JPWO2014157198A1 - レールの製造方法及び製造装置 - Google Patents

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Abstract

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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造方法であって、強制冷却の開始後１０秒間は頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように強制冷却を行い、強制冷却の開始後１０秒を経過した後、頭部表面が変態発熱を開始し始めるまでの間は頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上５℃／秒以下となるように強制冷却を行い、変態発熱の開始から変態発熱の終了までの間を変態中とし、変態中は頭部表面の冷却速度が１℃／秒未満あるいは昇温速度が５℃／秒以下となるように強制冷却を行い、変態発熱の終了後、レールの頭部の表面温度が４５０℃以下になるまでの間は頭部表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように強制冷却を行う。

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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造方法及び製造装置に関する。
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。強制冷却は、温度履歴をコントロールしながらレール頭部の温度が３５０〜４５０℃程度となるまでレールに冷却媒体（空気，水，ミスト等）を噴射することで行われ、レール頭部を微細なパーライト組織とし、耐磨耗性や靭性を向上させた高硬度のレールとすることができる。例えば、石炭等の天然資源採掘場等における鉄道輸送のように、積載重量が客車等と比べて重く過酷なレールの使用環境下では、レールの磨耗が激しく、レールの使用寿命が短いことから、その耐磨耗性及び靭性の向上が特に求められている。
ここで、ベイナイトは耐磨耗性が低く、マルテンサイトは靭性が低い。そのため、高い耐磨耗性と高い靭性とを同時に達成するためには、前述の強制冷却時に起こるレール頭部のベイナイト変態やマルテンサイト変態を防止してレール頭部の全体を安定的にパーライト組織とすることが必要となる。加えて、パーライトは、ラメラー間隔が微細なほど耐磨耗性や靭性が向上するため、ラメラー間隔の微細化も重要となる。
ところで、強制冷却時のベイナイトやマルテンサイトへの変態には、強制冷却中の冷却速度が影響する。特に、強制冷却中の全時間において冷却速度を３℃／秒以上とすると、ベイナイトやマルテンサイトに変態する可能性が高い。この種の問題を解決するための技術として、例えば特許文献１には、パーライト変態を開始するまでは頭表面の冷却速度を１℃／秒〜１０℃／秒とし、表面下２０ｍｍ以上の領域のパーライト変態が終了するまでの頭表面の冷却速度を２℃／秒〜２０℃／秒とする技術が開示されている。また、特許文献２には、４〜１５℃／秒の冷却速度で７５０℃以上の温度域から６００〜４５０℃まで第１の強制冷却を実施し、その後強制冷却を一時的に停止して昇温させることでパーライト変態を終了させた後、０．５〜２．０℃／秒の冷却速度で４００℃まで第２の強制冷却を実施することによってパーライトの焼き戻しを抑制する技術が開示されている。
特許第３７３１９３４号公報 特許第４９３８１５８号公報
上記した特許文献１の技術では、レール頭部表層の変態開始後の冷却速度を２℃／秒以上としている。しかしながら、本発明の発明者らの検討によると、２℃／秒以上の冷却速度では表層のパーライト変態が完了せずに一部がベイナイト変態してしまい、耐磨耗性が低下する問題があった。
また、特許文献２の技術では、強制冷却を一時的に停止するため、目標の冷却停止温度まで冷却するのに要する時間が増大する。加えて、強制冷却を停止することでレール頭部の表面温度が大きく上昇し、結果、レール頭部の中心部における冷却速度の低下を招くため、中心部において十分な硬度が得られない問題もあった。
さらに、特許文献２の技術では、４〜１５℃／秒の冷却速度で６００〜４５０℃まで第１の強制冷却を実施するとしているが、本発明の発明者らの検討によると、４〜１５℃／秒の冷却速度では、レールの成分によっては表層の一部がマルテンサイト変態又はベイナイト変態する場合があった。表層の一部がマルテンサイト変態した場合、硬度は上昇するが、延性が失われてしまう。また、表層の一部がベイナイト変態した場合には、硬度及び耐磨耗性が低下してしまう。
また、上記した特許文献２の技術では、０．５〜２．０℃／秒の冷却速度で第２の強制冷却を実施するとしている。しかしながら、本発明の発明者らの検討によると、０．５〜２．０℃／秒の冷却速度では、レールの成分によってはパーライトの焼き戻しが発生し、硬度が低下する場合があった。
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、表層が高硬度のパーライト組織であり、レールの頭部表面から中心部まで頭部全体で高い硬度を得ることができるレールの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
上記した課題を解決し、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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造方法であって、前記強制冷却の開始後１０秒間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記強制冷却を行い、前記強制冷却の開始後１０秒を経過した後、前記頭部表面が変態発熱を開始し始めるまでの間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上５℃／秒以下となるように前記強制冷却を行い、前記変態発熱の開始から変態発熱の終了までの間を変態中とし、該変態中は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒未満あるいは昇温速度が５℃／秒以下となるように前記強制冷却を行い、前記変態発熱の終了後、前記頭部表面の温度が４５０℃以下になるまでの間は前記頭部表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記強制冷却を行うことを特徴とする。
前記強制冷却は第１の冷却装置及び第２の冷却装置を用いて行い、前記強制冷却の開始から前記変態発熱の終了後、前記レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になるまでの間は、前記第１の冷却装置を用いて前記強制冷却を行い、次いで、前記第２の冷却装置を用いて前記レールの頭部表面の冷却速度が２℃／秒以上２０℃／秒以下になるように前記頭部表面の温度が４５０℃以下になるまで強制冷却を行うことが望ましい。
前記第２の冷却装置による強制冷却は、前記第１の冷却装置において強制冷却された前記レールを冷却床に搬送するまでの間で行うことが望ましい。
前記第１の冷却装置ではエア又はミストを用いて前記レールを強制冷却し、前記第２の冷却装置ではミスト又は水を用いて前記レールを強制冷却することが望ましい。
前記第２の冷却装置では、前記レールを一方向に搬送させて前記レールを強制冷却することが望ましい。
上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の第１の態様にかかるレールの製造装置は、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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造装置であって、レールの頭部に冷却媒体を噴出させる頭部冷却ヘッダと、レールの頭部の表面温度を測定する頭部温度計と、前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する制御部とを有し、前記制御部は、強制冷却中の前記頭部温度計による測定結果を監視する温度監視部を備え、さらに、前記制御部は、前記強制冷却の開始後10秒間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記温度監視部による前記測定結果履歴をもとに、変態発熱の開始及び終了を判断するとともに、変態発熱開始から変態発熱終了までの間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒未満あるいは昇温速度が５℃／秒以下となるように前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記変態発熱終了後、前記頭部表面の温度が４５０℃以下になるまでの間は前記頭部表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する冷却速度制御部を備えることを特徴とする。
