JP6194933B2 - レールの冷却方法および熱処理装置 - 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装置に関する。

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、レールの足先部がクランプで拘束され、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。ここで、熱処理装置には単一ヘッダまたは複数のヘッダが設けられ、ヘッダから噴射される冷却媒体によってレールが強制冷却される。この際、レール頭部の上面（以下では、「頭頂面」とも称する。）端部は、曲面であり、多方面から冷却媒体が噴射される。このため、頭頂面端部における冷却媒体の流れが複雑になることから、頭頂面端部における冷却の制御が困難となる。また、頭頂面端部は、多方面から冷却されるため、頭頂面中央部や頭側面と比較して冷却速度が一般的に高くなる。

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、鋼種によっては冷却速度を過度に上げることによりマルテンサイトやベイナイトといったパーライト以外の靱性が著しく低い組織（以下では、「異常組織」とも称する。）に相変態してしまう場合がある。レールの品質としては、硬度および靱性に優れる必要があることから、この両方の特性の向上を両立させることが求められる。このため、レールにおける熱処理では、高い冷却速度を精度良く制御する必要がある。しかし、レールの頭部を冷却する場合、頭頂面端部と頭頂面中央部とでは、冷却速度が均一になりにくいことから、頭頂面の幅方向において硬度や靱性にばらつきが生じることがあった。このため、レールの頭頂面を幅方向に均一な冷却速度で冷却する技術が求められている。

例えば、特許文献１には、レールの頭頂面を幅方向に均一に冷却する方法として、頭頂面端部を誘導加熱装置によって加熱させつつ、冷却媒体による熱処理を行う方法が開示されている。
また、特許文献２には、レールのゲージコーナー部（頭頂面端部）の過冷却を防止することを目的として、頭頂面冷却用ヘッダと頭側面冷却用ヘッダによりレールを冷却するに当たり、ゲージコーナー部に冷却媒体を当てないようにする方法が開示されている。
さらに、特許文献３には、頭頂面冷却用ヘッダおよび頭側面冷却用ヘッダのレールよりの距離を制御することにより、頭頂部中央とゲージコーナー部を所望の硬度にできる方法が開示されている。

特開昭５７−１３７４２５号公報 特公平０２−００７３７１号公報 特開昭６４−０８７７１９号公報

しかし、特許文献１に記載の方法では、設備を設けるための多額の設備投資が必要であり、さらにランニングコストも非常に高くなるため、好ましくない。
また、特許文献２に記載の方法では、レールの頭部幅が異なる形状を熱処理する場合、ゲージコーナー部に冷却媒体を直接当てないようにするため、頭部幅に合わせて、天板の交換、または天板をヘッダに溶接している場合においてはヘッダの交換が必要となり、作業効率の低下を招くことから、好ましくない。
さらに、特許文献３に記載の方法では、頭頂面の幅方向の均一性は保たれる一方、頭側面の冷却が弱まるため、内部の冷却が弱くなり、硬度が低下するため、好ましくない。

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、投資コストやランニングコストを抑制しながらも、レールの頭頂面中央部と頭頂面端部との冷却速度を均一にすることができる、レールの冷却方法および熱処理装置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、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の少なくとも頭部に冷却媒体を噴射することで、レールを強制冷却する際に、レールの頭頂面および頭側面の少なくとも一方について、レールの長手方向に垂直な方向に冷却媒体の噴射量を分布させ、頭頂面について噴射量を分布させる場合には、頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面全体に噴射し、頭側面について噴射量を分布させる場合には、頭側面の上部に比べ下部の噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面の幅方向端部および頭側面に噴射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熱処理装置は、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の少なくとも頭部に冷却媒体を噴射することでレールを強制冷却する冷却手段を備え、冷却手段は、レールの頭頂面および頭側面の少なくとも一方について、レールの長手方向に垂直な方向に冷却媒体の噴射量が分布し、頭頂面について噴射量が分布する場合には、頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面全体に噴射し、頭側面について噴射量が分布する場合には、頭側面の上部に比べ下部の噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面の幅方向端部および頭側面に噴射す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熱処理装置によれば、投資コストやランニングコストを抑制しながらも、レールの頭頂面中央部と頭頂面端部との冷却速度を均一にすることができる。

本発明の一実施形態に係る熱処理装置を示す模式図である。 熱処理装置の一部を示す側面図である。 レールの各部位を示す断面図である。 頭頂多孔板ノズルを示す平面図である。 頭側多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＡ１の頭頂多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＡ２の頭頂多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＡ３の頭頂多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＡ４の頭頂多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＡ５の頭頂多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＢ１の頭側多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＢ２の頭側多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＢ３の頭側多孔板ノズルを示す平面図である。 モデルＢ４の頭側多孔板ノズルを示す平面図である。

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。
＜熱処理装置の構成＞
はじめに、図１〜図５を参照して本発明の一実施形態における熱処理装置２について説明する。熱処理装置２は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、またはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１を強制冷却する装置であり、熱間圧延ラインの下流側、またはレールを加熱する加熱装置の下流側に連続して設けられる。図１および図２に示すように、レール１は、長手方向がｘ−ｙ平面に垂直なｚ軸方向に平行になるように配される。

図１および図２に示すように、熱処理装置２は、頭頂ヘッダ２０と、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂと、足裏ヘッダ２２と、支持拘束部２３ａ，２３ｂと、第１温度計２４ａと、第２温度計２４ｂと、制御部２５とを有する。ここで、図２および図３に示すように、レール１は、頭部１１と、腹部１２と、足部１３とからなり、頭部１１がｙ軸正方向側である上方および足部１３がｙ軸負方向側である下方に配された状態で熱処理装置２に搬入される。また、図３に示すように、頭部１１の表面は、頭頂面中央部１１ａ、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃ、頭側面１１ｄ，１１ｅ、および顎下部１１ｆ，１１ｇからなる。足部１３は、ｙ軸負方向側の端部に足裏面１３ａを有する。なお、以下の説明では、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃで示される領域を頭頂面という。

熱処理装置２は、ｚ軸方向に延在して設けられ、レール１の長さに応じて、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ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、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ２２および支持拘束部２３ａ，２３ｂが複数設けられる場合、複数の頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、足裏ヘッダ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。
頭頂ヘッダ２０は、頭頂多孔板ノズル２０１を有し、頭頂多孔板ノズル２０１からレール１の頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃのｘ軸方向全長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、頭頂ヘッダ２０は、頭頂多孔板ノズル２０１がレール１の頭頂面中央部１１ａに対向して配される。

