JPH0255488B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、鉄道用レールの物質特性および製
造効率を改善する鉄道用レールの冷却方法および
冷却装置に関する。

1970年代から1980年代まで多数の研究者によつ
て成された研究により、非常に微粒なパーライト
から成る治金構造、あるいは少量のベイナトイ
（過度的なパーライトと言われることもある）を
含んだ微粒なパーライトの組合せから成る治金構
造を有する鋼鉄性レールが最も優れた物質特性
（強度、硬度、耐久性および耐摩耗性）を示すこ
とが立証されている。上記の研究結果は、例え
ば、スミス、Y.E.およびフレツチヤー、F.B.の
“圧延レール用高強度鋼鉄合金”；“レール鋼鉄の
開発、処理および使用”BSTMSTP644、D.H.ス
トーンおよびG.C.ノツフ、エドワーズ；“アメリ
カ社会における試料物質”1978、pp.212−232、
ヘラー、W.およびスチワイツアー、R.；鉄道新
聞インターナシヨナル、1980年10月、pp.855−
857；タムラ、Y.他の“レール熱処理の開発”；
および日本鋼管技術報告、外国No.29（1980）pp.10
−20等に開示されている。

本発明者は、以下に詳述する上述の冶金構造物
を得るために使用する２つの一般的な方法を承知
している。

(i) １つの方法は、フエライト−オーステナイト
変態温度において、圧延レールを室温からある
温度まで再加熱し、更にそのレールを所定の冷
却速度によつて急激に冷却するものである。上
述したタムラ、他；ホルワース、B.R.および
R.K.スチールの“レールのサイトフレーム
（Site Flame）硬化の可能性”；および機械技
術者アメリカ協会、78−RT−８は、上記技術
に対してそれぞれ異なるアプローチを示してお
り、それぞれ所望の微粒パーライト構造物の製
造に成功している。

(ii) 第２の方法は、クロム、モリブデンあるいは
高いレベルのマンガンのような要素を単体であ
るいはこれらを組合せて標準的な炭素−マンガ
ンレール鋼鉄に混ぜ、熱間圧延工程の後に行う
自然冷却の間に起こる冶金的変化によつて所望
の微粒パーライト構造物を得るものである。こ
の種のレール鋼鉄には、レール鋼鉄冶金学の技
術において周知な種々の方法により、シリコ
ン、バナジウム、テイタニウムおよびアルミニ
ウムのような要素が単体あるいは種々の組合せ
で更に混合され、その特性が更に改良される。

しかしながら上述した熱処理方法は、再加熱、
取り扱いおよび分解した製造工程ににける時間等
のコストの問題を有しているとともに、生産作業
において全てのシステムの生産効率が低く成つて
しまう欠点がある。また、上記混合方法は、上記
熱処理方法の欠点を除去することができるにもか
かわらず、高価な合金の付加が必要であるためコ
ストが掛あると言う問題を有している。

レールが熱間圧延機から離れる際レールの冷却
を促進することによつて、レールの特性を改善す
ることは、1900年代初期からレール製造冶金学者
の夢であり、この試みに関する種々の発表および
特性が知られている。例えば、アブソロン、B.
およびフエスチエンコ−クゾピワイク、J.の硬化
レールの製造”；第３回レール国際会議、ブタペ
スト８−12.9.1935；物質調査ハンガリー協会、
ブタペスト、1936；カナダ特許No.1024422“鋼鉄レ
ールの処理方法”ベスレヘム鉄鋼株式会社（ロバ
ートJ.ハリー）、1978年２月17日；およびカナダ
特許No.1058492“鋼鉄の熱処理方法”フリード、ク
ラフハツテンワークA.G.（ウイルヘルムヘラー）、
1979年７月17日等によつて開示されている。

上記のような“直線的熱処理”として示される
全ての初期の試みは、レールの温度降下率を正確
に制御することができないことから製品の充分な
均一性を達成することができなかつた。これらの
方法のほとんどは、約760〜593.3℃の臨界冷却速
度内で約−14.4〜−12.8℃／秒の比率でレールを
冷却することを必要とする。しかしながら、レー
ルを製造工程の冷却ステージに進める際レールの
初期温度は一定でないとともに、各レールには、
その長手方向に沿つて温度差が生じている。した
がつて上記望ましい冷却速度を得ることは実施上
困難であつた。

圧縮空気、水蒸気、温水あるいは重合体に変更
された水を用いて所望の冷却速度を得る方法が提
案されている。例えば、上述したアブサロン、お
よびカナダ特許No.1024422は水蒸気および温水の
使用を開示している。また、西ドイツ公告公報No.
1583418−ベシデインによれば圧縮空気および水
の使用を開示している。これらの冷却速度の制御
方法はそれぞれ独自の利点を有しているが、生産
設備において、臨界冷却速度を得るために必要な
一定状態を保持することが難しいと言う共通の欠
点を有している。また、常温水を直接使用した場
合、レールの表面部分が過度に冷却され、その結
果マルテンサイトが形成される。

レールからレールへの温度変化に、そのレール
が熱間圧延機から離れる際のレールの長さ方向に
沿つた温度変化を加えると、冷却工程開初時のレ
ールの温度は、レールの位置により目標の開初温
度から約±37.8℃だけ変化する。（上記目標の開
初温度とはレールが熱間圧延材から離れる際のレ
ールの平均温度である。）このような事実のみか
らも、上述した出願に提案された一定冷却速度工
程は、現在使用されているレール製造装置に適用
できないことが解る。