上記した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の第２の態様にかかるレールの製造装置は、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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造装置であって、レールの頭部に冷却媒体を噴出させる第１の頭部冷却ヘッダと、レールの頭部の表面温度を測定する第１の頭部温度計とを有する第1の冷却装置と、レールの頭部に冷却媒体を噴出させる第２の頭部冷却ヘッダと、レールの頭部の表面温度を測定する第２の頭部温度計とを有する第２の冷却装置と、前記第１の頭部冷却ヘッダ及び前記第２の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する制御部と、を有し、前記制御部は、強制冷却中の前記第１の頭部温度計及び第２の頭部温度計による測定結果を監視する温度監視部を備え、さらに、前記制御部は、前記強制冷却の開始後10秒間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記第１の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記温度監視部による前記第１の頭部温度計による測定結果履歴をもとに、変態発熱の開始及び終了を判断するとともに、変態発熱開始から変態発熱終了までの間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒未満あるいは昇温速度が５℃／秒以下となるように前記第１の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記変態発熱終了後、前記レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になるまでの間は前記頭部表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記第１の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になった後に、第２の冷却装置にレールを搬送し、前記第１の冷却装置において強制冷却された前記レールを、該レールの頭部表面の冷却速度が２℃／秒以上２０℃／秒以下となるように該レールの頭部表面の温度が４５０℃以下になるまでの間、前記第２の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する、冷却速度制御部を備えることを特徴とする。
前記第２の冷却装置は、前記第1の冷却装置において強制冷却された前記レールを冷却床に搬送するまでの間で前記強制冷却を行うことが望ましい。
前記第１の冷却装置では前記冷却媒体がエア又はミストであり、前記第２の冷却装置では前記冷却媒体がミスト又は水であることが望ましい。
本発明によれば、頭部の強制冷却を停止させずに頭部表層の変態中における頭部の表面温度を保温又は昇温させることができ、冷却時間を増大させることなくレールの頭部表面から中心部まで頭部全体で高い硬度を得ることができる。
図１は、本発明の第１の実施形態であるレールの製造装置の全体構成を示す模式図である。 図２は、図１に示す冷却装置の構成を示す模式図である。 図３は、レールの強制冷却部位を説明する図である。 図４は、図１に示すレールの製造装置の制御系の構成を示すブロック図である。 図５は、本発明の第１の実施形態である冷却制御処理によって実現されるレールの頭部表面の冷却速度又は昇温速度の速度パターンを説明する図である。 図６は、本発明の第１の実施形態である冷却制御処理の処理手順を示すフローチャートである。 図７は、本発明の第２の実施形態であるレールの製造装置の全体構成を示す模式図である。 図８は、図７に示す第２冷却装置の構成を示す模式図である。 図９は、図７に示すレールの製造装置の制御系の構成を示すブロック図である。 図１０は、本発明の第２の実施形態である冷却制御処理によって実現されるレールの頭部表面の冷却速度又は昇温速度の速度パターンを説明する図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態である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、本発明の第１及び第２の実施形態であるレールの製造装置の構成及びその動作について説明する。
〔第１の実施形態〕
［全体構成］
始めに、図１を参照して、本発明の第１の実施形態であるレールの製造装置の全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態であるレールの製造装置の全体構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の第１の実施形態であるレールの製造装置１は、製品断面形状のレール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するためのものであり、冷却装置２を備えている。
冷却装置２は、圧延機４においてオーステナイト域温度以上で熱間圧延された後、場合によっては切断機５で分割された高温のレール、又は、オーステナイト域温度以上に再加熱された高温のレールに対して後述する強制冷却を行う装置であり、製造ライン内に搬送装置等で形成されるレールの搬送経路に沿って圧延機とともに設定される。冷却装置２には、処理位置まで搬入されたレールの頭部及び足部を強制冷却する。
なお、レールは、例えば１００ｍ程度の圧延長のままで冷却装置２に搬入されて冷却される場合もあれば、１本当りの長さが例えば２５ｍ程度の長さに切断（鋸断）された後で冷却装置２に搬入され、冷却される場合もある。鋸断されたレールを冷却対象とする冷却装置としては、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。
冷却装置２において強制冷却されたレールは、冷却床６に搬送される。
［冷却装置の構成］
次に、図２を参照して、冷却装置２の構成について説明する。
図２は、図１に示す冷却装置２の構成を示す模式図である。図２に示すように、冷却装置２は、レール１０の頭部１１を冷却するための頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３（頭頂冷却ヘッダ３１と頭側冷却ヘッダ３３とを総称して「頭部冷却ヘッダ」と呼ぶ）と、レール１０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る構成としてもよい。
頭頂冷却ヘッダ３１、頭側冷却ヘッダ３３、及び足裏冷却ヘッダ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１０の長手方向に沿って配置され、図３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２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１０の頭部１１両側方にレール１０の長手方向に沿って配置され、図３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２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１０の足部１３下方にレール１０の長手方向に沿って配置され、図３に示す足部１３の裏面（足裏）１３１に向けて冷却媒体を噴射する（図２の矢印Ａ１５）。
これら冷却ヘッダ３１，３３，３５の各々は、冷却媒体の噴射の制御が可能に構成されている。すなわち、冷却ヘッダからの吐出量や吐出圧、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、冷却媒体による冷却能力を変更するためのものであり、これらを調整することにより、頭部１１表面及び足部１３裏面の冷却速度を制御する。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、及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、及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、冷却装置２は、処理位置のレール１０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１０の足部１３を両側で挟持し、冷却中にレール１０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１０の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１０の長手方向に沿って概ね５ｍ間隔で設置される。
また、冷却装置２は、レール１０の頭部１１上方に設けられ、頭部１１の表面温度（例えば、頭頂面１１１内の１箇所）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の表面温度（例えば、裏面１３１内の１箇所）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及び足部温度計３９３は、図４に示すように、制御部５０と接続されており、随時測定値を制御部５０に出力する。