頭頂多孔板ノズル２０１は、図４に示すように、ｘ−ｚ平面視で矩形状の部材であり、冷却媒体が噴射される円形のノズル孔２０２が複数設けられる。ノズル孔２０２は、ｚ軸方向に所定間隔だけ離隔して列を形成する。このノズル孔２０２の列は、ｘ軸方向に複数列（例えば、７列）設けられる。また、隣り合う列のノズル孔２０２同士は、ノズル孔２０２が離隔した間隔の１／２の距離だけｚ軸方向にずれて配される（千鳥配置）。本実施形態の頭頂多孔板ノズル２０１は、ｘ軸方向の中央３列に設けられた第１ノズル孔２０２ａと、第１ノズル孔２０２ａよりもｘ軸方向両端側の２列にそれぞれ設けられた第２ノズル孔２０２ｂとの２種類のノズル孔２０２を有する。第２ノズル孔２０２ｂは、第１ノズル孔２０２ａよりも直径が小さく形成されるため、開口面積が小さくなる。本実施形態では、第２ノズル孔２０２ｂの直径は、第１ノズル孔２０２ａの直径よりも小さくなればよいが、より好ましくは、第１ノズル孔２０２ａの直径の２０％以上８０％以下とすることが望ましい。なお、図４に示した例では、ｘ軸方向最中央の第１ノズル孔２０２ａの列からｘ軸方向最端の第２ノズル孔２０２ｂの列までの距離ｄ_１は、頭頂面中央部１１ａの中央から頭側面１１ｄ，１１ｅまでのｘ軸方向の長さ程度に形成され、例えば４５ｍｍに形成される。

上記のようにｘ軸方向中央に設けられた第１ノズル孔２０２ａは、ｘ軸方向端部に設けられた第２ノズル孔２０２ｂよりも大きな開口面積を有する。このため、頭頂ヘッダ２０は、ｘ軸方向であるレール１の頭頂面の幅方向において、幅方向端部よりも幅方向中央の噴射量が大きくなるように分布をもって、レール１に冷却媒体を噴射する。
頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂ（２１１）をそれぞれ有し、頭側多孔板ノズル２１１からレール１の頭側面１１ｄ，１１ｅおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃのｙ軸方向全長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。また、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、必要に応じて顎下部１１ｆ，１１ｇおよび腹部１２のｘ軸方向両端面をそれぞれ冷却する。冷却媒体には、頭頂ヘッダ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。頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂは、頭側多孔板ノズル２１１ａ，２１１ｂがレール１の頭側面１１ｄ，１１ｅにそれぞれ対向して配される。

頭側多孔板ノズル２１１は、図５に示すように、ｙ−ｚ平面視で矩形状の部材であり、冷却媒体が噴射される円形のノズル孔２１２が複数設けられる。ノズル孔２１２は、ｚ軸方向に所定間隔だけ離隔して列を形成する。このノズル孔２１２の列は、ｙ軸方向に単数または複数列（例えば、５列）設けられる。また、隣り合う列のノズル孔２１２同士は、ノズル孔２１２が離隔した間隔の１／２の距離だけｚ軸方向にずれて配される（千鳥配置）。本実施形態の頭側多孔板ノズル２１１は、ｙ軸負方向側に設けられた単数または複数列（例えば、３列）の第１ノズル孔２１２ａと、ｙ軸正方向側に設けられた単数または複数列（例えば、２列）の第２ノズル孔２１２ｂとの２種類のノズル孔２１２ａ，２１２ｂを有する。第２ノズル孔２１２ｂは、第１ノズル孔２１２ａよりも直径が小さく形成されるため、開口面積が小さくなる。本実施形態では、第２ノズル孔２１２ｂの直径は、第１ノズル孔２１２ａの直径よりも小さくなればよいが、より好ましくは、第１ノズル孔２１２ａの直径の２０％以上８０％以下とすることが望ましい。なお、図５に示した例では、ｙ軸正方向側最端の第２ノズル孔２１２ｂの列からｙ軸負方向側最端の第１ノズル孔２１２ａの列までの距離ｄ_２は、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃから頭側面１１ｄ，１１ｅまでのｙ軸方向の長さ程度に形成され、例えば３０ｍｍに形成される。

上記のようにｙ軸負方向側に設けられた第１ノズル孔２１２ａは、ｙ軸正方向側に設けられた第２ノズル孔２１２ｂよりも大きな開口面積を有する。このため、頭側ヘッダ２１は、ｙ軸方向であるレール１の頭部１１の上下方向に対して、下部の噴射量が大きくなるように分布をもって、冷却媒体をレール１に噴射する。
足裏ヘッダ２２は、足裏多孔板ノズル２２１を有し、足裏多孔板ノズル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。足裏ヘッダ２２は、足裏多孔板ノズル２２１がレール１の足裏面１３ａに対向して配される。

足裏多孔板ノズル２２１は、冷却媒体を噴射する複数のノズル孔が設けられた部材である。足裏多孔板ノズル２２１は、頭頂多孔板ノズル２０１や頭側多孔板ノズル２１１と異なり、同じ直径の円形のノズル孔が、ｘ−ｚ平面において略均等な位置に設けられる。
また、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２は、流調弁が設けられた不図示の搬送管を介して冷却媒体供給装置に接続される。冷却媒体は、後述する制御部２６の指示に基づいて流調弁が調整されることで、噴射量が調整される。

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。
第１温度計２４ａは、放射温度計等の非接触型の温度計であり、頭頂面中央部１１ａの少なくとも一か所の表面温度を測定する。第１温度計２４ａは、頭頂面中央部１１ａの表面温度の測定結果を制御部２５へ送信する。

第２温度計２４ｂは、第１温度計２４ａと同様に非接触型の温度計であり、いずれか一方の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの少なくとも一か所の表面温度を測定する。第２温度計２４ｂは、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの表面温度の測定結果を制御部２５へ送信する。
制御部２５は、第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂの測定結果に基づいて、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂ、および足裏ヘッダ２２にそれぞれ接続された搬送管の流調弁を制御し、冷却媒体の噴射量を調整することで、レール１の冷却速度を調整する。

また、熱処理装置２は、不図示のオシレーション機構を有する。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、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２に対してレール１が往復移動する。

