冷却装置３とを有し、腹部冷却装置３は、強制冷却装置２よりも、レール１の搬送方向上流側に設けられる。
上記構成によれば、（１）と同様に残留応力を低減させることができる。また、既存の強制冷却装置２に腹部冷却装置３を追加で付加するだけでよいため、投資コストを抑制することができる。

次に、発明者らが行った実施例１について説明する。
実施例１では、第１実施形態と同様な冷却設備および冷却方法でレール１を冷却した。つまり、熱間圧延後のオーステナイト域温度以上のレール１を、図１および図３に示す冷却設備により冷却した。
実施例１で用いたレール１の形状は、ＡＲＥＭＡ（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association）規格のＲ１３６−８である。また、レール１の成分は、Ｃ（炭素）：０．８３ｗｔ％、Ｓｉ（シリコン）：０．５２ｗｔ％、Ｍｎ（マンガン）：１．１１ｗｔ％、Ｐ（リン）：０．０１５％、Ｓ（硫黄）：０．００８％、Ａｌ（アルミニウム）：０．０００５％、Ｔｉ（チタン）：０．００１％を含有し、残部がＦｅ（鉄）および不可避的不純物からなる。レール１の全長は１００ｍであり、熱間圧延終了時点での表面平均温度は８８０℃〜９１０℃であった。熱間圧延機出側から強制冷却装置２への搬送スピードは８０ｍ／分である。

腹部冷却装置３では、５ｍのヘッダ長を有する腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂを長手方向に１０個ずつ配列し、空気による冷却を行うことで、強制冷却設備入側における腹部表面温度を調整した。
その後、レール１を強制冷却装置２に転回搬入し、冷却媒体として空気を噴射することでレール１を強制冷却した。強制冷却中は、頭頂面１１ａおよび頭側面１１ｂ，１１ｃが３℃／秒の冷却速度となるように噴射圧力制御した。このとき、足裏面冷却ヘッダ２２の冷却媒体の噴射条件（噴射量、噴射圧、噴射距離等）は頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂと同じとした。また、強制冷却中は、長手方向に距離１ｍ、ピッチ３０秒でレール１をオシレーション（往復運動）させた。

冷却終了後、頭頂面１１ａの幅方向中央位置に長手方向のひずみを測定するようにひずみゲージを取り付け、ひずみゲージ位置を中心として、長手方向２０ｍｍ間隔でレールを鋸切断し、切断前後のひずみを比較することで残留応力を測定した。
また、実施例１に対する比較として、腹部冷却装置３での冷却をしない条件でレール１を冷却した（比較例１）。比較例１では、腹部１２の冷却以外の条件は、実施例１と同じとした。

表１に、腹部冷却の条件、強制冷却装置２の入側での腹部・頭頂部の温度および頭頂部での残留応力の測定結果を示す。実施例１では、腹部冷却装置３での冷却量を変えることで、強制冷却装置２の入側での腹部１２の温度を変えた実施例１−１〜１−３の３条件でレール１を冷却した。なお、表１に示すように、実施例１−１〜１−３のレール１は問題なく鋸切断可能であったが、比較例１では頭部１１切断中に鋸歯が噛んで切断不能となったため、レーザーにより切断した。

表１に示すように、実施例１−１〜１−３では、腹部１２の冷却をしなかった比較例１に比べて大幅に残留応力を低減できることを確認できた。また、実施例１−１〜１−３では、腹部冷却装置３での冷却量を大きくすることで、特許文献１に記載の方法と同等の小さい残留応力となることが確認できた。

次に、本発明者らが行った実施例２について説明する。
実施例２では、実施例１で用いた腹側面冷却ヘッダ３０ａ，３０ｂの代わりに、図５に示すスプレーノズル３２１ａ，３２１ｂを有する腹側面冷却ヘッダ３２ａ，３２ｂを用いた。また、冷却媒体には、ミストを用いた。実施例２では、腹側面冷却ヘッダ３２ａ，３２ｂをレール１の長手方向に上下１００個ずつ設けた。また、スプレー圧力を変更することで、実施例１と同様に強制冷却装置２の入側における腹部１２の表面温度を調整した。それ以外の冷却条件は、実施例１と同じとし、実施例１と同様に冷却したレール１の残留応力を測定した。
冷却および測定の結果、実施例１における表１と同等の残留応力になっていることを確認した。

次に、本発明者らが行った実施例３について説明する。
実施例３では、第２実施形態と同様な冷却設備および冷却方法でレール１を冷却した。つまり、熱間圧延後のオーステナイト域温度以上のレール１を、図４に示す冷却設備を用いて、第２実施形態に係る冷却方法を用いて冷却した。冷却に供したレール１の条件は、実施例１と同様である。