また、いくつかの方法において、圧延後、レー
ルの表面をマルテンサイトが形成され初める温度
以下まで直接急激に冷却し、次にレール中心部の
熱をレール表面に伝達してマルテンサイトの調整
を行うことにより一層耐摩耗性に優れたレールを
製造する試みが成されている。その結果、形成さ
れた冶金構造物は、ソルバイト（自己−調整マル
テンサイトも同様の意見として用いられる）と呼
ばれるとともに、ニユーバス−メイスンの方法に
よつて作られる物であり、その変形例が上述した
アブソロンに開示されている。この方法は硬く、
耐摩耗性に優れた表面を得ることには成功した
が、パーライトの芯を覆うソルバイトの外皮は、
物質硬度の急激な変化のためにソルバイトとパー
ライトとの境界面の位置において金属疲労を生じ
る。この金属疲労は、現在の列車のように重い車
輪を使用した場合に起こり易く、その結果突然レ
ールの破損を起こす虞れもある。現在のレール鋼
鉄冶金学者は、物質硬度が急激に変化することが
ない、硬度勾配のゆるい冶金構造物が必要である
ことを承認している（例えば、外国向け、日本鋼
管技術報告、N29（1980）参照）。

この発明は以上の点に鑑みなされたものでその
目的は、耐摩耗性に優れた鉄道用レールを容易に
かつ経済的に製造することのできる冷却方法およ
び冷却装置を提供することにある。重い列車の出
現および列車の高速化により、レールの摩耗は現
在切実な問題と成つている。また、現在の経済的
風潮、および摩耗したレールの交換に伴うコスト
並びに運行の中断は、ますます問題と成つてきて
おり、その結果鉄道工業において、現在使用され
ている従来のレールよりも優れた耐摩耗性を有す
るレールの供給が要望されている。商業的に受諾
できるように、このようなレールは経済的でなく
てはならないとともに、一層耐摩耗性に優れたレ
ールを作り出す試みに成功した従来技術に関する
コスト的不利益は、レールの使用を限定してしま
う。

また、良く知られているように、レールの最も
摩耗する部分は、レールの頭部、特に頭部の上面
および内側面である。そのため、改善された耐摩
耗性を有するレールを供給するためには、レール
に頭部あるいは少なくとも頭部近傍の表面領域
は、超微粒パーライトから成る冶金構造あるいは
少量のベイナイト（過渡的パーライトとして示さ
れることもある）を含んだ微粒パーライトの組合
せから成る冶金構造を有していることが望まし
い。

この発明によれば、上記所望の特性を有するレ
ールは直線的熱処理によつて製造される。この熱
処理において、圧延後、今だに約760℃以上の温
度に加熱された状態のレールは、液状冷却媒体一
般に加熱されていない水（つまり、周囲の温度と
等しい温度の水）の噴霧により、断続的に強制冷
却される。そして、レールの頭部および基部底面
中央部への上記冷却液の供給と制限する手段が設
けられている。冷却液の各噴霧の合間に設けられ
た空気地帯を通る際、レールは周囲の空気のみに
よつて冷却され、この間、レール内の熱は、冷却
液の供給を受けない部分、特にレールウエブの部
分から冷却された部分へ伝達される。冷却工程の
操作上媒介変数はレールの上記頭部近傍表面の過
度の冷却を防止するように調整されており、それ
によつてマルテンサイトの形成が防止され所望の
冶金構造物が製造される。本発明の主な目的はレ
ール頭部を所望の冶金構造に形成することにある
にもかかわらず、レール基部の底部を同時に断続
的に冷却することは、レールの反り、つまり熱収
縮および冶金的反応の差異によるレールのたわみ
を減少させる上においても有利であることが解つ
た。また、レール基部の先端部への冷却液の供給
は行われない。なぜなら、これらの先端部は比較
的小さい部分であるため、もしこれらの先端部に
冷却液が噴霧された場合、過度冷却の危険が生じ
るとともにマルテンサイトが形成されてしまうた
めである。

上記断続的な強制冷却は、レールが約450℃〜
650℃の範囲内にある所定の冷却停止温度（マル
テンサイト形成温度以上）に達するまで続けら
れ、望ましくは、オーステナイト−パーライト変
態が完了する前に停止される。

周囲の温度と等しい温度の冷たい水を断続的に
レールに供給した場合、従来の技術とは異なりレ
ールにクラツクは発生しなかつた。更に、レール
を再加熱する必要がないとともに供給される水を
加熱する必要がないことから、冷却行程を非常に
経済的に行うことができる。

この発明によれば、上記熱処理方法を実施する
ための装置は、生産圧延機と並列に設けられたロ
ーラ拘束システムを備えている。この拘束システ
ムは圧延機からレールを受け取りそれらを冷却液
ヘツダーと空気地帯とが交互に位置した系列を通
して搬送する。上記ヘツダーは、ヘツダーを通過
するレール上に冷却液を噴霧する手段と、レール
の所望の部分、つまり頭部および基部底面中央部
のみに冷却液を供給するための隔壁システムのよ
うな規制手段と、を有している。ヘツダーと交互
に位置した空気地帯は、製造工場内の温度変化の
影響を最少にするために、包囲されていてもよ
い。また、上記製造工場が、製造装置周辺、つま
りこの方法が実施される場所の温度の急激な変化
を引き起す気象状態の影響を受けない場合、上記
空気地帯を包囲する必要はない。