＜レールの冷却方法＞
次に、本発明の一実施形態に係るレール１の冷却方法を用いたレール１の製造方法について説明する。本発明の一実施形態に係るレール１の製造方法では、まず、熱間圧延されたレール１、または加熱されたレール１が熱処理装置２に搬送される。熱間圧延されたレール１を用いる際には、予め鋼素材が加熱炉等で所定の温度まで加熱された後に、熱間圧延されることでレール１の形状に圧延加工される。一方、加熱されたレール１を用いる際には、予め、加熱炉や加熱装置等を用いてレール１が所定の温度まで加熱される。なお、所定の温度は、上記いずれの場合においても、頭部１１の表面温度が、熱処理装置２２による強制冷却の開始時において、オーステナイト域温度以上となる温度である。

レール１を熱処理装置２に搬送した後、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、熱処理装置２に支持・拘束される。
次いで、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ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。

また、レール１は、少なくとも頭頂面の表層組織がパーライト組織となる温度履歴で強制冷却される。この際、制御部２５は、少なくとも頭部１１の表層組織がパーライト組織となるように、流調弁を制御し、レール１の冷却速度および強制冷却時間を調整することで温度履歴を調整する。具体的には、制御部２５は、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから予め設定された噴射量で冷却媒体を噴射させ、さらに第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂの測定結果から、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度を算出する。次いで、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度が目標とする冷却速度となるように頭頂ヘッダ２０から噴射される冷却媒体の噴射量を調整する。なお、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体の噴射量は、頭部１１内部の硬度が必要とする硬度となる冷却速度に基づいて設定される。なお、パーライト組織となる温度履歴の一例として、例えば、レール１の頭頂面端部１１ｂ，１１ｃは、強制冷却を開始時の頭頂面の表面温度が９００℃である場合、３℃／秒の平均冷却速度で、１８０秒間強制冷却される。

また、制御部２５は、足裏ヘッダ２２における冷却媒体の噴射量、噴射圧等の噴射条件が、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの噴射条件と同じになるように、足裏ヘッダ２２に接続された流調弁を制御する。また、足裏ヘッダ２２の噴射距離は、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの噴射距離と同じとしてもよいし、目標の冷却速度に応じて変化させてもよい。
レール１を強制冷却した後、レール１は、支持拘束部２３ａ，２３ｂによる足部１３の拘束が解除され、次工程となる冷却床へと搬送される。
次いで、レール１は、冷却床にて自然放冷またはファンによる冷却によって、正立状態または倒立状態で２００℃以下、好ましく１５０℃以下まで冷却される。

ここで、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃには、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体が直接あたる。このため、頭頂面および頭側面１１ｄ，１１ｅに対して、分布を持たせずに均一な噴射量で冷却媒体を噴射する場合、頭頂面中央部１１ａに比べて頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度が高くなる。しかし、本実施形態では、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃに対して頭頂面中央部１１ａの噴射量が大きくなるように分布を持たせた頭頂ヘッダ２０、および頭側面１１ｄ，１１ｅの上部に対して下部の噴射量が大きくなるように分布を持たせた頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂを用いることで、頭頂面をｘ軸方向に均一な冷却速度で冷却することができる。

＜変形例＞
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態では、熱処理装置２は、熱間圧延ラインの下流側、またはレールを加熱する加熱装置の下流側に連続して設けられるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。熱処理装置２は、熱間圧延ラインまたは加熱装置から独立して設けられてもよい。
また、上記実施形態では、熱処理装置２は、レール１の腹部１２を冷却するための腹部ヘッダを有してもよい。腹部ヘッダは、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２と同様に、多孔板ノズルが一端に設けられ、多孔板ノズルから冷却媒体を噴射することで腹部１２を冷却する。腹部ヘッダは、多孔板ノズルがレール１の腹部１２に対向して配される。

さらに、上記実施形態では、熱処理装置２は、レール１の頭部１１を冷却する冷却手段として、頭頂ヘッダ２０と、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂとを有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、熱処理装置２は、頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂに替わる冷却手段として、レール１の長手方向に垂直なｘ−ｙ平面視において、頭部１１を覆って形成された頭部ヘッダを有してもよい。頭部ヘッダは、ｘ−ｙ平面視において頭部１１を覆う略アーチ状の多孔板ノズルを有し、この多孔板ノズルから冷却媒体を噴射することで頭部１１を冷却する。頭部ヘッダの多孔板ノズルは、頭頂面および頭側面に対して冷却媒体が噴射される複数のノズル孔を有する。この複数のノズル孔は、複数の直径の孔からなり、頭頂多孔板ノズル２０１または頭側多孔板ノズル２１１のように冷却媒体の噴射量が頭頂面あるいは頭側面１１ｄ，１１ｅに対して分布を持つように配される。

さらに、上記実施形態では、熱処理装置２は、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１が頭頂面または頭側面１１ｄ，１１ｅに対して冷却媒体の噴射量に分布を持つようにノズル孔２０２，２１２が形成されるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、頭頂多孔板ノズル２０１または頭側多孔板ノズル２１１のいずれか一方のみが、頭頂面または頭側面１１ｄ，１１ｅに対して冷却媒体の噴射量に分布を持つようにノズル孔２０２，２１２が形成されてもよい。
さらに、上記実施形態では、ｘ軸方向またはｙ軸方向に隣接するノズル孔２０２，２１２の列同士は、ｚ軸方向にずれて千鳥配置にそれぞれ配されるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ｘ軸方向またはｙ軸方向に隣接するノズル孔２０２，２１２の列同士は、隣接する列のノズル孔２０２，２１２同士がｘ軸方向またはｙ軸方向に並んでそれぞれ配されてもよい。

さらに、上記実施形態では、頭頂多孔板ノズル２０１は、ｘ軸方向の中央側に第１ノズル孔２０２ａと、ｘ軸方向の端側に第１ノズル孔２０２ａよりも直径の小さな第２ノズル孔２０２ｂとを有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。頭頂多孔板ノズル２０１は、ｘ軸方向の中央部に比べて端側の冷却媒体の噴射量が小さくなればよい。例えば、頭頂多孔板ノズル２０１は、３種類以上の直径からなるノズル孔２０２を有してもよい。また、頭頂多孔板ノズル２０１は、ｘ軸方向の端側に比べて中央側のノズル孔２０２の数が多くなるように、１種類または複数種の直径からなるノズル孔２０２が配されてもよい。

