KR100366547B1 - 레일의 열처리 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열차의 주행시 차륜과 접촉에 의해 마모가 심한 철도 레일의 주행면인 두부의 내마모성을 증가시켜 레일의 품질 및 수명을 향상시킬수 있는 레일의 열처리 방법 및 장치에 관한 것으로 이는 특히, 전기유도 가열장치인 예열 히이터를 통해 레일 전체부위를 약 500∼600℃ 로 예열한후, 레일의 두부를 약 800∼1000℃ 구간의 일정온도 구역으로 메인 히이터를 통해 재가열하며, 상기 재가열된 레일의 두부를 약 800∼500℃ 구간의 소정온도 범위에서 압축공기를 이용하여 레일 두부에 분사하여 적절한 냉각의 세기로 슬랙 퀀칭 열처리토록 한후, 물과 압축공기의 혼합체인 에어 미스트를 분사하여 레일 두부의 온도를 200 ∼250oC 로 냉각하는 것이다.
이에따라서, 레일 두부의 강도 및 경도등의 기계적 성질을 향상시키며, 특히 레일 두부의 경화에 따른 내마모성을 향상시켜 레일의 수명을 향상시키고, 또한 레일의 열처리 직후에 발생되는 레일 전장에 걸친 휨 변형을 극소화 하고, 레일 생산이 연속적으로 이루어질수 있는 열처리용 레일의 제조방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

레일의 열처리방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR HEAT TREATED SLACK QUENCHING OF RAILS}
본 발명은 열차의 주행시 차륜과 접촉에 의해 마모가 심한 철도 레일의 주행면인 두부의 내마모성을 증가시켜 레일의 품질 및 수명을 향상시킬수 있는 레일의 열처리 방법 및 장치에 관한 것으로 이는 특히, 레일의 열처리시 퀀칭 노즐박스를 통하여 압축공기를 이용하여 가열된 레일의 두부만을 서냉시켜 미세한 퍼얼라이트 조직을 얻을수 있도록 하며, 레일 두부와 저부의 온도차에 따른 휨 변형을 방지토록 물과 압축공기의 혼합체인 고압의 에어 미스트(Air Mist)를 다단계로 분사하여 레일 두부를 냉각토록 함으로 인하여, 레일의 슬랙 퀀칭(SLACK QUENCHING) 열처리를 위한 압축 공기량을 줄여 생산경비를 줄일수 있도록 함은 물론, 열처리 직후의 레일 전장에 걸친 휨 변형을 극소화하고, 레일 생산이 연속적으로 이루어질수 있게 되는 레일의 열처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 철도차량의 중량화와, 고속화에 따라 철도 레일의 차륜과 직접 접촉하는 레일의 주행면인 레일 두부의 주행면 마모율은 점차 심화되어 차량의 반복하중에 의해 국부적인 변형 및 훼손과, 치명적인 파단이 발생하게 되며, 이로인한 레일의 수명과 안정성이 줄어들게 되고, 이에따라 레일의 보수 및 교체비용이증가하고 있는 실정인 것이다.
이에따라서, 철도 레일의 주행면인 두부에 대해 적정수준의 강도와 경도 등의 기계적인 성질을 개선하여 내마모성을 증대시키며, 레일의 품질을 개선시키기 위하여 레일의 두부를 열처리 하게 되고, 상기 레일의 열처리를 위하여 레일소재를 고온영역으로 재가열하여 적절한 냉각방법을 통하여 퀀칭 냉각시켜주게 되며, 이때 레일의 재가열은 내부조직을 변화시키기 위한 온도인 Ac3변태점 이상으로 가열한후, 이를 적절한 냉각매체를 이용하여 냉각속도를 조절하면서 냉각하여 적정수준의 강도와 경도를 지닌 내마모성이 개선된 고품질의 레일을 얻을수 있는 것이다.
이와같은 기술과 관련된 종래의 레일 열처리방법에 있어서는, 한국 공개특허 공보 제 87-9469호 에서와 같이, 레일을 야금학적 변태온도 Ac3변태점 이하의 538oC 까지 가열한후, 레일 표면인 두부와 저부를 약 1038oC 및 816oC 까지 가열하고, 그 표면 조직을 위하여 상기 두부와 저부를 재차 538oC까지 퀀칭 열처리 하여 상기 레일을 실온까지 물 분무 냉각을 통하여 레일 표면의 내마모성을 증대시키는 것이다.