制御部５０は、主な機能部として、温度監視部５１と、冷却速度制御部５３とを備える。レール１０の頭部１１の表面だけでなく内部（中心部）まで高い耐磨耗性及び高い靭性を有する高硬度レールとするためには、頭部１１全体をパーライト変態させることが重要である。そのために、制御部５０は、強制冷却を開始してから終了するまでの強制冷却の過程において、少なくとも頭部１１表層の変態中における頭部１１の表面温度を保温又は昇温させるように頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度を制御する（冷却制御処理）。本実施形態では、制御部５０は、温度監視部５１が、頭部温度計３９１による測定結果、すなわち、冷却中のレール１０の頭部１１の表面温度を監視し、冷却速度制御部５３は、表面温度履歴（頭部温度計３９１による測定結果履歴）をもとに頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度が図５を参照して後述する速度パターンとなるように、冷却ヘッダ３１，３３，３５からの冷却媒体の噴射を制御する。
この制御部５０は、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た記憶部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５０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１０の頭部１１や足部１３の表面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。
先ず、冷却制御処理の原理について説明する。図５は、本発明の第１の実施形態である冷却制御処理によって実現される頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度の速度パターンを説明する図である。
（１）強制冷却の開始後１０秒間の冷却速度
パーライトへの変態は、概ね５５０℃〜７３０℃の温度域で起こるが、本発明の発明者らは、５５０℃以上６５０℃以下の温度域で変態したパーライトの耐磨耗性及び靭性が高いことを知見した。また、本発明の発明者らは、この５５０℃以上６５０℃以下の温度域でパーライト変態させるためには、強制冷却の開始後１０秒間の頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下とするのがよいことを知見した。
そこで、本実施形態の冷却制御処理では、図５に示すように、強制冷却の開始後１０秒間は、頭部１１の表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下の速度範囲Ｒ１内となるように制御する。
ところで、高温の鋼材を冷却する場合、強制冷却の開始直後（例えば、強制冷却の開始後１０秒間）では冷却速度が速く、その後温度の低下とともに冷却速度が低下していくのが一般的である。しかしながら、本発明の発明者らの検討によれば、強制冷却の開始直後の冷却速度を２０℃／秒以下に抑えればベイナイト変態やマルテンサイト変態は起こらない。そのため、強制冷却の開始直後の冷却速度を１℃／秒以上としても問題はない。
（２）強制冷却の開始後１０秒を経過した後、頭部１１表面が変態発熱を開始し始めるまでの間の冷却速度
本発明の発明者らは、冷却開始から１０秒経過以後においては頭部１１表面を１℃／秒以上５℃／秒以下の冷却速度で冷却することが必要であり、少なくとも頭部１１の表面が変態発熱し始めるまでは、１℃／秒以上５℃／秒以下の冷却速度で頭部１１表面を冷却する必要があることを知見した。５℃／秒を超える冷却速度で冷却してしまうと、変態温度が低くなり過ぎてしまい、その結果ベイナイト変態又はマルテンサイト変態が起こって頭部１１の耐磨耗性や靭性の低下を招く。一方、１℃／秒未満で冷却した場合、変態開始温度が高くなり、変態開始温度が６５０℃を超える温度まで上昇する事態が生じ得る。上記したように、変態開始温度が６５０℃を超えると耐磨耗性や靭性が低下するため、好ましくない。
そこで、本実施形態の冷却制御処理では、図５に示すように、強制冷却の開始後１０秒を経過した後、頭部１１表面が変態発熱を開始し始める時点ＴＡまでの間は、頭部１１表面の冷却速度が１℃／秒以上５℃／秒以下の速度範囲Ｒ３内となるように制御する。
（３）変態中の冷却速度又は昇温速度
強制冷却開始後の冷却初期では、頭部１１の表面温度は漸次降下していき、この表面温度の降下によって頭部１１表層の変態（パーライト変態）が始まる。ここで、変態中は、変態発熱によって冷却速度が急速に低下する。その後、変態の進行に伴い、頭部１１の表面温度は一旦上昇（昇温）する（冷却速度は負の値となる）。そして、頭部１１の表面温度は、頭部１１表層のパーライト変態がほぼ完了した時点で再び降下し始める。
本発明の発明者らは、頭部１１全体をパーライト変態させるためには、頭部１１表面が変態発熱を開始し始めてからは、頭部１１の表面温度を保温又は５℃／秒以下の昇温速度で昇温させるのがよく、パーライト変態が促進されることを知見した。ここで、保温とは、頭部１１表面の冷却速度が１℃／秒未満の状態のことをいう。昇温速度が５℃／秒以上になると、頭部１１表層の変態発熱が大きくなり過ぎてしまい、頭部１１中心部における冷却速度が確保できなくなる。結果、頭部１１中心部において変態温度が上昇し、頭部１１中心部の硬度が低下して高い耐磨耗性が得られなくなる。
そこで、本実施形態の冷却制御処理では、図５に示すように、前述のように頭部１１表面が変態発熱を開始し始める時点ＴＡから頭部１１表面が変態発熱を終了する時点ＴＢまでの間を変態中とし、この変態中ＴＡ〜ＴＢは、冷却（冷却媒体の噴射）自体は停止させずに継続しつつ頭部１１表面を保温するために頭部１１表面の冷却速度が１℃／未満となるように制御し、又は、頭部１１表面の昇温速度が５℃／秒以下となるように制御する。すなわち、頭部１１表面の冷却速度が−５℃／秒以上１℃／秒未満の速度範囲Ｒ５内となるように制御する。５℃／秒以下の昇温速度は、前述の変態発熱を考慮して冷却媒体の噴射制御を行うことで、冷却を継続しながらの実現が可能である。
ここで、変態開始時点ＴＡは、予め、変態発熱が生じない場合の冷却媒体の噴射条件（圧力や流量等）条件と冷却速度との関係を求めておき、この関係を満足しなくなった時、すなわち、ある噴射条件で強制冷却を行っていた際に実際に得られた冷却速度がこの関係から得られる冷却速度よりも遅くなった時を変態開始時点ＴＡとすることによって、判断すればよい。あるいは、変態前の冷却速度１℃／秒以上５℃／秒以下を実現可能なある一定の冷却媒体噴射条件を予め求めておき、求めておいた一定の冷却媒体噴射条件で強制冷却を行い、昇温に転じた時を変態開始時点ＴＡとしてもよい。いずれの判断手法によっても判断される変態開始時点ＴＡが大きくずれることはなく、頭部１１中心部における変態温度の上昇防止の観点からは差異はない。頭部１１表面の変態発熱終了時点ＴＢについても、同様の方法で変態発熱による冷却速度の低下又は昇温がなくなった時を変態発熱終了時点ＴＢとすることによって、判断することができる。
（４）変態発熱の終了後、レールの頭部表面の温度が４５０℃以下になるまでの間の冷却速度
本発明の発明者らは、頭部１１表層の変態がほぼ終了して頭部１１の表面温度が再び降下し始めた後の頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下とすることで、頭部１１中心部における冷却速度を確保し、頭部１１中心部の硬度を十分に高めることができることを知見した。具体的には、これによって頭部１１中心部の硬度をＨＢ３７０以上とすることができる。なお、変態発熱の終了後、レールの頭部の表面の温度が４５０℃以下になるまでの冷却速度が２０℃／秒よりも大きい場合には、急速な冷却となるために、レールの一部に割れが発生する可能性がある。
変態発熱の終了後の強制冷却は、レール１０の頭部１１の表面温度が４５０℃以下になるまで行う。冷却装置２による強制冷却後に頭部１１の表面温度が４５０℃より高い場合、パーライトが焼き戻され、硬度が低下する可能性があるためである。頭部１１の表面温度は頭部温度計３９１により測定できる。
なお、本実施形態においては、変態発熱の終了後、レールの頭部の表面温度が４５０℃以下になるまでの冷却は、ひとつの冷却装置２により行っているが、後述する第２の実施形態で説明するように、レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になった後は、別の冷却装置を用いて強制冷却を行うようにしてもよい。この場合、冷却装置２で冷却を終了した後、別の冷却装置で強制冷却を開始するまでの間隔は５分以内とすることが好ましい。この理由については第２の実施形態の説明において詳述する。
そこで、本実施形態の冷却制御処理では、図５に示すように、変態発熱終了時ＴＢ以降は、頭部１１表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下の速度範囲Ｒ７内となるように制御する。