さらに、上記実施形態では、頭側多孔板ノズル２１１は、ｙ軸負方向側に第１ノズル孔２１２ａと、ｙ軸正方向の端側に第１ノズル孔２１２ａよりも直径の小さな第２ノズル孔２１２ｂを有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。頭側多孔板ノズル２１１は、ｙ軸負方向側に比べてｙ軸正方向側の冷却媒体の噴射量が小さくなればよい。例えば、頭側多孔板ノズル２１１は、３種類以上の直径からなるノズル孔２１２を有してもよい。また、頭側多孔板ノズル２１１は、ｙ軸正方向側に比べてｙ軸負方向側のノズル孔２１２の数が多くなるように、１種類または複数種の直径からなるノズル孔２１２が配されてもよい。
さらに、上記実施形態では、ノズル孔２０２，２１２は、円形の形状を有するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、ノズル孔２０２，２１２は、楕円や多角形等の形状を有してもよい。なお、ノズル孔２０２，２１２の形状を円形とすることで、他の形状よりも加工が容易となる。

さらに、上記実施形態では、制御部２５は、第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂの測温結果に基づいて冷却速度を制御するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、制御部２５は、予め得られた冷却媒体の噴射量と冷却速度との実績に基づいて、目標とする冷却速度となるように冷却媒体の噴射量を調整してもよい。この際、熱処理装置２には、第１温度計２４ａおよび第２温度計２４ｂが設けられなくてもよい。
さらに、上記実施形態では、制御部２５は、搬送管の流調弁を調整することで冷却速度を調整するとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、制御部２５は、冷却媒体供給装置を制御し、冷却媒体の噴射圧力や冷却媒体の水分量等を調整することで、冷却速度を調整してもよい。

さらに、上記実施形態では、頭側多孔板ノズル２１１の距離ｄ_２は、頭頂面端部１１ｂ，１１ｃから頭側面１１ｄ，１１ｅまでのｙ軸方向の長さ程度に形成されるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、距離ｄ_２は、頭頂面短部１１ｂ，１１ｃから腹部１２の下部までの長さ程度に形成されてもよい。この際、レール１は、頭側多孔板ノズル２１１から噴射される冷却媒体によって、頭側面１１ｄ，１１ｅに加え、顎下部１１ｆ，１１ｇおよび腹部１２が冷却される。なお、顎下部１１ｆ，１１ｇおよび腹部１２に対する冷却媒体の噴射量については、特に分布を持たせなくてもよい。例えば、頭側多孔板ノズル２１１は、距離ｄ_２が１６０ｍｍであってもよい。

さらに、上記実施形態では、オシレーション機構が支持拘束部２３ａ，２３ｂ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。オシレーション機構は、レール１に対する冷却媒体の噴射位置が相対的に移動すればよく、例えば、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２からなる冷却手段にオシレーション機構が設けられてもよい。このように、熱処理装置２にオシレーション機構を設けることで、レール１を長手方向に均一に冷却することができる。しかし、ノズル孔２０２，２１２の配置から、レール１を長手方向に十分に均一に冷却できるようであれば、オシレーション機構が設けられなくてもよい。

＜実施形態の効果＞
（１）本発明の実施形態に係るレールの冷却方法は、熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１の少なくとも頭部１１に冷却媒体を噴射することで、レール１を強制冷却する際に、レール１の頭頂面および頭側面１１ｄ，１１ｅの少なくとも一方について、レール１の長手方向に垂直な方向に冷却媒体の噴射量を分布させ、頭頂面について噴射量を分布させる場合には、頭頂面の幅方向端部１１ｂ，１１ｃに比べ幅方向中央部１１ａの噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面全体に噴射し、頭側面１１ｄ，１１ｅについて噴射量を分布させる場合には、頭側面１１ｄ，１１ｅの上部に比べ下部の噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面の幅方向端部（頭頂面端部１１ｂ，１１ｃ）および頭側面１１ｄ，１１ｅに噴射する。

ここで、レール１の硬度を向上させる場合には、レール１の表層組織を１００％パーライト変態させることが好ましい。しかし、レール１に含有される成分によっては、パーライト変態の開始および進行が遅くなる効果を及ぼす元素がある。また、成分によっては、ベイナイト変態の開始および進行が遅くなる効果を及ぼす元素がある。このため、同じ冷却条件においても成分系によっては、ベイナイト変態しやすくなり、レール１の硬度が低下してしまう場合がある。例えば、Ｍｎ（マンガン）含有量が多いレール１の場合、ベイナイト変態開始温度が高くなるため、ベイナイト変態がしやすくなる。さらに、例えば、圧下率や圧延温度等の製造条件によっても、成分の影響によらず変態後組織が変化する場合が存在する。このため、成分系や製造条件によっては、冷却速度が過度に速い場合、変態開始前を含むパーライト変態が完了する前にベイナイト変態又はマルテンサイト変態開始温度まで低下することがある。ベイナイト組織やマルテンサイト組織は、パーライト組織に比べて硬度または靱性に劣る。

本発明の上記（１）の構成によれば、頭頂面の幅方向において頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にすることができる。このため、成分系や製造条件によらず、頭頂面の表層組織を均一な１００％パーライト組織とすることができ、頭頂面の幅方向の硬度および靱性を均一にすることができる。また、上記構成によれば、冷却媒体の噴射量を分布させるだけで冷却速度を均一にすることができるため、例えば特許文献１に比べ、加熱装置等の設備を設ける必要がないため、熱処理装置２に掛かる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。

また、上記（１）の構成によれば、頭頂面について噴射量を分布させる場合には、冷却媒体は頭頂面全体に分布をもって噴射されればよい。このため、異なる幅の複数種のレール１を製造する場合においても、最大幅に合わせて頭頂２０の幅を設定し、各幅において分布が存在するようにノズル孔２０２を設けることで、様々な幅のレール１に対応させることができる。このため、特許文献２のように頭頂面端部に冷却媒体を当てないようにする冷却方法に比べ、ヘッダや天板の交換頻度が低減することから、作業効率や生産性を向上させることができる。

さらに、特許文献３では、頭頂面中央部１１ａと頭側面１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にするために頭側面１１ｄ，１１ｅの冷却速度を低下させる必要があり、内部の硬度が低下することが問題であった。これに対して、上記（１）の構成によれば、頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃと冷却速度を均一にしながら、頭側面１１ｄ，１１ｅの冷却速度を調整することもできるため、内部の硬度を低下させることなく頭頂面の幅方向の硬度および靱性を均一にすることができる。