上記噴霧手段は、冷却液の噴霧を行うためのノ
ズルあるいはレールが通過する“液体カーテン”
を作り出すための手段を備えている。“液体カー
テン”つまり“水のカーテン”は周知であるとと
もに、噴霧に特殊な形状として考えることができ
る。本明細書および特許請求の範囲において、
“噴霧”という言語は従来の噴霧および“液体カ
ーテン”の両方の意見を含んで用いられている。

本発明の冷却方法は、従来提案されている方法
に比べて容易に制御することができるとともに、
後述する本発明の実施例に係る装置は、制御シス
テムを備えており、このシステムは周知の文献あ
るいは特許に開示されている従来の制御システム
に比べて非常に正確である。この発明は上述した
利点を備えているにもかかわらず、高い生産効率
を維持できるとともに、標準的なレールに製造に
用いられている鋼鉄の合金コストと何んら変るこ
とのないコストでレールを製造することができ
る。以下図面を参照しながらこの発明の実施例に
ついて詳細に説明する。

熱間圧延された鉄道用レールを直線的に冷却す
る本発明の一実施例に係る冷却装置が第１図ない
し第３図に示されている。

第１図に示すように、この装置はローラ型拘束
システムを備えている。この拘束システムは多数
のローラ９を有しており、これらのロールは噴霧
ヘツダーおよび空気地帯を介してレールをその長
手方向に沿つて搬送するとともに、噴霧に対して
所望の位置へレールを保持し、かつ不均一な熱収
縮によつて生じるひずみからレールを拘束する。
また、この装置は、多数の低圧水噴霧ヘツダー１
ａ，１ｂと、ヘツダーと交互に設けられた多数の
空気地帯２ａ，２ｂとを備えており、各空気地帯
は覆いによつて包囲されている。

第２図および第３図に示すように、各噴霧ヘツ
ダーは、レールの頭部６上に冷却水を噴霧するよ
うに配設された多数のノズルアツセンブリー１０
ａと、レールの底部７の中央部に冷却水を噴霧す
るように配置された多数のノズルアツセンブリ１
０ｂとを備えている。また、傾斜した隔壁３ａが
設けられており、これらの隔壁はノズルアツセン
ブリ１０ａからの噴霧がレールウエブ４へ噴霧さ
れるのを防止するとともに、レールの頭部６側面
からの水滴がレール基部上面上に垂れるのを防止
する。また、ノズルアツセンブリ１０ｂからレー
ル基部底面７の中央部への噴霧を規定する垂直な
下部隔壁３ｂが設けられており、これらの隔壁３
ｂは、ノズルアツセンブリ１０ｂからの噴霧がレ
ール基部の先端部５へ噴霧されるのを防止してい
る。

空気地帯２ａ，２ｂは、周囲の状態の突然の変
化に伴う空気冷却の影響を最少にするように、閉
塞された遮壁８ａ，８ｂによつてそれぞれ包囲さ
れている。

ノズルアツセンブリ１０ａ，１０ｂは、加熱さ
れていない水（つまり“冷たい”あるいは周囲の
温度と等しい温度の水）、あるいは他の液体冷却
媒体を加圧するための適当な加圧源に接続されて
いる。以下、冷却媒体として水を用いた場合につ
いて説明する。

第３図に示す隔壁およびノズルの配置は、単に
一実施例にすぎない。他の噴霧ヘツダーの構成が
第４図に横断面図として示されている。

第４図において、パイプ２７０はそれぞれ本装
置を通るレールの搬送方向と平行に位置してい
る。ノズルアツセンブリ１０ａ，１０ｂは、パイ
プ２７０の長手方向に沿つて互いに離間した状態
でパイプ２７０にそれぞれねじ込まれている。各
パイプ２７０の長手方向中央部には、水の流入パ
イプ３００が接続されており、パイプ２７０は略
噴霧ヘツダーの長さだけ延びている。流入パイプ
３００は、柔軟なホースにより図示しない水量制
御弁および水を供給する手段に接続されている。

第４図に示す隔壁システムによれば、上部に位
置した３本のパイプ２７０の内の外側の２本のパ
イプから下方へ独立した部材２８０ａが延びてい
る。また、隔壁３１０ａがヒンジ３５０に取付け
られており、これらのヒンジは支持枠３６０に固
定されている。支持枠３６０は図示しない支持体
上に取付けられている。部材２８０ａおよび隔壁
３１０ａの機能は、ノズルアツセンブリ１０ａか
らの噴霧がレールのウエブ４に噴霧されるのを防
止するとともに、頭部６からレール基部上面への
水滴の落下を防止することにある。同様に、ノズ
ル１０ｂからレールの底部中央部７への噴霧を規
制する下部隔壁３４０ｂが設けられている。