実施例３では、まず、熱間圧延されたレール１を、図４に示す冷却設備に転回搬入した。次いで、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂのみから冷却媒体である空気を噴射し、腹部１２の表面温度が所定の温度となるまで冷却した。さらに、腹部１２の表面温度が所定の温度となった後、頭頂面冷却ヘッダ２０、頭側面冷却ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏面冷却ヘッダ２２から冷却媒体として空気を噴射することで頭部１１および足部１３を強制冷却した。頭部１１および足部１３の冷却速度等の強制冷却の条件は、実施例１と同じである。実施例３では、頭部１１および足部１３を冷却する際、腹部１２の冷却を停止した場合と、継続した場合とで、それぞれ冷却を行った。なお、腹部１２の冷却を継続した場合、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂの冷却能が頭頂面冷却ヘッダ２０の半分の冷却能（腹部１２の冷却速度が１．５℃／秒）となるように、腹側面冷却ヘッダ３１ａ，３１ｂの冷却条件を調整した。冷却後、実施例１と同様に、残留応力の測定を行った。
また、実施例３に対する比較として、頭部１１および足部１３の矯正冷却をする前に、腹部１２の冷却をしない条件でレール１を冷却した（比較例３）。比較例３では、腹部１２の事前の冷却有無以外の条件は、実施例３と同じとした。

表２に、腹冷却の条件、強制冷却開始時の腹部・頭頂部の温度および頭頂部での残留応力の測定結果を示す。表２における強制冷却開始時の腹部・頭頂部の温度は、計算により求めた値である。実施例３では、強制冷却開始時の腹部１２の温度、および強制冷却中の腹部１２の冷却有無の条件を変えた、実施例３−１〜３−６の６条件でレール１を冷却した。また、比較例３では、強制冷却中の腹部１２の冷却有無の条件を変えた、比較例３−１〜３−２の２条件で冷却した。なお、表２に示すように、実施例３−１〜３−６のレール１は問題なく鋸切断可能であったが、比較例３−１〜３−２では頭部１１切断中に鋸歯が噛んで切断不能となったため、レーザーにより切断した。

表２に示すように、実施例３−１〜３−６では、腹部１２の事前冷却をしなかった比較例３−１〜３−２に比べて大幅に残留応力を低減できることを確認できた。また、実施例３−１〜３−６では、腹部冷却装置３での冷却量を大きくすることで、特許文献１に記載の方法と同等の小さい残留応力となることが確認できた。
以上のように、実施例１〜実施例３の結果から、本発明に係るレール１の冷却方法および冷却設備によれば、冷却後の矯正に依らず、レール内部の残留応力を低減できた。

１ ：レール
１１ ：頭部
１１ａ ：頭頂面
１１ｂ，１１ｃ ：頭側面
１２ ：腹部
１２ａ，１２ｂ ：腹側面
１３ ：足部
１３ａ ：足裏面
２ ：強制冷却装置
２０ ：頭頂面冷却ヘッダ
２１ａ，２１ｂ ：頭側面冷却ヘッダ
２２ ：足裏面冷却ヘッダ
２０１，２１１ａ，２１１ｂ，２２１ ：多孔板ノズル
２３ａ，２３ｂ ：拘束支持部
３ ：腹部冷却装置
３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ ：腹側面冷却ヘッダ
３０１ａ，３０１ｂ，３１１ａ，３１１ｂ ：多孔板ノズル
３２１ａ，３２１ｂ ：スプレーノズル
４ ：搬送ロール
５ａ，５ｂ ：ガイドロール

Claims (4)

1. 頭部、腹部および足部を有し、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいは頭部、腹部および足部を有し、オーステナイト域温度以上に加熱されたレールを強制冷却する際に、
   前記レールの少なくとも頭部を冷却する強制冷却装置よりも該レールの搬送方向上流側にて、横転した姿勢となっている前記レールを搬送中に、該レールの腹側面に限って冷却媒体を噴射して該レールの腹部を冷却し、その後に、前記強制冷却装置にて前記レールの少なくとも頭部を冷却することを特徴とするレールの冷却方法。
2. 前記搬送中に、前記横転した姿勢となっている前記レールの、前記搬送方向に直交する水平方向の、前記レールの両端側に設けられたガイドロールで前記レールを押さえることにより、前記水平方向の前記レールの位置を調整する請求項１に記載のレールの冷却方法。
3. 頭部、腹部および足部を有し、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール、あるいは頭部、腹部および足部を有し、オーステナイト域温度以上に加熱されたレールの少なくとも頭部を冷却する強制冷却装置と、横転した姿勢となっている前記レールの腹側面に限って冷却媒体を噴射して該レールの腹部を冷却する腹部冷却装置とを有し、
   前記腹部冷却装置は、前記強制冷却装置よりも前記レールの搬送方向上流の搬送テーブルに設けられることを特徴とするレールの冷却設備。
4. 前記腹部冷却装置は、前記搬送方向に直交する水平方向の前記レールの両端側に、前記レールの位置を調整するガイドロールを有する請求項３に記載のレールの冷却設備。

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