（２）レール１を強制冷却する際に、頭頂面に対向して配される頭頂ヘッダ２０に設けられた複数のノズル孔２０２から冷却媒体を噴射し、頭頂ヘッダ２０の複数のノズル孔２０２を、頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の面積が大きくなるように形成する。
（３）頭頂ヘッダ２０の複数のノズル孔２０２は、円形であり、幅方向最端部のノズル孔２０２の直径が幅方向中央部のノズル孔２０２の直径の２０％以上８０％以下の大きさである。

（４）レール１を強制冷却する際に、頭側面１１ｄ，１１ｅに対向して配される頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂに設けられた複数のノズル孔２１２から冷却媒体を噴射し、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの複数のノズル孔２１２を、頭頂面の上部に比べ下部の面積が大きくなるように形成する。
（５）頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂの複数のノズル孔２１２は、円形であり、最上部のノズル孔２１２の直径が最下部のノズル孔２１２の直径の２０％以上８０％以下の大きさである。

上記（２）および（４）の構成によれば、例えば頭頂ヘッダ２０および頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂを有する既設の熱処理装置に対しても、ノズル孔２０２，２１２の形状や配置を変えるだけで適用することができる。このため、レール１の頭頂面の冷却速度を均一するための投資コストを抑制することできる。
また、上記（３）および（５）の構成によればノズル孔２０２，２１２を円形以外の形状とする場合に比べ、加工が容易になる。

（６）熱間圧延されたオーステナイト域温度以上のレール１、あるいはオーステナイト域温度以上に加熱されたレール１の少なくとも頭部１１に冷却媒体を噴射することでレール１を強制冷却する冷却手段２０，２１ａ，２１ｂを備え、冷却手段２０，２１ａ，２１ｂは、レール１の頭頂面および頭側面１１ｄ，１１ｅの少なくとも一方について、レール１の長手方向に垂直な方向に冷却媒体の噴射量が分布し、頭頂面について噴射量が分布する場合には、頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面全体に噴射し、頭側面１１ｄ，１１ｅについて噴射量が分布する場合には、頭側面１１ｄ，１１ｅの上部に比べ下部の噴射量が大きくなるように分布させて冷却媒体を頭頂面の幅方向端部（頭頂面端部１１ｂ，１１ｃ）および頭側面１１ｄ，１１ｅに噴射する。
上記構成によれば、（１）と同様な効果を得ることができる。

次に、本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、まず、９００℃で熱間圧延終了した長さ５０ｍのレール１を、図１および図２に示す熱処理装置２に搬入した。実施例１では、レール１の成分を、表１に示す成分Ａとした。

次いで、支持拘束部２３ａ，２３ｂでレール１の足部１３を拘束した。
その後、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１、足裏ヘッダ２２から冷却媒体を噴射し、レール１を強制冷却した。実施例１では、頭頂多孔板ノズル２０１として、図６〜図１０に示すモデルＡ１〜Ａ５の５種類の頭頂多孔板ノズル２０１Ａ〜２０１Ｅのいずれか一つを用いた。また、頭側多孔板ノズル２１１として、図１１〜図１４に示すモデルＢ１〜Ｂ４の４種類の頭側多孔板ノズル２１１Ｃ〜２１１Ｆのいずれか一つを用いた。

図６〜図１０に示すモデルＡ１〜Ａ５の頭頂多孔板ノズル２０１Ａ〜２０１Ｅは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２０２の列が、ｘ軸方向に並んで複数列設けられる。ノズル孔２０２は、円形の形状を有する。また、隣接する列同士は、各列のノズル孔２０２のｚ軸方向の位置が、距離Ｚ１［ｍｍ］ずれてそれぞれ設けられる。距離Ｚ１［ｍｍ］は、各列におけるノズル孔２０２の離隔距離の１／２となる距離である。

このうち、図６、図８および図１０に示す頭頂多孔板ノズル２０１Ａ，２０１Ｃ，２０１Ｅは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２０２の列が、ｘ軸方向に並んで９列設けられる。各列におけるｘ軸方向の距離は、中央列となるｘ軸正方向側から数えて５番目の列から３番目および７番目の列までが距離Ｘ１［ｍｍ］、５番目の列から１番目および９番目の列までが距離Ｘ２［ｍｍ］となるようにそれぞれ形成される。また、ｘ軸正方向側から数えて２番目、４番目、６番目および８番目の列は、１番目から３番目の列の中間、３番目から５番目の列の中間、５番目から７番目の列の中間、７番目から９番目の列の中間に位置するようにそれぞれ形成される。

図７、図９に示す頭頂多孔板ノズル２０１Ｂ，２０１Ｄは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２０２の列が、ｘ軸方向に並んで５列設けられる。各列におけるｘ軸方向の距離は、中央列となるｘ軸正方向側から数えて３番目の列から、１番目および５番目の列までが距離Ｘ２［ｍｍ］となるようにそれぞれ形成される。また、ｘ軸正方向側から２番目および４番目の列は、１番目から３番目の列の中間、３番目から５番目の列の中間に位置するようにそれぞれ形成される。

また、図６および図７に示す頭頂多孔板ノズル２０１Ａ，２０１Ｂは、各列における第１ノズル孔２０２ａがすべて同じ直径Ｒ１［ｍｍ］に形成される。
図８に示す頭頂多孔板ノズル２０１Ｃは、ｘ軸方向中央の５列となる、ｘ軸正方向側か数えてら３番目〜７番目の列の第１ノズル孔２０２ａが、直径Ｒ１［ｍｍ］の大きさにそれぞれ形成される。さらに、頭頂多孔板ノズル２０１Ｃは、ｘ軸正方向側から数えて１番目、２番目、８番目および９番目の列の第２ノズル孔２０２ｂが、直径Ｒ１［ｍｍ］よりも小さい直径Ｒ２［ｍｍ］の大きさにそれぞれ形成される。図９に示す頭頂多孔板ノズル２０１Ｄは、頭頂多孔板ノズル２０１Ｃと同様に、ｘ軸正方向側から数えて２番目〜４番目の列の第１ノズル孔２０２ａが直径Ｒ１［ｍｍ］、１番目および５番目の列の第２ノズル孔２０２ｂが直径Ｒ２［ｍｍ］にそれぞれ形成される。

図１０に示す頭頂多孔板ノズル２０１Ｅは、ｘ軸方向の最中央列となる、ｘ軸正方向側から数えて５列目の第１ノズル孔２０２ａが、直径Ｒ１［ｍｍ］の大きさに形成される。また、頭頂多孔板ノズル２０１Ｅは、ｘ軸正方向側から３列目、４列目、６列目および７列目の第２ノズル孔２０２ｂが、直径Ｒ１［ｍｍ］よりも小さい直径Ｒ２［ｍｍ］の大きさにそれぞれ形成される。さらに、頭頂多孔板ノズル２０１Ｅは、ｘ軸正方向側から１列目、２列目、８列目および９列目の第３ノズル孔２０２ｃが、直径Ｒ２［ｍｍ］よりもさらに小さい直径Ｒ３［ｍｍ］の大きさそれぞれに形成される。