次に、本発明の第１の実施形態である冷却制御処理の詳細な処理手順について説明する。図６は、本発明の第１の実施形態である冷却制御処理の処理手順を示すフローチャートである。冷却装置２は、制御部５０の冷却速度制御部５３が図６の処理手順に従って冷却制御処理を行うことでレールの製造方法を実施する。
冷却装置２は、処理位置に搬送されたオーステナイト域温度以上の高温状態のレール１０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１０の強制冷却を開始するが、このとき、図６に示すように、温度監視部５１が、頭部温度計３９１から随時入力される測定値をもとに頭部１１の表面温度の監視を開始する（ステップＳ１）。そして、冷却速度制御部５３が、温度監視部５１によって監視される頭部１１の表面温度履歴をもとに、頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度が図５の速度パターンとなるように頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３からの冷却媒体の噴射を制御する（ステップＳ３〜ステップＳ１５）。冷却速度又は昇温速度の制御は、頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３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力、温度、水分量を段階的又は断続的に変更することで行う。
すなわち、冷却速度制御部５３は、強制冷却の開始後１０秒間を経過するまでの間は（ステップＳ３：Ｎｏ）、頭部１１の表面温度履歴をもとに、頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下に制御する（ステップＳ５）。そして、冷却速度制御部５３は、強制冷却開始後１０秒を経過した後（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、頭部１１表面が変態発熱を開始し始める時点ＴＡまでの間は（ステップＳ７：Ｎｏ）、頭部１１の表面温度履歴をもとに、頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上５℃／秒以下に制御する（ステップＳ９）。ここで、冷却速度制御部５３は、表面温度履歴、すなわち温度監視部５１からの頭部１１表面の測定結果履歴をもとに、冷却速度が低下し始めた時点、あるいは、昇温に転じた時点で、変態発熱開始時点ＴＡに到達したと判断する。そして、冷却速度制御部５３は、頭部１１の表面が変態発熱を開始後（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、頭部１１の表面が変態発熱を終了する時点ＴＢまでの変態中は（ステップＳ１１：Ｎｏ）、頭部１１の表面温度履歴をもとに、頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒未満に制御し、又は、頭部１１の表面の昇温速度を５℃／秒以下に制御する（ステップＳ１３）。そして、冷却速度制御部５３は、頭部１１表面が変態発熱を終了した後は（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、頭部１１の表面温度履歴をもとに、頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下に制御する（ステップＳ１５）。ここで、冷却速度制御部５３は、表面温度履歴、すなわち温度監視部５１からの頭部１１表面の測定結果履歴をもとに、冷却速度の低下がなくなった時点、あるいは、昇温がなくなった時点で、変態発熱終了時点ＴＢに到達したと判断する。
なお、足裏冷却ヘッダ３５からの冷却媒体の噴射制御については、制御部５が、上記処理と並行して、足部温度計３９３から随時入力される測定値等を適宜用いて制御する。
その後は、１℃／秒以上２０℃／秒以下の冷却速度のままで頭部１１の表面温度が４５０℃以下の予め定められる温度（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。強制冷却を終えたレール１は、クランプ３７が外されて冷却装置２から搬出され、冷却床６に搬送され、常温まで空冷されて製品となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、頭部１１表層の変態開始後も強制冷却を停止させることなくその変態中における頭部１１の表面温度を保温又は昇温させることができる。加えて、頭部１１表層の変態中以外の強制冷却過程においても、頭部１１表面の冷却速度を適正に制御することができる。これによれば、軟化を招くベイナイトへの変態及び靭性を低下させるマルテンサイトへの変態を起こさずに頭部１１の全体を確実にパーライト変態させることができる。また、頭部１１中心部の硬度を十分に高めることができ、ＨＢ３７０以上を確保することができる。従って、冷却時間を増大させることなく頭部の表面から中心部まで頭部全体を微細なパーライト組織とし、頭部全体が高硬度のレールを製造することができる。
なお、上記した実施形態では、頭部温度計３９１によって頭部１１（頭頂面１１１）の表面温度を測定し、その表面温度履歴をもとに冷却速度を制御することとしたが、頭部１１の表面温度は必ずしも測定する必要はない。例えば、過去の操業実績を学習することで冷却速度を制御することとしてもよい。具体的には、予め強制冷却開始からの経過時間毎に該当する冷却速度又は昇温速度を実現し得る頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３からの冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度、及び水分量のうちの１つ以上を段階的又は断続的な調整値をプログラム化しておき、これに従って頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３からの冷却媒体の噴射制御を行うようにしてもよい。
また、上記した実施形態では、頭部温度計３９１によって測定される頭頂面１１１の表面温度を監視し、その表面温度履歴をもとに頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３からの冷却媒体の噴射を制御することで頭部１１表面の冷却速度を制御することとした。これに対し、頭側面１１３，１１５の表面温度についても別添測定・監視し、冷却ヘッダ３３からの冷却媒体の噴射制御については、頭側面１１３，１１５の表面温度履歴をもとに行うようにしてもよい。
〔第２の実施形態〕
［全体構成］
次に、図７を参照して、本発明の第２の実施形態であるレールの製造装置の全体構成について説明する。
図７は、本発明の第２の実施形態であるレールの製造装置の全体構成を示す模式図である。図７に示すように、本発明の第２の実施形態であるレール製造装置１は、製品断面形状のレール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するためのものであり、第１冷却装置２と、第２冷却装置３と、を備えている。
第１冷却装置２は、圧延機４においてオーステナイト域温度以上で熱間圧延された後、場合によっては切断機５で分割された高温のレール、又は、オーステナイト域温度以上に再加熱された高温のレールに対して後述する第１強制冷却を行う装置である。
第２冷却装置３は、第１冷却装置２において強制冷却されたレールに対して後述する第２強制冷却を行う装置である。第２冷却装置３において強制冷却されたレールは、冷却床６に搬送される。
［第１冷却装置の構成］
第１の冷却装置２の構成は図２に示したものとほぼ同様であり、構成が同一な部分については説明を省略する。但し、第１の冷却装置２においては、冷却ヘッダ（第１の頭部冷却ヘッダ）３１，３３は、冷却媒体Ａ１１，Ａ１３としてエア（空気）又はミストを噴射するよう構成されている。冷却ヘッダ３１，３３は、冷却媒体２３の吐出量や吐出圧、温度、冷却媒体Ａ１１，Ａ１３がミストである場合は水分量のうちの少なくとも１つが調整可能なように構成されている。
［第２冷却装置の構成］
次に、図８を参照して、第２冷却装置３の構成について説明する。
図８は、図７に示す第２冷却装置３の構成を示す模式図である。図８に示すように、第２冷却装置３は、レール１０の頭頂面１１１を冷却する頭頂冷却ヘッダ３３１と、レール１０の頭側面１１３，１１５を冷却する頭側冷却ヘッダ３３２と、を備えている。これら第２冷却装置３の頭頂冷却ヘッダ３３１と頭側冷却ヘッダ３３２を総称して第２の頭部冷却ヘッダと呼ぶ（以後単に「冷却ヘッダ」と呼ぶこともある）。第２の頭部冷却ヘッダ３３１，３３２は冷却媒体Ａ３３としてミスト又は水を噴射することによってレール１０を冷却する。冷却媒体Ａ３３としてエアを用いた場合、エアの冷却能力が低いため、第２冷却装置３を実現するための建設費が上昇する。冷却ヘッダ３３１，３３２は、冷却媒体Ａ３３の吐出量や吐出圧、温度、冷却媒体Ａ３３がミストである場合は水分量のうちの少なくとも１つが調整可能なように構成されている。また、第２冷却装置３は、頭部１１の表面温度（例えば、頭頂面１１１内の１箇所）を測定する頭部温度計（第２の頭部温度計）３９５と、足部１３の表面温度（例えば、足部１３の裏面内の１箇所）を測定する足部温度計３９７とを備える。これら頭部温度計３９５及び足部温度計３９７は、図９に示すように、制御部４３と接続されており、随時測定値を制御部４３に出力する。
