JP6311678B2 - レールの製造方法および製造装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、800℃以下において5%以上の減面率の圧延を実施した後、オーステナイトからパーライトへの変態点に達する以前に再び750〜900℃に加熱し、その後1〜15℃/secの冷却速度で加速冷却する方法が開示されている。
そこで、本発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、高硬度かつ高延性なレールの製造方法および製造装置を提供することを目的としている。
まず、実施形態の説明に先立ち、一般的なレールの製造装置の概略を説明する。一般的なレールの製造装置では、加熱炉で再加熱された素材ビレットは、BD(ブレークダウン)圧延機で、おおよそレールの形状となるように圧延される。次いで、BD圧延機で圧延された素材ビレットは、粗圧延機・仕上げ圧延機にて、図2に示す所定のレール形状となるまで熱間圧延される。このとき、圧延後のレール長は通常100mを超える。図2に示すように、レール1は、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、足部13の下端面となる足裏面13aとを有する。
レール1の靱性や延性を向上させるには、上記の圧延をできるだけ低温で行う、いわゆる制御圧延を行うことにより、冷却によるパーライト変態の核を増やしてパーライトコロニーを微細化することが有効である。
図1〜図4を参照して、本発明の一実施形態に係るレール1の製造装置について説明する。第1実施形態に係るレール1の製造装置は、図1に示すように、加熱炉2と、熱間圧延機3と、誘導加熱装置4と、加速冷却装置5とを有する。レール1の製造装置は、レール1の搬送方向に並んで、加熱炉2、熱間圧延機3、誘導加熱装置4および加速冷却装置5が順に設けられる。
加熱炉2は、レール1の素材となるビレット等の被圧材を後述する所定の温度まで加熱する加熱装置である。
誘導加熱装置4は、図3に示すように、コア材である頭部インダクタ41と、足部インダクタ42とを有し、レール1の頭部11および足部13を所定の加熱速度で加熱する。頭部インダクタ41および足部インダクタ42には、それぞれ不図示の電源等が接続される。頭部インダクタ41は、頭部11を挟むように、頭頂面11aおよび頭側面11b,11cを覆って設けられ、頭頂面11aおよび頭側面11b,11cを加熱する。足部インダクタ42は、足部13の足裏面13aに対向して設けられ、足裏面13aを加熱する。
加速冷却装置5は、上記の図4で説明した一般的なものと同様である。
次に、本実施形態に係るレール1の製造方法について説明する。
まず、ビレット等の被圧延材は、加熱炉2にて所定の温度となるまで加熱される。加熱炉2での加熱する際の所定の温度とは、後工程となる圧延時において圧延仕上温度が、後述する温度範囲となる温度であり、目標とする圧延仕上温度、被圧延材の搬送および圧延に伴う温度降下から決定される。
以上のように、本実施形態では、制御圧延された高温のレール1を誘導加熱装置4にて休息加熱し、その後加速冷却を行うことで、高硬度かつ高延性なレール1が製造される。
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。
(1)本発明の上記実施形態に係るレール1の製造方法は、被圧延材をオーステナイト域温度以上1000℃以下の仕上がり温度で熱間圧延して、頭部、腹部および足部を有する形状のレールとし、熱間圧延されたレール1の少なくとも頭部11を誘導加熱装置4にて加熱し、加熱したレール1を加速冷却装置5にて加速冷却し、誘導加熱装置4にてレール1を加熱する際に、加速冷却装置5での加速冷却開始時に少なくともレール1の頭部11の表面温度が750℃以上となるように加熱する。
上記構成によれば、レール1の頭部11の表面および内部の硬度を向上させることができる。
上記構成によれば、硬度および延性により優れたレール1を製造することができる。
上記構成によれば、パーライト変態の広がりを頭部11の表層に留めておくことができるため、生産効率やエネルギ効率を向上させることができる。
上記構成によれば、(1)と同様な効果を得ることができる。
実施例1では、図1に示す製造装置を用いて高硬度レールの製造をおこなった。製造したレール1の形状はAREMA(American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association)規格のR136−8である。レール1の成分は、C(炭素):0.83質量%、Si(シリコン):0.52質量%、Mn(マンガン):1.11質量%、P(リン):0.015質量%、S(硫黄):0.008質量%、Al(アルミニウム):0.0005質量%、Ti(チタン):0.001質量%を含有し、残部がFe(鉄)および不可避的不純物からなる。レールの全長は100mである。
次いで、被圧延材を熱間圧延機3にて圧延し、上記形状のレール1とした。圧延仕上温度は、750℃、800℃、900℃、950℃、1000℃、1050℃および1100℃の7条件とした。
その後、再加熱したレール1を加速冷却装置にて加速冷却した。加速冷却開始時の頭部11の表面温度は、800℃とした。加速冷却開始後35秒間は、7℃/sの平均冷却速度で急冷却し、次に±1℃/sの平均冷却速度で35秒間緩冷却し、さらに7℃/sの平均冷却速度で頭部11の表面温度が400℃となるまで急冷却した。
圧延仕上温度と、引っ張り試験で測定された伸びとの関係を図6に示す。図6に示すように、圧延仕上温度が低くなるほど伸びが大きくなり、特に圧延仕上温度が1000℃以下になると伸びが大きくなりはじめ、950℃までは伸びの圧延仕上温度に対する変化量が大きくなることを確認した。さらに、本発明者らは、圧延仕上温度が750℃未満のオーステナイト域温度未満の場合についても同様の条件で試験を行ったが、一部の組織が二相域となり、圧延荷重が著しく高くなることから、圧延を行うことができなかった。実施例1では、圧延仕上温度を750℃以上1000℃以下とすることで、レール1の伸びが改善されることを確認した。