図１１および図１２に示す頭側多孔板ノズル２１１Ｃ，２１１Ｄは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２１２の列が、ｙ軸方向に並んで５列設けられる。ノズル孔２１２は、頭頂多孔板ノズル２０１と同様に、円形の形状を有する。また、隣接するノズル孔２１２の列同士は、各列のノズル孔２１２のｚ軸方向の位置が、距離Ｚ２［ｍｍ］ずれてそれぞれ設けられる。距離Ｚ２［ｍｍ］は、各列におけるノズル孔２１２の離隔距離の１／２となる距離である。さらに、各列におけるｙ軸に平行な距離は、最上部となるｙ軸正方向側から１番目の列から、最下部となるｙ軸負方向側から５列目までが距離Ｙ１［ｍｍ］となるように形成される。

図１１〜図１４に示すモデルＢ１〜Ｂ４の頭側多孔板ノズル２１１Ｃ〜２１１Ｆは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２１２の列が、ｙ軸方向に並んで複数列設けられる。ノズル孔２０２は、円形の形状を有する。また、隣接する列同士は、各列のノズル孔２１２のｚ軸方向の位置が、距離Ｚ２［ｍｍ］ずれてそれぞれ設けられる。距離Ｚ２［ｍｍ］は、各列におけるノズル孔２１２の離隔距離の１／２となる距離である。
図１１に示す頭側多孔板ノズル２１１Ｃは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２１２の列が、ｙ軸方向に並んで５列設けられる。各列におけるｙ軸方向の距離は、ｙ軸方向側から数えて１番目の列から５番目の列までが距離Ｙ１［ｍｍ］に形成される。また、１番目の列から２番目の列、４番目の列から５番目の列までが、距離Ｙ２［ｍｍ］にそれぞれ形成される。最中央部となるｙ軸方向側から３番目の列は、１番目の列と５番目の列の中間に配される。さらに、頭側多孔板ノズル２１１Ｃは、各列における第１ノズル孔２１２ａがすべて同じ直径Ｒ４に形成される。

図１２に示す頭側多孔板ノズル２１１Ｄは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２１２の列が、ｙ軸方向に並んで３列設けられる。各列におけるｙ軸方向の距離は、ｙ軸方向側から数えて１番目の列から３番目の列までが距離Ｙ１［ｍｍ］に形成される。また、１番目の列から２番目の列までが、距離Ｙ２［ｍｍ］に形成される。さらに、頭側多孔板ノズル２１１Ｄは、頭側多孔板ノズル２１１Ｃと同様に、各列における第１ノズル孔２１２ａがすべて同じ直径Ｒ４に形成される。

図１３に示す頭側多孔板ノズル２１１Ｅは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２１２の列が、ｙ軸方向に並んで４列設けられる。各列におけるｙ軸方向の距離は、ｙ軸方向側から数えて１番目の列から４番目の列までが距離Ｙ１［ｍｍ］に形成される。また、１番目の列から２番目の列、３番目の列から４番目の列までが、距離Ｙ２［ｍｍ］にそれぞれ形成される。さらに、頭側多孔板ノズル２１１Ｅは、ｙ軸正方向側から３番目および４番目の列の第１ノズル孔２１２ａが直径Ｒ４［ｍｍ］、１番目および２番目の列の第２ノズル孔２１２ｂが直径Ｒ４［ｍｍ］よりも小さい直径Ｒ５［ｍｍ］の大きさにそれぞれ形成される。

図１４に示す頭側多孔板ノズル２１１Ｆは、ｚ軸方向に並んだ複数のノズル孔２１２の列が、ｙ軸方向に並んで３列設けられる。各列におけるｙ軸方向の距離は、ｙ軸方向側から数えて１番目の列から３番目の列までが距離Ｙ１［ｍｍ］に形成される。また、１番目の列から２番目の列までが、距離Ｙ２［ｍｍ］に形成される。さらに、頭側多孔板ノズル２１１Ｆは、ｙ軸正方向側から３番目の列の第１ノズル孔２１２ａが直径Ｒ４［ｍｍ］、１番目および２番目の列の第２ノズル孔２１２ｂが直径Ｒ４［ｍｍ］と異なる直径Ｒ５［ｍｍ］の大きさにそれぞれ形成される。

なお、図６〜図１４に示す頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１において、ｘ軸方向またはｙ軸方向に対する列間の距離は、各列のノズル孔２０２，２１２の中心を通る直線間の各方向に対する距離をそれぞれ示す。また、ｚ軸方向に隣接するノズル孔２０２，２１２同士の距離は、ノズル孔２０２，２１２の中心間距離を示す。また、図６〜図１４に示す頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１の各列に設けられたノズル孔２０２，２１２の数は一例を示すものであり、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１のｘ軸方向およびｙ軸方向の長さに対する距離Ｙ１［ｍｍ］の大きさに応じて適宜設けられる。

図６〜図１４に示す頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１のうち、図８〜図１０にそれぞれ示すモデルＡ３〜Ａ５の頭頂多孔板ノズル２０１Ｃ〜２０１Ｅおよび図１３，図１４にそれぞれ示すモデルＢ３，Ｂ４の頭側多孔板ノズル２１１Ｅ，２１１Ｆは、ｘ軸方向またはｙ軸方向のいずれかにおいて、冷却媒体の噴射量を分布させて噴射させることができる。実施例１では、ｘ軸方向またはｙ軸方向の少なくとも一方に噴射量を分布させて冷却媒体を噴射させるため、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１として、頭頂多孔板ノズル２０１Ｃ〜２０１Ｅおよび頭側多孔板ノズル２１１Ｅ、２１１Ｆの少なくともいずれかを用いた。

強制冷却をする際、冷却媒体には、空気、ミストおよびスプレー水のいずれかを用いた。さらに、制御部２５は、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒となるように、頭頂ヘッダ２０から噴射される冷却媒体の噴射量を調整した。このとき、足裏ヘッダ２２から噴射される冷却媒体の噴射の条件は、頭側ヘッダと同じとした。なお、実施例１では、冷却媒体の噴射によるレール１の強制冷却を１８０秒間行った。
強制冷却をした後、頭頂ヘッダ２０、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂおよび足裏ヘッダ２２からの冷却媒体の噴射を停止し、支持拘束部２３ａ，２３ｂによるレール１の拘束を解除した。その後、レール１を冷却床まで搬送し、常温となるまでレール１を冷却床にて自然放冷させた。