［制御系の構成］
次に、図９を参照して、図７に示すレールの製造装置１の制御系の構成について説明する。
図９は、図７に示すレールの製造装置１の制御系の構成を示すブロック図である。図９に示すように、制御系４０は、制御部４３、及び記憶部４４を備えている。
第１冷却装置２の頭部温度計（第１の頭部温度計）３９１及び第２冷却装置３の頭部温度計（第２の頭部温度計）３９５は、レール１０の図２、図８に示すようにレール１０の頭部１１上方に配置されている。頭部温度計３９１、３９５は、強制冷却中にレール１０の頭部１１の表面温度を測定し、測定された表面温度の情報を制御部４３に入力する。
第１冷却装置２の足部温度計３９３及び第２冷却装置の足部温度計３９７は、図２、図８に示すように、強制冷却中にレール１０の足部１３の表面温度を測定し、測定された表面温度の情報を制御部４３に入力する。
制御部４３は、温度監視部４３ａと、冷却速度制御部４３ｂと、を備えている。レール１０の頭部１１を表面だけでなく内部（中心部）まで高い磨耗性及び高い靭性を有する高硬度とするためには、前述したとおりレール１０の頭部１１全体をパーライト変態させることが重量である。そのために、制御部４３は、第１冷却装置２及び第２冷却装置３を用いた強制冷却の過程において、少なくとも頭部１１表層の変態中における頭部１１の表面温度を保温又は昇温させるように頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度を制御する（冷却制御処理）。本実施形態では、制御部４３は、冷却中のレールの頭部１１の表面温度を監視し、表面温度履歴をもとに頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度が図１０を参照して後述する速度パターンとなるように第１冷却装置２及び第２冷却装置３を制御する。
この制御部４３は、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ている記憶部４４と接続されている。記憶部４４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４３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１０の頭部１１や足部１３の表面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。
［冷却制御処理の原理］
次に、図１０を参照して、本発明の冷却制御処理の原理について説明する。図１０は、本発明の第２の実施形態である冷却制御処理によって実現される頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度の速度パターンを説明する図である。
（１）強制冷却開始後１０秒間の冷却速度
本実施形態においては、強制冷却の開始は第１冷却装置２を用いて行う。ここで、本発明の第２の実施形態においても、強制冷却の開始後１０秒間は、頭部１１の表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下の速度範囲Ｒ１内（図１０参照）となるように制御する。この理由は第１の実施形態において説明した理由と同様であるので、ここでは説明を省略する。強制冷却開始は第１冷却装置２を用いて行う。
（２）強制冷却の開始後１０秒を経過した後、頭部１１表面が変態発熱を開始し始めるまでの間の冷却速度
強制冷却の開始後１０秒を経過した後についても、引き続き第１冷却装置２を用いて強制冷却を行う。ここで、本発明の第２の実施形態においても、強制冷却の開始後１０秒を経過した後、頭部１１表面が変態発熱を開始し始める時点ＴＡまでの間は、頭部１１表面の冷却速度が１℃／秒以上５℃／秒以下の速度範囲Ｒ３内（図１０参照）となるように制御する。この理由は第１の実施形態において説明した理由と同様であるので、ここでは説明を省略する。
（３）変態中の冷却速度又は昇温速度
頭部１１表面が変態発熱を開始し始める時点ＴＡ以降についても、引き続き第１冷却装置２を用いて強制冷却を行う。ここで、本発明の第２の実施形態においても、変態中、すなわち、頭部１１表面が変態発熱を開始し始める時点ＴＡから頭部１１表面が変態発熱を終了する時点ＴＢまでの間は、頭部１１表面の冷却速度が−５℃／秒以上１℃／秒未満の速度範囲Ｒ５内（図１０参照）となるように制御する。すなわち、頭部１１表面の冷却速度が１℃／秒未満、あるいは、頭部１１表面の昇温速度が５℃／秒以上になるようにする。この理由は第１の実施形態において説明した理由と同様であるので、ここでは説明を省略する。
（４）変態発熱終了後、レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になるまでの間の冷却速度
上述したとおり、頭部１１表層の変態がほぼ終了して頭部１１の表面温度が再び降下し始めた後の頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下とすることで、頭部１１中心部における冷却速度を確保し、頭部１１中心部の硬度をＨＢ３７０以上とすることができる。従って、本実施形態の冷却制御処理では、変態発熱終了時ＴＢ以降は、図１０に示すように、頭部１１表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下の速度範囲Ｒ７内となるように制御する。なお、変態発熱終了後の冷却も第１冷却装置２を用いて行う。
ここで、変態発熱終了時ＴＢ以降の１℃／秒以上２０℃／秒以下での頭部１１表層の冷却は、頭部１１の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になるまで行い、後続する強制冷却は、後述する第２冷却装置３により行う。変態発熱終了後、レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になるまで、第１冷却装置２による冷却を継続する理由は、頭部１１の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下の温度範囲まで冷却される前に強制冷却が途切れて、頭部１１内部の硬度が低下することを防止するためである。頭部１１の内部温度が５５０℃以上６５０℃以下の範囲内になるまでの時間は、事前に頭部１１内に設けた熱電対で頭部１１の内部温度を測定する、又は頭部１１の表層の変態発熱が終了した後の冷却でパーライト変態が終了する冷却時間を調査することによって決めるとよい。
（５）第１冷却装置で頭部の内部温度が５５０℃以上６５０℃以下にまで強制冷却された後、第２冷却装置３で頭部の表面温度が４５０℃以下になるまでの冷却速度
本発明の発明者らは、第１冷却装置２で強制冷却されたレールを冷却床６に搬送するまでの間の第２冷却装置３における冷却速度を２℃／秒以上２０℃／秒以下とするのがよいことを知見した。冷却速度が２℃／秒未満である場合、冷却速度が２℃／秒以上である場合に比較して硬度が低下する傾向にあることがわかった。これはパーライトの焼き戻しが生ずるためである。一方、冷却速度が２０℃／秒より大きい場合には、急速な冷却となるために、レールの一部に割れが発生する可能性がある。そこで、本実施形態の冷却制御処理では、図１０に示すように、第２冷却装置３による強制冷却の時間帯（時間ＴＤ〜ＴＥ）においては、頭部１１表面の冷却速度が２℃／秒以上２０℃／秒以下の速度範囲Ｒ９内となるように制御する。
なお、第２冷却装置３では、第１冷却装置２による強制冷却後、復熱してからできるだけ早く強制冷却を開始することが望ましく、好ましくは第１冷却装置２による強制冷却が終了してから５分以内に強制冷却を開始することが望ましい。第１冷却装置２による強制冷却が終了してから５分以上してから強制冷却を開始した場合、第２冷却装置３での強制冷却が行われるまでの間にパーライトが焼き戻され、その後に第２冷却装置３による冷却を行っても硬度が上昇しないためである。そのため、第２冷却装置３は、第１冷却装置２と冷却床６との間に設置することが望ましい。
また、第２冷却装置２では、レール１０の頭部１１の表面温度が４５０℃以下になるまで強制冷却を行う。第２冷却装置３による強制冷却後に頭部１１の表面温度が４５０℃より高い場合、パーライトが焼き戻され、硬度が低下する可能性があるためである。頭部の表面温度は頭部温度計３９５により測定できる。強制冷却によるレール１０の反りを抑制するために足部１３の裏面を冷却してもよい。
また、第２冷却装置３は通過型の冷却装置であることが望ましい。これは、第２冷却装置３における強制冷却はパーライトの焼き戻しを抑制することを目的としており、前述のように第１冷却装置２における強制冷却が終了してから５分以内に冷却すれば良いため、必ずしもレール１０の長手方向を同じタイミングで冷却しなくてもよいためである。これにより、冷却設備の規模を小さくすることができ、建設費を抑えることができる。
次に、本発明の第２の実施形態における冷却制御処理の詳細な処理手順について説明する。図１１は、本発明の第２の実施形態である冷却制御処理の処理手順を示すフローチャートである。本実施形態であるレールの製造装置１では、制御部４３が図１１の処理手順に従って冷却制御処理を行うことでレールの製造方法を実施する。