상기와같은 경우, 레일의 저부를 두부와 동시에 별도로 각각 국부적으로 재가열한 직후, 에어 퀀칭시 많은양의 전력비와 압축공기의 유량이 소요되며, 상기 레일의 냉각을 위하여 상온까지 노즐을 통한 물의 분무시, 에너지의 낭비가 심하게 발생되는 단점이 있는 것이다.
또한, 한국 공개특허 제86-5040호에 의한 레일 열처리 방법에 있어서는, 다양한 강도수준을 갖는 경두레일의 열처리를 위하여 열간압연 혹은 별도로 재가열된 오스테나이트 영역의 고온으로 유지된 레일의 주위에 노즐을 설치하여 레일 두부 부위가 미립 퍼얼라이트 조직으로 변태가 완료될 때 까지 가스상의 냉각매체를 분사하여 냉각시키는 것이다.
상기 열처리 방법에 있어서는, 레일 두부를 냉각하는 냉각매질로서 압축공기를 사용함으로써, 상기 압축공기의 발생을 위한 장비 및 전력이 많이 필요하게 되어 생산단가가 상승하며, 비 경제적인 단점이 있는 것이다.
이에 더하여서 최근에는, 한국 공개특허공보 제 96-4335호에 의한 레일 열처리 방법이 알려져 있으며, 이는 열간압연 과정중 최종형상으로 소성 변형된 레일을 자체에 함유된 고열을 이용하여 별도로 재가열 하지않고 온도를 750∼1100oC로 유지하며, 대기중의 방열에 의해 레일을 자연 냉각시키는 과정으로 변태온도인 Ar3보다 5∼120oC 이상인 820∼860oC 까지 균일하게 냉각하고, 차량의 주행면인 레일 두부를 800∼450oC 범위로 침지 냉각시킨다.
계속해서, 상기 냉각과 동시에 레일의 저부를 압축공기나 또는 공기-물의 혼합물을 에어 미스트(Air-Mist) 상태로 분무하여 냉각 시킴으로써, 레일의 균일한 변형을 유지하면서, 레일의 두부를 경화시켜 내마모성을 증대시키는 것이다.
그러나, 상기 레일 두부를 냉각시키기 위하여 별도의 냉각수 침지탱크나, 또는 냉각수 콘테이너가 필요하게 되며, 레일 두부의 침지를 위한 레일 회전장치가추가로 필요로 하게 되어, 초기 설비의 투자와, 인 - 라인(IN - LINE) 방식을 위한 설치공간을 필요로 하게 되는등 많은 문제점이 있는 것이다.
본 발명은 상기한 바와같은 종래의 여러 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 레일 전체부위를 예열하고, 재차 레일 두부만을 재가열한후, 소재 레일의 두부만을 압축공기의 분사에 의해 슬랙 퀀칭 열처리 과정을 통해 미세한 퍼얼라이트 조직으로 변태시킬 수 있도록 함으로써, 레일 두부의 강도와 경도가 증대된 내마모성의 기계적 성질을 향상시키며, 특히 레일 두부의 경화에 따른 내마모성을 향상시켜 레일의 품질을 향상시키고, 레일 변형을 최소화할 수 있도록 하는 레일의 열처리 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 압축공기를 슬랙 퀀칭부에서만 사용하여 생산경비를 최소화하며, 레일의 열처리 직후 에어 미스트의 분사에 의한 레일 전장에 걸친 휨 변형을 극소화하여, 고품질의 열처리 레일의 제조가 연속적으로 안정적으로 이루어질수 있는 레일의 열처리 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레일의 슬랙 퀀칭 열처리를 위한 열처리 장치의 개략 구성도.
도 2는 본 발명의 레일 예열부의 개략 구조도.
도 3은 본 발명의 레일 두부 가열부의 개략 구조도.