さらに、長手方向の長さで２ｍ毎にレール１から硬度試験サンプルを切断・採取し、サンプルを研磨し、ビッカーズ硬さ試験にて硬度を測定した。実施例１では、頭頂面中央部位置、頭頂面端部位置および頭部２５ｍｍ深さ位置の計３か所についてそれぞれ硬度を測定した。頭頂面中央部位置は、頭頂面の幅方向中央の頭頂面から１ｍｍの深さとなる位置である。頭頂面端部位置は、頭頂面の幅方向中央から端部へ３２．５ｍｍ離れ、頭頂面から１ｍｍの深さとなる位置である。頭部２５ｍｍ深さは、頭頂面の幅方向中央の頭頂面から２５ｍｍの深さとなる位置である。
また、実施例１に対する比較として、頭頂多孔板ノズル２０１にモデルＡ１，Ａ２の頭頂多孔板ノズル２０１Ａ，２０１Ｂのいずれかを用い、さらに頭側多孔板ノズル２１１にモデルＢ１，Ｂ２の頭側多孔板ノズル２１１Ｃ，２１１Ｄのいずれかを用いた条件でレール１を強制冷却した（比較例１）。比較例１についても、実施例１と同様にサンプルを採取し、硬度を測定した。

表２に実施例１および比較例１における冷却媒体の種類、オシレーションの有無、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１の種類、冷却速度の実績、および硬度の測定結果についてそれぞれ示す。実施例１では、本発明に係る冷却方法を適用した条件として実施例１−１〜１−１９に示す１７条件、本発明に係る冷却方法を適用しない条件として比較例１−１〜１−１１に示す１１条件について確認した。また、表２における硬度の値は、２ｍ毎に採取したサンプルの平均値を示す。

比較例１−１では、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒となるように、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂから噴射される冷却媒体の噴射量を比較例１−２〜１−１１および実施例１−１〜１−１９に比べ低減させた。また、比較例１−２では、頭頂面中央部１１ａおよび頭頂面端部１１ｂ，１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒となるように、特許文献３の方法に従い、頭側ヘッダ２１ａ，２１ｂとレール１との間の距離を調整し、比較例１−１，１−３〜１−１１および実施例１−１〜１−１９に比べ離した。
比較例１−１〜１−１１における、上記以外の条件については、実施例と同じとした。

表２に示すように、比較例１−３〜１−１１では、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が３．０℃／秒であるのに対して、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が１．８℃／秒以下となり、頭頂面において１．２℃／秒以上の冷却速度の差が生じた。一方、実施例１−１〜１−１９では、頭頂面端部１１ｃに対する頭頂面中央部１１ａの冷却速度の差が１．０秒以下となり、比較例１−３〜１−１１に比べ頭頂面を幅方向に均一に冷却できることを確認した。

また、比較例１−３〜１−１１では、頭頂面での冷却速度が不均一であることから、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度にＨＶ２０〜ＨＶ２７の差が生じ、頭頂面の表層位置における幅方向の硬度が不均一になった。一方、実施例１−１〜１−１９では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度の差がＨＶ１６以下となり、比較例１−２〜１−１１に比べ表層位置における硬度が均一になることを確認した。なお、実施例１−１〜１−１９では、冷却媒体の種類、オシレーションの有無、頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１の適用条件によらず、すべての条件において上記の効果が得られた。

さらに、頭頂面の幅方向の冷却速度を均一にした比較例１−１，１−２では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置とにおける硬度の差がＨＶ１と均一にすることができた。しかし、頭部２５ｍｍ深さ位置における硬度がＨＶ３６２と最も低くなり、頭部１１全体として十分な硬度が得られなかった。一方、実施例１−１〜１−１９では、頭側面１１ｄ，１１ｅ側の噴射量を低減させて頭頂面の冷却速度を均一にした場合に比べ、頭部１１の内部の硬度が向上することを確認した。

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、レール１の成分による影響を調査するため、成分を変更した複数のレール１について、実施例１と同様の条件で圧延および冷却を行った。また、実施例２では、実施例１と同様に、各条件で製造したレール１からサンプルを切断・採取し、硬度を測定した。サンプルの採取方法および硬度の測定位置・測定方法は、実施例１と同様である。さらに、実施例２では、頭頂面端部１１ｃの表面組織を観察した。

表３は、実施例２における成分条件、冷却速度、硬度の測定結果、表面組織の観察結果を示す。表３における硬度の値は、表２と同様に、２ｍ毎に採取したサンプルの平均値を示す。実施例２−１〜２−３では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、実施例１における実施例１−１８と同じ条件でレール１を製造した。表１に示すように、条件Ｂでは、条件Ａに対してＭｎの含有量を増加させた。また、条件Ｃでは、条件Ｂに対してＣ（炭素）の含有量を増加させた。

また、実施例２では、実施例２−１〜２−３に対する比較条件として、比較例２−１〜２−９の条件でレール１を製造し、硬度を測定し、表面組織を観察した。比較例２−１〜２−３では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、実施例１における比較例１−１と同じ条件でレール１を製造した。比較例２−４，２−６，２−８では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、実施例１における比較例１−１で用いた頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１を用い、他の条件は比較例１−３と同じとした。比較例２−５，２−７，２−９では、レール１の成分を表１に示す条件Ａ〜条件Ｃとし、実施例１における比較例１−１で用いた頭頂多孔板ノズル２０１および頭側多孔板ノズル２１１を用いた。また、比較例２−５，２−７，２−９では、冷却速度を制御する際に、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が３．０℃／秒となるように頭頂ヘッダ２０ａから噴出される冷却媒体の噴射量を制御し、その他の条件は比較例１−３と同じとした。

実施例２−１〜２−３では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ０〜ＨＶ２となり、いずれの成分条件においても頭頂面の幅方向の硬度が均一となることを確認した。また、実施例２−１〜２−３では、いずれの成分条件においても、頭頂面端部１１ｃの表面組織が１００％パーライト組織となることを確認した。さらに、実施例２−１〜２−３では、ＣおよびＭｎの含有量を増加させるに伴い、頭頂面中央部位置、頭頂面端部位置および頭部２５ｍｍ深さ位置における硬度が徐々に増加した。