本実施形態におけるレールの製造装置１では、処理位置に搬送されたオーステナイト域温度以上の高温状態のレールに対して第１冷却装置２及び第２冷却装置３が冷却媒体を噴射することでレールの強制冷却を開始するが、このとき、図１１に示すように、温度監視部４３ａが、頭部温度計３９１，３９５から随時入力される測定値を元に頭部１１の表面温度の監視を開始する（ステップＳ１０１）。そして、冷却速度制御部４３ｂが、温度監視部４３ａによって監視される頭部１１の表面温度履歴をもとに、頭部１１表面の冷却速度又は昇温速度が図１０の速度パターンとなるように、第１冷却装置２及び第２冷却装置３からの冷却媒体の噴射を制御する（ステップＳ１０３〜ステップＳ１１９）。冷却速度又は昇温速度の制御は、第１冷却装置２及び第２冷却装置３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、水分量を段階的又は断続的に変更することで行う。
ここで、図１１に示したフローチャートにおいて、ステップＳ１０１〜ステップＳ１１３は、冷却速度制御部４３ｂは第１冷却装置２に対して冷却媒体の噴射制御を行ない、第１冷却装置２によるレール１０強制冷却を行うが、処理の内容は、上述した第１の実施形態における処理（それぞれ、図６におけるステップＳ１〜ステップＳ１３）と同一であるため、処理内容の詳細説明は省略する。
ステップＳ１１１の処理において頭部１１表面が変態発熱を終了したと判断された場合（ステップＳ１１１：Ｙｅｓ）、冷却速度制御部４３ｂは、頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下に制御する（ステップＳ１１５）。そして、冷却速度制御部４３ｂが、頭部１１表面の変態発熱が終了してから予め設定してある時間ｔｃに達したか否かを判断する（ステップＳ１１７）。時間ｔｃは、頭部１１表面の変態発熱が終了してから１℃／秒以上２０℃／秒以下の範囲内の設定された冷却速度で冷却した際の、頭部１１内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下の範囲の予め設定した温度になる時間として設定しておくものである。すなわち、ステップ１１７の処理は、頭部１１表面の変態発熱が終了してから１℃／秒以上２０℃／秒以下の範囲内の設定冷却速度で冷却するのを終了するタイミングを判断するための処理である。時間ｔｃだけ経過していない場合（ステップ１１７：Ｎｏ）、冷却速度制御部４３ｂは頭部１１表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下に制御し、時間ｔｃに達するまでステップ１１５及びステップ１１７の処理が繰り返される。
時間ｔｃに達すると（ステップ１１７：Ｙｅｓ）、冷却速度制御部４３ｂは第１冷却装置２による強制冷却を停止するとともに、レール１０を第２冷却装置３に搬送するように製造装置１に指示する。そして、冷却速度制御部４３ｂは、第２冷却装置３における冷却速度を２℃／秒以上２０℃／秒以下とする（ステップＳ１１９）。この第２冷却装置３による強制冷却は、頭部１１の表面温度が予め定められる温度（冷却終了温度）になるまで継続され、冷却終了温度になると強制冷却を終了する。頭部１１の表面温度は、頭部温度計３９５により測定される。予め定められる冷却終了温度は４５０℃以下のレールの頭部１１の表面温度である。強制冷却を終えたレール１は、第２冷却装置３から搬出され、冷却床６に搬送され、常温まで空冷されて製品となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、頭部１１表層の変態開始後も強制冷却を停止させることなくその変態中における頭部１１の表面温度を保温又は昇温させることができる。加えて、頭部１１表層の変態中以外の強制冷却の過程においても、頭部１１表面の冷却速度を適正に制御することができる。これによれば、軟化を招くベイナイトへの変態及び靭性を低下させるマルテンサイトへの変態を起こさずに頭部１１の全体を確実にパーライト変態させることができる。また、頭部１１中心部の硬度を十分に高めることができ、ＨＢ３７０以上を確保することができる。従って、冷却時間を増大させることなく頭部１１の表面から中心部まで頭部全体を微細なパーライト組織とし、頭部１１全体が高硬度のレールを製造することができる。
なお、上記した本実施形態では、第１冷却装置２では冷却媒体としてエア又はミストを冷却ヘッダ３１，３３から噴射するように構成され、第２冷却装置３では冷却媒体としてミスト又は水を冷却ヘッダ３３１，３３２から噴射するように構成されている。しかしながら、本発明における冷却速度条件を満足できるのであれば、必ずしも第１冷却装置２の冷却媒体をエア又はミストに、第２冷却装置３の冷却媒体をミスト又は水に限定されるものではない。
但し、冷却媒体を水とすると、局所的な過冷却が発生しやすい。第１冷却装置２による強制冷却過程では、レールの頭部１１表面にパーライト変態を生じさせるが、第１冷却装置２による強制冷却の際に頭部１１表面において局所的な過冷却が発生すると、表層に局所的にマルテンサイトやベイナイトが発生する場合がある。従って、第１冷却装置２による強制冷却過程では、エア又はミストを用いることが好ましい。
第２冷却装置３による強制冷却過程においては、頭部１１の表層は既にパーライト変態を終了しており、強制冷却の目的はパーライトが焼き戻されることによる硬度の低下を防止することである。従って、水を用いてもレールの頭部１１の耐磨耗性や靭性に影響を及ぼすことはなく、冷却能力が高い水を用いることができる。第２冷却装置３における冷却媒体をエアとすると、エアの冷却能力は低いため、上述した冷却を実現するための設備が大型のものとなり、建設費が上昇する。設備の大型化を防止するためにも、第２冷却装置３で用いる冷却媒体はミスト又は水とすることが好ましい。
また、本実施形態では、頭部温度計３９１，３９５によって頭部１１の表面温度を測定し、その表面温度履歴をもとに冷却速度を制御することとしたが、頭部１１の表面温度は必ずしも測定する必要はない。例えば、過去の操業実績を学習することで冷却速度を制御することとしてもよい。具体的には、予め強制冷却開始から経過時間毎に該当する冷却速度又は昇温速度を実現し得る冷却ヘッダからの冷却媒体の吐出量、吐出圧、温度、及び水分量のうちの１つ以上の段階的又は断続的な調整値をプログラム化しておき、これに従って冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射制御を行うようにしてもよい。
また、以上説明した製造方法により製造されるレールの化学組成は特に限定されるものではないが、その一例を以下に示す。なお、以下の説明において、鋼片の成分元素の含有量を表す「％」は、特に明記しない限り「質量パーセント（ｍａｓｓ％）」を意味する。
（Ｃの含有量）
Ｃ（炭素）の含有量は、０．７０％以上０．８５％以下の範囲内とする。Ｃは、パーライトレールに対してはセメンタイトを形成し硬さや強度を高め、耐磨耗性を向上させる重要な元素である。但し、Ｃ量が０．７０％未満ではそれらの効果が小さいことから、Ｃ量の下限は０．７０％とする。一方、Ｃ量の増加はセメンタイト量の増加を意味しており、硬さや強度の上昇が期待できるものの、延性は逆に低下する。また、Ｃ量の増加はγ＋θ温度範囲を拡大させ、溶接熱影響部の軟化を助長する。これらの悪影響を考慮して、Ｃ量の上限は０．８５％とする。
（Ｓｉの含有量）
Ｓｉ（ケイ素）の含有量は、０．１％以上１．５％以下の範囲内とする。Ｓｉは、レール材に対しては、脱酸材として、及びパーライト組織を強化するために添加する。但し、Ｓｉ量が０．１％未満ではそれらの効果が小さいことから、Ｓｉ量の下限は０．１％とする。一方、Ｓｉ量の増加は、脱炭を促進させ、レールの表面疵の生成を促進させることから、Ｓｉ量の上限は１．５％とする。好ましくは、Ｓｉの含有量は、０．２％以上１．３％以下の範囲内とするのがよい。
（Ｍｎの含有量）
Ｍｎ（マンガン）の含有量は、０．０１％以上１．５％以下の範囲内とする。Ｍｎは、パーライトへの変態温度を低下させ、パーライトラメラー間隔を緻密にする効果があるため、レール内部まで高硬度を維持するために有効な元素である。但し、Ｍｎ量が０．０１％未満ではその効果が小さいことから、Ｍｎ量の下限は０．０１％とする。一方、１．５％を超えてＭｎを添加すると、パーライトの平衡変態温度（ＴＥ）を低下させると共に、マルテンサイト変態し易くなる。従って、Ｍｎ量の上限は１．５％とする。好ましくは、Ｍｎの含有量は、０．３％以上１．３％以下の範囲内とするのがよい。
（Ｐの含有量）
Ｐ（リン）の含有量は、０．００１％以上０．０３５％以下の範囲内とする。Ｐは、その含有量が０．０３５％を超えると靭性や延性を低下させることから、Ｐ量の上限は０．０３５％とする。好ましくは、Ｐ量の上限は、０．０２５％とするのがよい。一方、Ｐ量を低減させるために特殊精錬等を行うと、溶製のコスト上昇を招くことから、Ｐ量の下限は０．００１％とする。
（Ｓの含有量）
Ｓ（硫黄）の含有量は、０．０００５％以上０．０３０％以下の範囲内とする。Ｓは、圧延方向に伸展した粗大なＭｎＳを形成して延性や靭性を低下させることから、Ｓ量の上限は０．０３０％とする。一方、Ｓ量を０．０００５％未満に抑えることとすると、溶製処理時間の増大等、溶製の大幅なコスト上昇を招くことから、Ｓ量の下限は０．０００５％とする。好ましくは、Ｓの含有量は、０．００１％以上０．０１５％以下の範囲内とするのがよい。