第４図に示す噴霧ヘツダーの構造が用いられた
場合、これらのヘツダーは、第１図および第２図
に示すように空気地帯と交互に配設されることは
言うまでもない。第４図に示す噴霧ヘツダーは、
第２図および第３図に示すヘツダーと全く同じ型
式で動作する。しかしながら、第４図に示すヘツ
ダーは、一般に、安価に製造できるとともに容易
に保することができる。

レールのウエブ部分と水と接触しない状態に保
持する目的は以下の点にある。

(i) 温いウエブ４から冷却された頭部６への熱伝
導は、水の噴霧冷却停止後、頭部が所定時間略
一定温度に保持されるように頭部の冷却特性を
制限する。

(ii) 温いウエブおよび冷却された基部底面７は、
強制冷却の間レールを直すぐに保持する助けを
する。

(iii) この熱分配は、後の最終冷却の間有害な残溜
応力を最小にする。

実験により、冷却停止後、レールのウエブから
の熱は略上記ウエブを空気冷却した場合に相当す
る割合で、強制冷却された頭部に伝導することが
判明した。その結果水の冷却終了後、レール頭部
に関する時間−温度曲線は約６分間あるいはそれ
以上の間略平坦となる。第５図は、複数の熱伝対
をレールの走行表面の下方１mm、10mm及び20mmに
それぞれ植え込み、そして上記レールを冷却装置
を用いて約926.7℃から冷却することによつて測
定された時間−温度曲線を示している。曲線２
１，２２及び２３は、それぞれ１mm、10mm、20mm
の位置において測定された温度を示している。曲
線２１中の段部２４はレールが噴霧ヘツダー間を
通過する際に生じる熱伝導段階をそれぞれ示して
いる。第５図からよく分るように、レールが冷却
中断地帯、つまり、空気地帯を通る際、レール表
面の冷却が中断されるとともに曲線２２，２３で
示された領域の熱がレール表面、つまり、曲線２
１で示された領域に伝達される。それにより、レ
ール表面の時間−温度曲線２１は段部２４を有す
る階段状となり、曲線２２，２３と略同等の割合
いで変化する。言替えれば、断続的な強制冷却を
行つた場合、レール表面のみが急激に冷却される
ことはなく、曲線２１，２２，２３で示された領
域は互いに略等しい速度で冷却されることが分
る。したがつて、第５図からも分るように、冷却
停止後、レール頭部の急激な温度変化はなく、時
間−温度曲線は約６分以上の間略平坦となる。

第６図及び第７図は、従来得られている冷却効
果と本発明において得られた冷却効果とを、図解
的に比較している。第６図及び第７図に示された
連続的冷却温度変化曲線は、レール鋼鉄冶金学の
分野に熟練した人々に容易に理解されよう。第６
図に示すように、従来の方法によりレールを連続
的に冷却する場合、Ae3温度から変態開始温度ま
での冷却曲線の勾配は、急激であるとともに、所
望の微粒パーライトが形成されるまでマルテンサ
イトの形成あるいはベンナイトの増加を防止する
ため、非常に小さい公差で制御されなくてはなら
ない。（ここで、Ae3温度とは、冷却速度が無限
大に小さい場合におけるオステナイトからフエラ
イトへの変態支持の上限を意味している。）第６
図において線１０−１１によつて表わされている
冷却は、マルテンサイトの形成を生じる。また、
線１０−１２に沿つた冷却は大きな割合のベイナ
イトを生じさせる。線１０−１３と線１０−１４
とによつて囲まれる部分での冷却は、所望の微粒
パーライトを生じさせる。線１０−１４よりも遅
い割合での冷却は、粗大なパーライトの形成を生
じてしまうため、レールの物質特性を悪化させて
しまう。従来の方法によりレールを連続的に冷却
した場合、レール表面部は急激に冷却され、レー
ル内部はレール表面に比べて非常に遅い速度で冷
却されることとなる。例えば、レール表面を微粒
パーライト構造とするために、レール表面が第６
図において線１０−１３と線１０．１４とで囲ま
れる領域の冷却速度にて冷却されるようにレール
を冷却した場合、レール内部は線１０−１４より
も遅い速度で冷却されてしまう。逆に、レール内
部が線１０−１３と線１０−１４とで囲された領
域の速度に冷却されるようにレールを冷却した場
合、レール表面は線１０−１２よりも速い速度で
冷却されてしまう。このように、従来の冷却方法
では、所望の微粒パーライトを形成できる冷却速
度の幅が非常に狭く、レールの表面および内部を
微粒パーライトとするためには非常に小さい公差
で冷却速度を制御しなくてはならない。

これに対して、本願に冷却方法によれば、オス
テナイト−フエライト変態温度以上の温度から第
７図における線１５−１６−２０および線１５−
１９−２０によつて囲まれた領域を通る冷却速度
にてレールを冷却すれば、所望の微粒パーライト
と得ることができる。つまり、第５図に示したよ
うに、本願の方法によりレールを断続的に強制冷
却した場合、レール表面およびレール内部は略同
等の速度で冷却されるとともに冷却停止後レール
を比較的長い時間一定の温度に保持することがで
きる。したがつて、第７図に示すように、冷却速
度は線１５−１６と線１５−１９とによつて囲ま
れる比較的広い領域内に設定されていれば、冷却
停止温度を所定の範囲内に設定することにより、
その冷却温度変化曲線は微粒パーライト変態領域
を確実に通過する。このように、本願の冷却方法
によれば、微粒パーライトが得られる冷却速度の
幅広く、従来に比べて冷却速度の制御を容易にか
つ確実に行うことができる。