頭頂面の幅方向の冷却速度を均一にした比較例２−１〜２−３では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ１〜ＨＶ３となり、いずれの成分条件においても頭頂面の幅方向の硬度が均一となった。また、比較例２−１〜２−３では、いずれの成分条件においても、表面組織が１００％パーライトとなった。しかし、比較例２−１〜２−３では、実施例２−１〜２−３の同じ成分条件と比較した場合、いずれの条件において頭部２５ｍｍ深さ位置での硬度が低くなり、実施例２−１〜２−３の同じ成分条件との差がＨＶ１９〜２２となった。

比較例２−４，２−６，２−８では、頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｃとで１．２℃／秒の冷却速度の差が生じ、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ２２〜ＨＶ３６となった。また、比較例２−４，２−６，２−８では、いずれの成分条件においても、表面組織が１００％パーライトとなったが、実施例２−１〜２−３に比べ、頭頂面の幅方向の硬度が不均一となった。

比較例２−５，２−７，２−９では、頭頂面中央部１１ａの冷却速度が３．０℃／秒となるように冷却媒体の噴射量を制御したことで、頭頂面端部１１ｃの冷却速度が５．０℃／秒となった。また、比較例２−５では、頭頂面中央部位置と頭頂面端部位置との硬度の差がＨＶ３１となり、頭頂面の幅方向の硬度が不均一となった。比較例２−７，２−９では、他の比較例や実施例と異なり、頭頂面端部位置の硬度が頭頂面中央部位置の硬度よりも低くなり、硬度の差がＨＶ２８〜ＨＶ８６となることを確認した。また、比較例２−５の頭頂面端部１１ｃの表面組織は１００％パーライトとなり、比較例２−７，２−９の頭頂面端部１１ｃの表面組織はベイナイトとパーライトとの複合組織となった。

以上の結果から、本発明に係るレールの冷却方法および熱処理装置によれば、投資コストやランニングコストを抑制しながらも、レール１の頭頂面中央部１１ａと頭頂面端部１１ｂ，１１ｃとの冷却速度を均一にすることができることを確認できた。

１ ：レール
１１ ：頭部
１１ａ ：頭頂面中央部
１１ｂ，１１ｃ ：頭頂面端部
１１ｄ，１１ｅ ：頭側面
１１ｆ，１１ｇ ：顎下部
１２ ：腹部
１３ ：足部
１３ａ ：足裏面
２ ：熱処理装置
２０ ：頭頂ヘッダ
２０１ ：頭頂多孔板ノズル
２０２ ：ノズル孔
２０２ａ ：第１ノズル孔
２０２ｂ ：第２ノズル孔
２１ａ，２１ｂ ：頭側ヘッダ
２１１，２１１ａ，２１１ｂ ：頭側多孔板ノズル
２１２ ：ノズル孔
２１２ａ ：第１ノズル孔
２１２ｂ ：第２ノズル孔
２２ ：足裏ヘッダ
２２１ ：足裏多孔板ノズル
２３ａ，２３ｂ ：支持拘束部
２４ａ ：第１温度計
２４ｂ ：第２温度計
２５ ：制御部

Claims (4)

1. 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の少なくとも頭部に冷却媒体を噴射することで、前記レールを強制冷却する際に、
   前記レールの頭頂面および頭側面の少なくとも一方について、前記レールの長手方向に垂直な方向に前記冷却媒体の噴射量を分布させ、
   前記頭頂面に対向して配される頭頂ヘッダに設けられた複数のノズル孔から前記レールの頭頂面両端部にわたる方向全長に冷却媒体を噴射するとともに、前記頭側面に対向して配される頭側ヘッダに設けられた複数のノズル孔から前記レールの頭頂面両端部から頭側面にわたる方向全長に冷却媒体を噴射し、
   前記頭頂面について前記噴射量を分布させる場合には、前記頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の面積が大きくなるように前記頭頂ヘッダの複数のノズル孔を形成し、前記頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の前記噴射量が大きくなるように分布させて前記冷却媒体を前記頭頂面全体に噴射し、
   前記頭側面について前記噴射量を分布させる場合には、前記頭側面の上部に比べ下部の面積が大きくなるように前記頭側ヘッダの複数のノズル孔を形成し、前記頭側面の上部に比べ下部の前記噴射量が大きくなるように分布させて前記冷却媒体を前記頭頂面の幅方向端部および前記頭側面に噴射することを特徴とするレールの冷却方法。
2. 前記頭頂ヘッダの複数の前記ノズル孔は、円形であり、幅方向最端部の前記ノズル孔の直径が幅方向中央部の前記ノズル孔の直径の２０％以上８０％以下の大きさであることを特徴とする請求項１に記載のレールの冷却方法。
3. 前記頭側ヘッダの複数の前記ノズル孔は、円形であり、最上部の前記ノズル孔の直径が最下部の前記ノズル孔の直径の２０％以上８０％以下の大きさであることを特徴とする請求項１または２に記載のレールの冷却方法。
4. 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の少なくとも頭部に冷却媒体を噴射することで前記レールを強制冷却する冷却手段を備え、
   前記冷却手段は、
   前記頭頂面に対向して配される頭頂ヘッダに設けられた複数のノズル孔から前記レールの頭頂面両端部にわたる方向全長に冷却媒体を噴射するとともに、前記頭側面に対向して配される頭側ヘッダに設けられた複数のノズル孔から前記レールの頭頂面両端部から頭側面にわたる方向全長に冷却媒体を噴射し、
   前記レールの頭頂面および頭側面の少なくとも一方について、前記レールの長手方向に垂直な方向に前記冷却媒体の噴射量が分布し、
   前記頭頂面について前記噴射量が分布する場合には、前記頭頂ヘッダは、前記頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の面積が大きくなるように前記頭頂ヘッダの複数のノズル孔が形成され、前記頭頂面の幅方向端部に比べ幅方向中央部の前記噴射量が大きくなるように分布させて前記冷却媒体を前記頭頂面全体に噴射し、
   前記頭側面について前記噴射量が分布する場合には、前記頭側ヘッダは、前記頭側面の上部に比べ下部の面積が大きくなるように前記頭側ヘッダの複数のノズル孔が形成され、前記頭側面の上部に比べ下部の前記噴射量が大きくなるように分布させて前記冷却媒体を前記頭頂面の幅方向端部および前記頭側面に噴射することを特徴とするレールの熱処理装置。

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