도 4a 및 b는 본 발명에 의한 레일 퀀칭부를 각각 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 레일 열처리 장치의 레일 휨 변형 방지용 에어 미스트 냉각부의 개략 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...레일 10a...두부(頭部)
10b...저부(底部) 20...레일 예열부
30...예열 히이터 40...레일 두부 가열부
50...메인 히이터 60...레일 퀀칭부
70...압축공기 80...노즐 박스
90...퀀칭용 분사노즐 100...에어 미스트 냉각부
110...에어 미스트 120...에어 미스트 분사노즐
130...로울러
상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 로울러를 통해 이송되는 레일의 전체를 1차적으로 가열토록 레일 두부 및 양측, 저부에 각각 설치되는 전기 유도 가열장치인 예열 히이터가 설치되는 레일 예열부와,
상기 예열 히이터를 거친 레일의 두부에 안정된 Ac3변태온도 이상의 일정온도 구역으로 재가열토록, 레일 두부에 메인 히이터가 설치되는 레일 두부 가열부와,
상기 재가열 완료된 레일의 두부가 균일한 온도로 유지되도록 일정시간 대기중에 이송후, 상기 레일 두부가 미세 퍼얼라이트 조직으로 변태되도록 일정온도 범위에서 압축 공기로 냉각토록 레일의 두부 상측 및 두부 양측으로 에어 분사노즐이 각각 설치되는 레일 슬랙 퀀칭부와,
상기 퀀칭 완료된 레일 두부와 레일 저부의 온도차에 의한 휨 변형을 방지하며 냉각토록 에어 미스트를 레일 두부에 다단계로 분사토록 분사노즐이 설치되는 에어 미스트 냉각부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레일 열처리장치를 마련함에 의한다.
또한, 조대한 퍼얼라이트 조직의 소재 레일을 전기유도 가열장치를 통해 레일 전체부위를 약 500∼600oC 로 예열하며, 예열이 완료된 레일의 두부를 안정된 오스테나이트 조직이 되는 Ac3변태온도 이상의 약 800∼1000oC 구간의 일정온도 구역으로 재가열하며, 상기 재가열 완료된 레일의 두부가 균일한 온도로 유지되도록 일정시간 대기중에 이송후, 상기 레일 두부가 미세한 퍼얼라이트 조직으로 변태되도록 800 ∼ 500oC 구간의 소정온도 범위에서 압축공기를 이용하여 레일 두부에 분사하여 슬랙 퀀칭토록 한후, 상기 레일의 두부와 저부의 온도차에 의한 레일 전장의휨 변형을 억제토록 물과 압축공기혼합체인 고압의 에어 미스트(Air Mist)를 다단계로 분사하여 레일 두부의 온도를 200∼250oC 로 냉각하고, 상온까지 상기 레일의 전체 부위를 자연냉각토록 하는 레일의 열처리 방법을 마련함에 의한다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 레일의 슬랙 퀀칭 열처리를 위한 열처리 장치의 개략 구성도이고, 도2 및 도 3은 본 발명의 레일 예열부의 개략 구조도 및 본 발명의 레일 두부 가열부의 개략 구조도로서, 본 발명의 레일 열처리 장치는 레일 예열부(20)와, 레일 두부 가열부(40) 및 레일 퀀칭부(60), 에어 미스트 냉각부(100)로 구성된다.
레일(10) 전체를 가열하는 레일 예열부(20)는 도 2에서와 같이, 로울러(130)를 통해 이송되는 레일(10)의 전체를 가열하기 위하여, 레일(10)의 두부 및 양측, 저부에 각각 전기 유도 가열장치인 예열 히이터(30)가 설치되어 레일(10) 전체를 약 500∼600℃ 로 예열한다.
또한, 상기 예열 완료된 레일(10)의 두부(10a)를 일정온도 가열하는 레일 두부 가열부(40)는 도 3에서와 같이, 상기 예열 히이터(30)를 거친 레일(10)의 두부(10a)에 안정된 Ac3변태온도 이상의 약 800∼1000℃ 온도 구역으로 메인 히이터(50)로서 레일(10)의 두부(10a)만을 재가열토록 한다.