レール基部底面の強制冷却は、レールの強制冷
却の間におけるレール頭部からレール底部への冶
金学的変態に係わる熱収縮及び応力を略平衡に
し、ローラ拘束システム中においてレールを直す
ぐに保つ助けをする。更に、温かいウエブは応力
緩和温度以上にあるため誘発された応力は直ちに
除去される。

強制冷却の間におけるひずみを最小にする上に
おいて上記底部冷却の効果を証明するため、拘束
されていないレールをここに述べられている方法
により強制冷却する実験が行われた。レールの頭
部のみが強制冷却された場合、レールは約0.012
の反り率でひずんでしまう。頭部および基部底面
が強制冷却された場合、反り率は約0.0009よりも
小さく成る。

基部先端部５は、過冷却を防止してマルテンサ
イトの形成を防止するように、強制冷却の間でき
るだけ高温に保持される。

レールの回りで上記空気冷却地帯を包囲した任
意の閉塞連結遮壁８ａ，８ｂは、対流熱損失を防
止する助けをするとともに、レール周囲の状態の
突然な変化を防止する助けをする。また、これら
の遮壁８ａ，８ｂは、第５図の曲線２１の段部２
４によつて示される各噴霧ヘツダー間で生じる熱
伝導の間、第５図に示されている時間−温度曲線
の特性を安定させる助けをする。上述したよう
に、遮壁８ａ，８ｂは操作環境に応じて任意に設
けられる。しかしながら、本装置および方法が周
囲温度変化の大きい環境で用いられる場合、遮壁
８ａ，８ｂを使用することが望ましい。

ローラ拘束システムは、レールをヘツドアツプ
の状態で噴霧ヘツダーおよび空気地帯を介して搬
送する。また、ローラ拘束システムは、レールの
頭部および底面を冷却することのみでは補正でき
ないレールのひずみを補正するとともに、レール
を噴霧ヘツダー内の噴霧ノズルおよび隔壁に対す
る正確な位置に保持する。ローラ拘束システムの
他の機能は、機械技術の分野において明白である
ため、その説明は省略する。

第１１Ａ図および第１１Ｂ図に示すように、冷
却システムの制御には入口／出口温度監視システ
ムと組合わされたコンピユーター基礎制御システ
ムを用いてもよい。

コンピユーターを基礎とした工程制御システム
は、所望の一定停止温度を得るために、レールが
最初の噴霧ヘツダーに入る際のレール頭部の温度
を監視するとともに、レール間およびレールの長
さ方向に沿つて温度変化を補正するように冷却工
程を自動的に調整する。

以下、本発明の方法を実施する上記装置の動作
について説明する。

レールがヘツドアツプ状態で上記冷却システム
を介して搬送されると、レールの頭部６および基
部底面７は、レールが交互に位置しや空気地帯を
通過する間の熱の伝導によりレール表面部分の温
度がマルテンサイト形成温度以上に保たれるよう
に、水の噴霧によつて断続的に冷却される。この
強制的冷却により、レールの頭部は、所定の冷却
停止温度に達するまで急速に冷却される。（冷却
停止温度とは、強制的冷却が終了した時における
レールの温度を意味している。）ここで、水の噴
霧が停止され、レールは空気中で冷却される。

上述した冷却工程に用いられるコンピユーター
基礎制御システムは以下の要素を備えている。

(i) 冷却装置の入口端に設けられた高温計のよう
な温度監視装置。

(ii) 冷却装置の出口端に設けられた高温計のよう
な温度監視装置。

(iii) 記憶および計算機能を有するデジタル、電子
コンピユーター。

(iv) 全ての冷却ヘツダーにそれぞれ設けられた動
電ウオーターバルブ。これらの電動ウオーター
バルブは、以下に説明する制御システムによる
各ヘツダーの制御を可能にする。

(v) 上記温度監視装置および電動ウオーターバル
ブをコンピユーターに接続する中間ハードウエ
ア。

(vi) 入手した温度情報を自動的に監視できるとと
もにウオーターバルブを作動させることにより
冷却操作時における冷却ヘツダーの数を常に調
整できるコンピユータープログラミング（ソフ
トウエア）。

(vii) 陰極線管のような情報読み出し装置。

上記コンピユーターのプログラムは、熱力学的
データ、上記冷却装置を特微づける熱伝導情報お
よび許容工程公差を含んでいる。冷却装置内へ入
るレールの温度が検知されると、上記コンピユー
ターは、所望の冷却停止温度を得るために必要な
正確な数の冷却ヘツダーを通して水の流出を自動
的に行う。