実施例2では、圧延仕上温度を875℃、再加熱前の頭部11の表面温度を700℃、頭部11表面における再加熱温度を830℃として、昇温速度をかえた複数の条件でレール1を製造した。昇温速度は、1℃/s、10℃/sおよび100℃/sとした。昇温速度が1℃/sの条件は、特許文献1のような従来技術を模擬するための条件であり、レール1の通過速度および誘導加熱出力を調整することで、通常の加熱炉並みの昇温速度での再加熱したものである。その他の条件は、実施例1と同様である。また、実施例1と同様に丸棒試験片を採取し、引っ張り試験を行った。
昇温速度と、伸びとの関係を図7に示す。図7に示すように、昇温速度を上げる程伸びが改善することが確認できた。さらに、誘導加熱装置4を用いて昇温速度を10℃/s以上とすることで、加熱炉を用いた条件よりも伸びが大幅に改善されることが確認できた。
実施例3では、圧延終了温度を875℃、再加熱前の頭部11の表面温度を650℃、頭部11の表面における再加熱昇温速度を100℃/sとして、再加熱温度を調整することで、加速冷却開始時の頭部11の表面温度をかえた複数の条件でレール1を製造した。表面温度の条件は、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃および1000℃の7条件とした。その他の条件は、実施例1と同様である。また、頭部11の中央上端から5mm、25mmの深さから試験片を採取し、断面硬度を測定した。
冷却開始温度とブリネル硬度との関係を図8に示す。図8に示すように、加速冷却開始時の頭部11の表面温度を750℃以上とすることで、ブリネル硬度が上昇することを確認した。また、誘導加熱装置4を用いて再加熱することにより、表層だけでなく、内部(深さ25mm位置)においても硬度が向上することを確認した。
実施例4では、圧延終了温度を875℃、再加熱前の頭部11の表面温度を700℃、頭部表面における再加熱昇温速度を100℃/s、再加熱温度を830℃、冷却開始温度を800℃とし、加速冷却条件をかえた複数の条件でレール1を製造した。なお、従来の条件(比較例)として、冷却速度を1℃/s、5℃/s、10℃/sおよび15℃/sと一定にした冷却を行った。一方、本発明の冷却条件として実施例3と同様の冷却を行った。その他の条件については、実施例3と同様である。また、実施例1および実施例3と同様に試験片を採取し、引っ張り試験および断面硬度を測定した。
以上のように、実施例1〜実施例4の結果から、本発明に係るレールの製造方法および製造装置によれば、高硬度かつ高延性なレールを得ることが出来た。
11 :頭部
11a :頭頂面
11b、11c :頭側面
12 :腹部
13 :足部
13a :足裏面
2 :加熱炉
3 :熱間圧延機
31 :BDミル
32 :粗ミル
33 :仕上げミル
4 :誘導加熱装置
41 :頭部用コア
42 :足裏用コア
42 :頭頂用コア
44a、44b :頭側用コア
5 :加速冷却装置
51 :頭頂冷却ヘッダ
52a、52b :頭側冷却ヘッダ
53 :足裏冷却ヘッダ
54a、54b :クランプ装置
Claims (5)
- 被圧延材をオーステナイト域温度以上1000℃以下の仕上がり温度で熱間圧延して、頭部、腹部および足部を有する形状のレールとし、
熱間圧延された前記レールの少なくとも頭部を誘導加熱装置にて100℃/s以上の昇熱速度で加熱し、
加熱した前記レールを加速冷却装置にて加速冷却し、
前記誘導加熱装置にて前記レールを加熱する際に、前記加速冷却装置での加速冷却開始時に少なくとも前記レールの頭部の表面温度が750℃以上となるように加熱することを特徴とするレールの製造方法。 - 前記加速冷却装置にて前記レールを加速冷却する際に、前記頭部の表面の冷却速度を、第1急冷段階、昇温を含む緩冷段階、および第2急冷段階を含む3段階以上に分けて冷却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。
- 前記第1急冷段階では、冷却開始から500℃以上700℃以下までの温度域において、5℃/sec以上12℃/sec以下の冷却速度で前記レールを加速冷却し、
前記緩冷段階では、前記第1急冷段階の後、前記頭部の表面のパーライト変態が終了するまでの間、−5℃/sec以上5℃/sec以下の冷却速度で前記レールを冷却または昇温し、
前記第2急冷段階では、前記緩冷段階の後、前記頭部の表面温度が450℃以下となるまで、15℃/sec以下の冷却速度で前記レールを加速冷却することを特徴とする請求項2に記載のレールの製造方法。 - 前記レールの少なくとも頭部を前記誘導加熱装置にて加熱する際に、オーステナイト域温度以上1000℃以下の仕上がり温度で熱間圧延された前記頭部の表面温度が、自然放冷により600℃以下になる前に前記レールの少なくとも頭部を前記誘導加熱装置にて加熱することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のレールの製造方法。
- 被圧延材を加熱する加熱炉と、
加熱された前記被圧延材を、頭部、腹部および足部を有する形状のレールとする熱間圧延機と、
前記熱間圧延機で熱間圧延された前記レールの少なくとも頭部を100℃/s以上の昇熱速度で加熱する誘導加熱装置と、
前記誘導加熱装置で加熱された前記レールを加速冷却する加速冷却装置と、
を有し、
前記加熱炉は、前記熱間圧延機で圧延された前記レールの仕上がり温度が、オーステナト域温度以上1000℃以下となるように前記被圧延材を加熱し、
前記誘導加熱装置は、前記加速冷却装置での加速冷却開始時に少なくとも前記レールの頭部の表面温度が750℃以上となるように加熱することを特徴とするレールの製造装置。
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