（Ｃｒの含有量）
Ｃｒ（クロム）の含有量は、０．１％以上２．０％以下の範囲内とする。Ｃｒは、パーライトの平衡変態温度（ＴＥ）を上昇させ、パーライトラメラー間隔の微細化に寄与して硬さや強度を上昇させる。但し、そのためには０．１％以上の添加を必要とすることから、Ｃｒ量の下限は０．１％とする。一方、２．０％を超えてＣｒを添加すると、溶接欠陥の発生を増加させると共に、焼入れ性を増加させ、マルテンサイトの生成を促進させる。従って、Ｃｒ量の上限は２．０％とする。好ましくは、Ｃｒの含有量は、０．２％以上１．５％以下の範囲内とするのがよい。
以上、鋼片の化学組成について説明したが、鋼片は、上記した化学組成に加え、必要に応じてさらに以下の成分元素を含有してもよい。
（Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂの含有量）
Ｃｕ（銅）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｖ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）は、これら元素の中から選ばれる少なくとも１種を以下の含有量で含有することが好ましい。
Ｃｕを含有させる場合はその含有量は、１．０％以下の範囲内とする。Ｃｕは、固溶強化によって一層の高硬度化を図ることができる元素である。また、脱炭抑制にも効果がある。但し、それらの効果を期待するためには０．０１％以上で添加することが好ましい。一方、１．０％を超えてＣｕを添加すると、連続鋳造時や圧延時に表面割れが生じ易くなることから、Ｃｕ量の上限は１．０％とする。好ましくは、Ｃｕの含有量は、０．０５％以上０．６％以下の範囲内とするのがよい。
Ｎｉを含有させる場合はその含有量は、０．５％以下の範囲内とする。Ｎｉは、靭性や延性を向上させる有効な元素である。また、Ｃｕと複合添加することでＣｕ割れを抑制する有効な元素であるため、Ｃｕを添加する場合はＮｉを添加することが望ましい。Ｎｉによる効果を発現させるためには、Ｎｉ量は０．０１％以上とすることが好ましい。一方、１．０％を超えてＮｉを添加すると、焼入れ性を高めマルテンサイトの生成を促進させることから、Ｎｉ量の上限は１．０％とする。好ましくは、Ｎｉの含有量は、０．０５％以上０．６％以下の範囲内とするのがよい。
Ｍｏを含有させる場合はその含有量は、０．５％以下の範囲内とする。Ｍｏは、高強度化に有効な元素である。但し、Ｍｏ量が０．０１％未満ではその効果が小さいことから、Ｍｏ量は０．０１％以上とすることが好ましい。一方、０．５％を超えてＭｏを添加すると、焼入れ性を高め、その効果としてマルテンサイトが生成するため、靭性や延性を極端に低下させる。従って、Ｍｏ量の上限は０．５％とする。好ましくは、Ｍｏの含有量は、０．０５％以上０．３％以下の範囲内とするのがよい。
Ｖを含有させる場合はその含有量は、０．１５％以下の範囲内とする。Ｖは、ＶＣあるいはＶＮ等を形成してフェライト中に微細に析出し、フェライトの析出強化を通して高強度化に有効な元素である。また、水素のトラップサイトとしても機能し、遅れ破壊を抑制する効果も期待できる。そのためには０．００１％以上添加することが好ましい。一方、０．１５％を超えてＶを添加すると、それらの効果が飽和する上に合金コストも大幅に上昇することから、Ｖ量の上限は０．１５％とする。好ましくは、Ｖの含有量は、０．００５％以上０．１２％以下の範囲内とするのがよい。
Ｎｂを含有させる場合はその含有量は、０．０３０％以下の範囲内とする。Ｎｂは、オーステナイトの未再結晶温度を上昇させ、圧延時のオーステナイト中への加工歪の導入によるパーライトコロニーやブロックサイズの微細化に有効で、延性や靭性向上に対して有効な元素である。但し、それらの効果を期待するためには０．００１％以上添加することが好ましい。一方、０．０３０％を超えてＮｂを添加すると、凝固過程でＮｂ炭窒化物を晶出させ、清浄性を低下させることから、Ｎｂ量の上限は０．０３０％とする。好ましくは、Ｎｂの含有量は、０．００３％以上０．０２５％以下の範囲内とするのがよい。
（Ｃａ、ＲＥＭの含有量）
Ｃａ（カルシウム）、ＲＥＭ（希土類金属）は、これら元素の中から選ばれる少なくとも１種を以下の含有量で含有することが好ましい。すなわち、ＣａやＲＥＭは凝固時に鋼中のＯ（酸素）及びＳと結合して粒状のオキシサルファイドを形成し、延性／靭性や遅れ破壊特性を向上させる。但し、それらの効果を期待するためにはＣａでは０．０００５％以上、ＲＥＭでは０．００５％以上することが好ましい。一方、ＣａやＲＥＭを過剰に添加すると、逆に清浄性は低下する。従って、Ｃａ及び／又はＲＥＭを添加する場合には、Ｃａの含有量は０．０１０％以下の範囲内とし、ＲＥＭの含有量は０．１％以下の範囲内とする。好ましくは、Ｃａの含有量は、０．００１０％以上０．００７０％以下の範囲内とするのがよく、ＲＥＭの含有量は、０．００８％以上０．０５％以下の範囲内とするのがよい。
以上に含有量を示した成分以外の残部は、Ｆｅ（鉄）及び不可避的不純物である。なお、本発明の効果を害しない範囲であれば、上記以外の他の成分の含有を拒むものではない。Ｎ（窒素）の含有量は０．０１５％以下であれば許容でき、Ｏの含有量は０．００４％以下であれば許容できる。また、ＡｌＮやＴｉＮは転動疲労特性を低下させることから、Ａｌ（アルミニウム）の含有量は０．００３％以下に抑えるのが望ましく、Ｔｉ（チタン）の含有量は０．００３％以下に抑えるのが望ましい。
（実施例）
上述した本発明の第１の実施形態であるレールの製造装置１（図１参照）を用いて、レールを製造した。鋼材として、炭素の含有量が０．７０〜０．８５ｍａｓｓ％の範囲内にある共析系パーライトを用いた。強制冷却の開始後１０秒間、１０秒経過後から昇温開始時ＴＡまで、変態中ＴＡ〜ＴＢ、及び昇温終了時ＴＢ以降の冷却速度又は昇温速度を変えて実際にレールの強制冷却を行い、室温まで空冷した後で頭部の組織及び頭部中心部の硬度（中心硬度）を評価した（実施例１〜実施例１２及び比較例１〜比較例８）。表１に、実施例１〜実施例１２及び比較例１〜比較例８の冷却速度と、頭部組織及び中心硬度とを示す。
Figure 2014157198
（１）実施例１〜実施例１２
実施例１〜実施例１２では、９００℃で熱間圧延を終了した長尺のレールを熱処理装置３に搬入し、クランプ３７によって拘束した。そして、頭部の表面温度が７５０℃の状態から冷却ヘッダ３１，３３，３５による冷媒噴射を開始し、図６の冷却制御処理を行って表１に示す発明範囲内で頭部表面の冷却速度を制御した。本実施例では、予め、過去の操業実績等をもとに、強制冷却開始からの経過時間毎に該当する冷却速度及び昇温速度を実現し得る冷却媒体の吐出圧を決定しておき、これに従って頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３からの冷媒噴射を制御することで冷却速度及び昇温速度を制御した。また、冷却媒体は空気とした。ここで、実施例７における変態中の昇温速度：−０．５℃／秒は、冷却速度：０．５℃／秒に相当し、保温の状態である。その後、頭部の表面温度が４５０℃となった時点で強制冷却を終了した。冷却終了後は、レールをクランプ３７から外して冷却床に搬送し、常温まで空冷した。そして、常温まで空冷したサンプル（レール）を切断し、頭部の組織観察及び硬さ試験を行った。頭部組織は、サンプルの切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて観察することで評価した。また、頭部の硬さ試験は、頭頂面から２５ｍｍの深さ位置の硬さ（ＨＢ）をブリネル硬さ試験により評価し、これを中心硬度とした。
この結果、発明範囲内で冷却速度又は昇温速度を制御した実施例１〜実施例１２では、いずれの場合も、頭部全体が微細なパーライト組織とされ、中心硬度も目標値であるＨＢ３７０以上を達成した。
（２）比較例１〜比較例８
比較例１〜比較例８では、９００℃で熱間圧延を終了した長尺のレールを熱処理装置３に搬入し、クランプ３７によって拘束した。そして、頭部の表面温度が７５０℃の状態から冷却ヘッダ３１，３３，３５による冷媒噴射を開始し、表１に示すように、強制冷却の開始後１０秒間、１０秒経過後から昇温開始時ＴＡまで、変態中ＴＡ〜ＴＢ、及び昇温終了時ＴＢ以降の１つ以上における頭部表面の冷却速度を発明範囲外として制御した。本比較例では、予め、過去の操業実績等をもとに、強制冷却開始からの経過時間毎に該当する冷却速度及び昇温速度を実現し得る冷却媒体の吐出圧を決定しておき、これに従って頭頂冷却ヘッダ３１及び頭側冷却ヘッダ３３からの冷媒噴射を制御することで冷却速度及び昇温速度を制御した。また、冷却媒体は空気とした。その後、頭部の表面温度が４５０℃となった時点で強制冷却を終了した。冷却終了後は、レールをクランプ３７から外して冷却床に搬送し、常温まで空冷した。そして、常温まで空冷したサンプル（レール）を切断し、頭部の組織観察及び硬さ試験を行った。頭部組織は、サンプルの切断面をＳＥＭを用いて観察することで評価した。また、頭部の硬さ試験は、頭頂面から２５ｍｍの深さ位置の硬さ（ＨＢ）をブリネル硬さ試験により評価し、これを中心硬度とした。