第１１Ａ図は、レールの所望の強制冷却を得る
ために適当な数の噴霧ヘツダーを切り換えるため
の制御システムを示している。レールが冷却装置
内に入ると、まず、入口温度、つまりレールの頭
部端の温度が高温計によつて測定される。この高
温計は、レール頭部の温度を測定できるように冷
却装置の入口の直前に設けられていなければなら
ない。測定された温度の値は、所望の冷却効果を
得るために、冷却装置を通るレールの速度に応じ
た適当な数の噴霧ヘツダーから冷却液の流出を開
始させるために用いられる。レールが冷却装置内
を進むにつれて、レールの温度は冷却装置の入口
で順次測定される。そして、冷却装置内へ入つて
くるレールの各部分が所定の公差で所望の冷却停
止温度まで冷却されるように、もし必要であれ
ば、動作する冷却ヘツダーの数は、レールの長さ
に沿つた入口温度変化を補正するために変更され
る。レールが冷却装置から取出された後、冷却ヘ
ツダーは、次のレールが冷却装置に入つて来るま
で停止される。また、次のレールが入つて来る
と、第１１Ａ図に示す論理システムは、再び作動
される。

また、レールの温度は冷却装置の出口で検知さ
れ、上記コンピユーターへ送られる。そして、コ
ンピユーターは、検知された温度を所望の温度と
比較する。検知された温度が上記プログラムされ
た工程公差よりも大きい値だけ所望の温度からず
れている場合、コンピユーターは、適当な補正動
作が行われるように、上記陰極線管を介して作業
員に信号を送る。また、コンピユーターは、上記
事態に適応するモードを備えており、このモード
により、コンピユーターは、上記温度誤差が次の
レール冷却工程で補正されるようにプログラムを
自動的に調整する。（上記温度誤差は、例えば冷
却ヘツダーの故障等の上記制御システムでは検出
できない事態が生じた時に発生し、この場合、適
切な保持作用が成されるように作業員に信号が送
られる。） 第１１Ｂ図は、冷却装置の出口側で測定された
データの利用を示している。レールの前端が最後
の噴霧ヘツダー／空気地帯部分から出て来た後、
第１１Ｂ図に示すシステムが作動される。そし
て、このシステムは冷却装置から出て来たレール
の部分の多数の点における温度の測定を開始す
る。レールの後端が検知され、後端の温度が測定
された後、このシステムは適切なモードを設定す
る。このモードにおいて、実際の温度と、冷却装
置の出口側におけるレールの予想温度とが比較さ
れる。それにより得られた結果に従つて、第１１
Ａ図に示されるシステムに使用されるプログラム
に、必要な調整が施される。

従来、温度補正のための工程調整は、レールの
各部分を冷却するために用いられる多数の互いに
離間した噴霧ヘツダーに関して行われている。し
かしながら、制御変数として、噴霧地帯を通るレ
ールの速度あるいは噴霧ヘツダーの冷却効率を、
単独であるいは種々組合せて用いることは周知で
ある。例えば、噴霧ヘツダーの冷却効率は、ヘツ
ダーを通る水の流量を増加することにより、ある
いは動作する噴霧ヘツダーの数を変えることによ
り上げることができる。任意に用いられる上記コ
ンピユーターに基づく工程制御の詳しい説明はこ
こでは述べない。なぜなら、工程制御の分野にお
いて、本発明の目的に合う制御システムは、多数
提案されているからである。また、コンピユータ
化された制御システムは、本発明を実施する上で
必ずしも必要ではない。レールの温度は断続的強
制冷却が始まる前に監視され、また、高温計によ
り、レールの先端部の温度が予め決められた冷却
停止温度に達したことが測定されると、強制冷却
が停止される。実施において、僅かな試行運転を
行うことにより、どのような初期レール温度、レ
ールの単位長さ当りの質量、レールの搬送速度、
噴霧ヘツダーの数、回路ヘツダーの間隔、強制冷
却媒体の流量、および冷却媒体の温度に対して
も、適切な断続強制冷却装置の熱力学的特性を得
ることができる。そして、冷却されたレール内に
必要な微粒パーライト構造が得られるように冷却
装置の上記操作パラメータを手動で制御すること
は容易に行うことができる。

なお、この発明の方法を実施した場合、上述し
たように従来の方法に比べて適用可能な冷却速度
の範囲を広くすることが可能となる。そして、適
用可能な冷却速度の範囲が広いことから、製造工
程を経済的な操作で適切に制御することができ
る。

レールの搬送速度、噴霧ヘツダーの形式および
間隔、水圧等を特定の値に設定することは設計者
の自由であり、その一部は、本発明に直接関係な
いレールの形状、大きさ、製造工場内で冷却装置
以外の場所を通る際のレールの搬送速度等によつ
て決められる。

実 例 次に本発明を以下に示す実例を用いて更に説明
する。

実例１ 実験結果 表１に示される化学成分を有した基準長さ
1361d／ヤードの鉄道レールを約454.4〜648.9℃
の範囲で冷却停止温度を変化させながら本発明の
方法により強制冷却する。

表 １ 成 分 量（重量パーセント） 炭 素 0.75 マンガン 0.95 硫 黄 0.020 り ん 0.010 珪 素 0.25 その他 鉄および付帯的不純物 第８図は、実験から得られた冷却停止温度と強
度との間の相互関係を示している。第８図におい
て、上の曲線２５は、冷却停止温度の関数キロポ
ンド／平方インチ（KSi）で示される引張り強さ
の変化を示している。下の曲線２６において、キ
ロポンド／平方インチで示された曲げ強度が冷却
停止温度の関数としてプロツトされている。第９
図および第１０図は、レール頭部の走行表面から
の距離および冷却停止温度の関数として、ロツク
ウエルＣ硬度単位で表された硬度をそれぞれ示し
ている。例えば、第９図および第１０図には、レ
ール頭部からの距離の関数として、冷却停止温度
582.2℃における硬度の変化を示す曲線がそれぞ
れ示されている。これらの図から、冷却停止温度
が約450〜650℃の範囲内にある場合、所望の硬度
が得られることが分る。

以上のように、この発明の冷却方法および冷却
装置によれば、レールを断続的に強制冷却するこ
とにより、レール表面およびレール内部を略同等
の速度にて冷却できるとともに、所定の冷却停止
温度で冷却を停止した後、比較的長い時間レール
を一定の温度に保持することができる。したがつ
て、微粒パーライトを得るための冷却速度の幅が
従来に比べて非常に広く、その結果、冷却速度の
制御が容易となり所望の微粒パーライト構造を容
易にかつ確実に得ることができる。また、従来の
ように、再加熱、高価な金属の添加等を行う必要
がなく、製造効率の向上および製造コストに低減
を図ることができる。

なお、本発明は上述した実施例および図面に限
定されるものではなく、この発明の範囲ないで種
種変更可能である。例えば、レール鉄鋼化学にお
いて重要な変形例として、冷たいレールを適当な
温度まで再加熱し、次に本発明の方法によりその
レールを強制冷却するようにしてもよい。更に、
もし必要であれば、レールに害を与えないように
製鉄作業中に形成された残溜水素を拡散させるた
め、強制冷却後レールを低速冷却タンク（“マキ
タンク”（MaKitanK））内へ載置するようにし
てもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例に係る冷却装置の側
面図、第２図は第１図に示す冷却装置の一部を拡
大して示す断面図、第３図は隔壁の配置を示すよ
うに切断された噴霧ゾーンを通る第１図および第
２図の冷却装置の横断面図、第４図は第１図およ
び第２図の冷却装置に使用される他の噴霧ヘツダ
ーを示す横断面図、第５図はレールの走行表面の
下方１mm、10mm、および20mmに熱伝対を配置し、
本発明の方法によりレールを約1700〓から冷却す
ることによつて測定された時間−温度冷却曲線を
示し、第６図は従来の冷却方法の図表的説明図、
第７図はこの発明によつて得られた冷却特性を図
表的説明図、第８図は冷却停止温度と曲げ強さ
（曲線２６）および引張り強さ（曲線２５）との
間の相互関係を示す図、第９図は種々の冷却停止
温度において、レールの走行表面中心から測定さ
れたレールの硬度を示す図、第１０図は種々の冷
却停止温度において、レール頭部のコーナから測
定されたレールの硬度を示す図、第１１Ａ図およ
び第１１Ｂ図はこの発明の冷却装置および方法に
使用されるコンピユーター制御システムに用いら
れる論理のフローチヤートである。 １ａ，１ｂ……噴霧ヘツダー、２ａ，２ｂ……
空気地帯、３ａ，３ｂ……隔壁、４……レールウ
エブ、５……基部先端縁、６……頭部、７……基
部、９…ローラ型拘束システム、１０ａ，１０ｂ
……ノズルアツセンブリ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ オーステナイト−フエライト変態温度以上の
   初期温度から鉄道用レールを冷却しレールの冶金
   学的特性を改善する鉄道用レールの冷却方法にお
   いて、 冷却の間、上記レールの表面近傍領域がマルテ
   ンサイト形成温度より高く維持されるように、液
   体冷却媒体を供給する複数の冷却ヘツダーと複数
   の冷却中断地帯とが交互に位置した列を通して上
   記レールを搬送することにより上記レールの頭部
   を継続的に強制冷却する行程と、 上記レールの頭部が450℃〜650℃の範囲内にあ
   る所定の冷却停止温度に達した際、上記液体冷却
   媒体の供給を停止する行程と、を具備したことを
   特徴とする鉄道用レールの冷却方法。 ２ 上記冷却中断地帯は空気地帯を備えているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の鉄
   道用レールの冷却方法。 ３ 上記強制冷却の間、上記レールのウエブおよ
   び基部端縁の冷却は、最小におさえられることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の鉄道用
   レールの冷却方法。 ４ 上記液体冷却媒体は、上記レールのウエブお
   よび基部に掛からないように、レールの頭部に噴
   霧されることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   に記載の鉄道用レールの冷却方法。 ５ 上記レールは、多数の噴霧地帯および空気地
   帯を通して長手方向に沿つて搬送され、上記空気
   地帯は連続する一対の噴霧地帯間に挟まれ、レー
   ル頭部に沿つた各地点は、断続的に冷却液の噴霧
   を受けることを特徴とする特許請求の範囲第３項
   に記載の鉄道用レールの冷却方法。 ６ 上記液体冷却媒体は、上記レールの基部端縁
   に掛からないように、レールの基部底面中央部に
   噴霧されることを特徴とする特許請求の範囲第５
   項に記載の鉄道用レールの冷却方法。 ７ 上記レールは、熱間圧延行程によるレールの
   成形に続いて、再加熱されることなく、上記強制
   冷却を受けることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の鉄道用レールの冷却方法。 ８ 上記レールは成形後かつ上記強制冷却を受け
   る以前に再加熱されることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の鉄道用レールの冷却方法。 ９ 使用される噴霧地帯の数は、強制冷却の間、
   上記所定の冷却停止温度が得られるように調整さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記
   載の鉄道用レールの冷却方法。 １０ 上記レールが上記噴霧地帯および空気地帯
   を通過する速度は、強制冷却の間、上記所定の冷
   却停止温度が得られるように調整されることを特
   徴とする特許請求の範囲第５項に記載の鉄道用レ