この結果、比較例１，３，５，６，７では、中心硬度が目標値であるＨＢ３７０を達成できなかった。また、比較例２，４，５，８では、頭部表層及び／又は頭部中心部にベイナイトやマルテンサイトが存在し、頭部全体をパーライト組織とすることができなかった。
さらに、上述した本発明の第２の実施形態である図７に示すレールの製造装置を利用して、オーステナイト域温度でレール形状に圧延された鋼材を強制冷却した。鋼材として、炭素の含有量が０．７０〜０．８５％の範囲内にある共析系パーライトを用いた。強制冷却は７５０℃から開始し、その後の冷却条件は以下の表２に示す通りとした。また、予め強制冷却時間における冷却媒体の吐出量を決定し、指定の冷却速度又は昇温速度及び冷却停止温度となるように冷却媒体を噴射した。なお、実施例１０６における変態中の昇温速度（−０．５℃／秒）は冷却速度０．５℃／秒を意味する。また、冷却停止温度は、第１冷却装置においては頭部の内部温度（頭頂面から２５ｍｍ深さ）であり、第２冷却装置においては頭頂部の表面温度である。冷却終了後、冷却床にて放冷で常温まで冷却した。冷却後のレールからサンプルを採取し、組織観察及び硬さ試験を実施した（実施例１０１〜１１７及び比較例１０１〜１０９）。代表値として、頭頂部から鉛直方向に向かって表層（２ｍｍ深さ位置）の組織及び内部（２５．４ｍｍ深さ位置）におけるブリネル硬さを表２に併記した。
Figure 2014157198
表２に示すように、本発明の方法により内部まで高硬度のレールを生産性高く製造可能であることが確認された。
本発明によれば、冷却時間を増大させることなく、表層が高硬度のパーライト組織であり、レールの頭部表面から中心部まで頭部全体で高い硬度を得ることができるレールの製造方法及び製造装置を提供することができる。
１ レールの製造装置
２ 冷却装置（第１冷却装置）
３ 第２冷却装置
４ 圧延機
５ 切断機
６ 冷却床
１０ レール
１１ 頭部
１１１ 頭頂面
１１３ 頭側面
１１５ 頭側面
１３ 足部
１５ 腹部
３１，３３ 冷却ヘッダ（第１の頭部冷却ヘッダ）
３３１，３３２ 冷却ヘッダ（第２の頭部冷却ヘッダ）
３９１ 頭部温度計（第１の頭部温度計）
３９５ 頭部温度計（第２の頭部温度計）
４０ 制御系
４３ 制御部
４３ａ 温度監視部
４３ｂ 冷却速度制御部
４４ 記憶部
５０ 制御部
５１ 温度監視部
５３ 冷却速度制御部

Claims (9)

  1. 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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造方法であって、
    前記強制冷却の開始後１０秒間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記強制冷却を行い、
    前記強制冷却の開始後１０秒を経過した後、前記頭部表面が変態発熱を開始し始めるまでの間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上５℃／秒以下となるように前記強制冷却を行い、
    前記変態発熱の開始から変態発熱の終了までの間を変態中とし、該変態中は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒未満あるいは昇温速度が５℃／秒以下となるように前記強制冷却を行い、
    前記変態発熱の終了後、前記頭部表面の温度が４５０℃以下になるまでの間は前記頭部表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記強制冷却を行うことを特徴とするレールの製造方法。
  2. 前記強制冷却は第１の冷却装置及び第２の冷却装置を用いて行い、前記強制冷却の開始から前記変態発熱の終了後、前記レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になるまでの間は、前記第１の冷却装置を用いて前記強制冷却を行い、次いで、前記第２の冷却装置を用いて前記レールの頭部表面の冷却速度が２℃／秒以上２０℃／秒以下になるように前記頭部表面の温度が４５０℃以下になるまで強制冷却を行うことを特徴とする請求項１に記載のレールの製造方法。
  3. 前記第２の冷却装置による強制冷却は、前記第１の冷却装置において強制冷却された前記レールを冷却床に搬送するまでの間で行うことを特徴とする請求項２に記載のレールの製造方法。
  4. 前記第１の冷却装置ではエア又はミストを用いて前記レールを強制冷却し、前記第２の冷却装置ではミスト又は水を用いて前記レールを強制冷却することを特徴とする請求項２又は３に記載のレールの製造方法。
  5. 前記第２の冷却装置では、前記レールを一方向に搬送させて前記レールを強制冷却することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のレールの製造方法。
  6. 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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造装置であって、
    レールの頭部に冷却媒体を噴出させる頭部冷却ヘッダと、レールの頭部の表面温度を測定する頭部温度計と、前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する制御部とを有し、
    前記制御部は、強制冷却中の前記頭部温度計による測定結果を監視する温度監視部を備え、
    さらに、前記制御部は、前記強制冷却の開始後10秒間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記温度監視部による前記測定結果履歴をもとに、変態発熱の開始及び終了を判断するとともに、変態発熱開始から変態発熱終了までの間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒未満あるいは昇温速度が５℃／秒以下となるように前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記変態発熱終了後、前記頭部表面の温度が４５０℃以下になるまでの間は前記頭部表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する冷却速度制御部を備えることを特徴とするレールの製造装置。
  7. 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少なくとも頭部の強制冷却を行うレールの製造装置であって、
    レールの頭部に冷却媒体を噴出させる第１の頭部冷却ヘッダと、レールの頭部の表面温度を測定する第１の頭部温度計とを有する第1の冷却装置と、
    レールの頭部に冷却媒体を噴出させる第２の頭部冷却ヘッダと、レールの頭部の表面温度を測定する第２の頭部温度計とを有する第２の冷却装置と、
    前記第１の頭部冷却ヘッダ及び前記第２の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する制御部と、を有し、
    前記制御部は、強制冷却中の前記第１の頭部温度計及び第２の頭部温度計による測定結果を監視する温度監視部を備え、
    さらに、前記制御部は、前記強制冷却の開始後10秒間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記第１の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記温度監視部による前記第１の頭部温度計による測定結果履歴をもとに、変態発熱の開始及び終了を判断するとともに、変態発熱開始から変態発熱終了までの間は前記頭部表面の冷却速度が１℃／秒未満あるいは昇温速度が５℃／秒以下となるように前記第１の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記変態発熱終了後、前記レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になるまでの間は前記頭部表面の冷却速度を１℃／秒以上２０℃／秒以下となるように前記第１の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整し、前記レールの頭部の内部の温度が５５０℃以上６５０℃以下になった後に、第２の冷却装置にレールを搬送し、前記第１の冷却装置において強制冷却された前記レールを、該レールの頭部表面の冷却速度が２℃／秒以上２０℃／秒以下となるように該レールの頭部表面の温度が４５０℃以下になるまでの間、前記第２の頭部冷却ヘッダからの冷却媒体の噴射を調整する、冷却速度制御部を備えることを特徴とするレールの製造装置。
  8. 前記第２の冷却装置は、前記第1の冷却装置において強制冷却された前記レールを冷却床に搬送するまでの間で前記強制冷却を行うことを特徴とする請求項７に記載のレールの製造装置。
  9. 前記第１の冷却装置では前記冷却媒体がエア又はミストであり、前記第２の冷却装置では前記冷却媒体がミスト又は水であることを特徴とする請求項７又は８に記載のレールの製造装置。
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