   ールの冷却方法。 １１ 上記噴霧地帯の冷却効率は、強制冷却の
   間、上記所定の冷却停止温度が得られるように調
   整されることを特徴とする特許請求の範囲第５項
   に記載の鉄道用レールの冷却方法。 １２ 上記液体冷却媒体の供給は、オーステナイ
   ト−パーライト変態が完了する前に停止されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の鉄
   道用レールの冷却方法。 １３ 上記液体冷却媒体は、常温水であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１２項
   のいづれか１項に記載の鉄道用レールの冷却方
   法。 １４ 長手方向に沿つて移動する鉄道用レールを
   オーステナイト−フエライト変態温度以上の初期
   温度から冷却し、主に微粒パーライトから成る冶
   金学的構造を上記レールの頭部に形成することに
   より、レールの冶金学的特性を改善する鉄道用レ
   ールの冷却装置において、 (a) それぞれ所定の長さを有しているとともに上
   記レールの冷却速度を比較的低い速度に制御す
   る複数の冷却中断地帯と、上記冷却中断地帯に
   より上記レールの長手方向に沿つて互いに離間
   されて配設されているとともに、それぞれ上記
   レールに液体冷却媒体を供給してレールを比較
   的高い冷却速度で冷却する複数の冷却ヘツダー
   と、を備え、上記レールの表面近傍領域がマル
   テンサイト形成温度より高い温度に維持される
   ように上記レールの頭部を断続的に冷却する冷
   却手段と、 (b) 上記レールの頭部が上記液体冷却媒体を受け
   るように、上記冷却ヘツダーと冷却中断地帯と
   の列に沿つて上記レールをその長手方向に搬送
   する搬送手段と、 (c) 上記レールの頭部の温度が所定の冷却停止温
   度に達した際に上記液体冷却媒体の供給を停止
   する制御手段と、 を備えていることを特徴とする冷却装置。 １５ 上記冷却中断地帯は空気地帯で形成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１４項に
   記載の冷却装置。 １６ 上記冷却手段は、上記レールのウエブの冷
   却を最小に規制する規制手段を備えていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１５項に記載の冷却
   装置。 １７ 上記冷却手段は、上記レールの基部の端縁
   の冷却を最小に規制する他の規制手段を備えてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１６項に記
   載の冷却装置。 １８ 上記制御手段は、上記冷却手段の入口およ
   び出口における上記レールの温度を監視する温度
   監視手段を備えていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１７項に記載の冷却装置。 １９ 上記空気地帯は、上記液体冷却媒体を受け
   ないように構成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲１５項、１６項、１７項のいずれか１
   項に記載の冷却装置。 ２０ 上記空気地帯は、加圧空気を受けないよう
   に構成されているを特徴とする特許請求の範囲第
   １５項、第１６項、第１７項のいずれか１項に記
   載の冷却装置。 ２１ 上記冷却ヘツダーは、上記レールの頭部お
   よび基部の底面に液体冷却媒体を供給するように
   配設されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１７項に記載の冷却装置。 ２２ 上記搬送手段は、上記レールをその頭部が
   上を向いた状態で上記冷却手段に沿つて搬送する
   ように配設されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１４項に記載の冷却装置。 ２３ 上記規制手段は、上記冷却ヘツダーと冷却
   中断地帯との列を通るレールのウエブ上端の各側
   面に隣接した位置からレールの頭部の下方まで外
   方及び下方へ延出し、レールの頭部に供給された
   液体冷却媒体がレールのウエブ及び基部に掛かる
   のを防止するとともにレールの頭部側面から滴下
   する液体冷却媒体がレールの基部に掛かるのを防
   止する一対の傾斜した隔壁を備え、 上記他の規制手段は、レールの基部底面に隣接
   した位置から下方へ延出しているとともにレール
   の基部底面に中心線の両側からそれぞれ横方向へ
   離間して位置し、レールの基部底面に供給された
   液体冷却媒体がレールの基部端縁に掛かるのを防
   止する一対の隔壁を備えていることを特徴とする
   特許請求の範囲第２１項に記載の冷却装置。 ２４ 上記搬送手段はローラ型拘束システムを備
   え、上記ローラ型拘束システムは、レールを上記
   冷却ヘツダーに対して所定の方向および所定の位
   置に保持した状態でかつ熱収縮に対してレールを
   拘束した状態で、レールを上記冷却ヘツダーおよ
   び冷却中断地帯の列に沿つて長手方向に搬送する
   複数のローラを有していることを特徴とする特許
   請求の範囲第１４項に記載の冷却装置。 ２５ 上記制御手段は、上記冷却ヘツダーおよび
   冷却中断地帯の列の入口および出口におけるレー
   ルの温度を監視する温度監視装置と、温度監視装
   置に接続され温度監視装置からの温度情報に応じ
   て当該冷却装置の動作を制御するコンピユータ制
   御システムを備えていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１４項に記載の冷却装置。