계속해서 상기 재가열 완료된 레일(10) 두부의 조직 변화를 위한 레일 슬랙 퀀칭부(60)는 도4 a 및 b에서와 같이, 상기 재가열 완료된 레일(10)의 두부(10a)가 균일한 온도로 유지되도록 일정시간 대기중에 이송후, 상기 레일(10)의 두부(10a)가 미세 퍼얼라이트 조직으로 변태되도록 레일 두부의 온도를 800∼1000℃ 로 냉각토록 하며, 이때 상기 노즐 박스(80)에서 고압의 압축 공기로 냉각토록 도4a에서와 같이, 상기 레일(10)의 두부 상측 및 두부 양측으로 에어 분사노즐(81)이 각각 설치되거나, 또는 도 4b에서와같이 상기 노즐박스(80)가 레일(10)의 두부 상측 및 두부 양측에 일체로 감싼상태로 일체로 설치되어, 레일(10)의 두부(10a)를 슬랙 퀀칭 열처리 작업을 수행토록 설치된다.
또한, 상기 슬랙 퀀칭 열처리 완료된 레일(10)의 두부(10a)를 냉각하는 에어 미스트 냉각부(100)는 도 5에서와 같이, 상기 레일(10)의 두부(10a)와 레일 저부(10b)의 온도차에 의한 휨 변형을 방지하며 냉각토록 물과 압축공기의 혼합체인 에어 미스트(110)를 레일 두부(10a)에 다단계로 분사토록 분사노즐(120)이 설치되어 레일 두부의 온도를 200∼250℃ 로 냉각토록 설치되는 구성으로 이루어진다.
이와같은 구성으로 이루어진 본 발명의 열처리 방법의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
탄소강의 화학적 성분 범위가 야금학적으로 적용되는 조대한 퍼얼라이트 조직의 소재 레일을 레일 이송용 로울러(130)를 통하여 이송하여, 상기 레일(10)이 예열용 전기유도 가열코일이 설치되는 전기유도 가열장치인 예열 히이터(30)를 통하여 레일 전체를 가열토록 하며, 이때 상기 예열 히이터(30)는 상기 레일(10)의 형상에 따라 레일(10)의 두부 및 양측, 저부에 각각 상기 전기 유도 가열장치인 예열 히이터(30)를 설치하여 레일(10) 전체를 약 500∼600℃ 로 예열시키게 된다.
상기와 같이 예열이 완료된 레일(10) 소재는, 그 두부(10a)를 오스테나이트 조직이 안정된 변태점인 Ac3변태점 이상의 온도로 재가열하게 되며, 이때 상기 레일(10)의 두부(10a)에는 메인 히이터(50)가 설치되어 상기 레일 두부를 약 800∼1000℃ 구간의 일정온도 구역으로 재가열하게 된다.
계속해서, 상기와 같이 레일(10) 소재의 두부(10a)만을 재가열하여 레일의 두부가 내마모성이 우수한 미세 퍼얼라이트 조직으로 변태되도록 도 2에서와 같이, 상기 재가열된 레일(10)의 두부(10a)가 균일한 온도로 유지되도록 일정시간 대기중에 이송후, 상기 레일 두부의 온도를 800∼500℃ 로 압축공기를 이용하여 냉각시키게 되며, 이때 상기 압축공기(70)의 분사를 위한 노즐 박스(80)에서 압축 공기로 냉각토록 분사노즐(81)이 마련된 노즐박스(80)가 상기 레일(10)의 두부 상측 및 두부 양측으로 각각 설치되어, 레일 두부의 슬랙 퀀칭 열처리 작업을 수행함으로써, 상기 레일의 두부는 미세한 퍼얼라이트 조직으로 변태가 될 수 있도록 한다.
상기와같이 슬랙 퀀칭 열처리 작업이 완료된 레일(10)은, 레일 두부(10a)만의 가열에 의해 레일의 두부(10a)와 저부(10b)의 온도차에 의한 레일 전장의 휨 변형이 발생하게 되며, 이때 상기 레일 전장에 걸친 휨에 대한 변형을 최소화 시키기 위하여, 레일의 두부에는 물과 압축공기의 혼합체인 에어 미스트(Air Mist)(110)를 분사노즐(120)을 이용하여 분사하여 상기 레일 두부(10a)의 온도를200∼250℃ 로 냉각시키게 된다.
이때, 상기 레일 두부의 냉각은 도 2에서와 같이, 에어 미스트(110)의 분사를 위한 노즐 박스는, 레일(10)의 주행면인 두부(10a)의 위에 설치되는 에어 미스트 노즐(120)의 위치가 점차적으로 낮아질수 있도록 다단계로 설치하여, 레일 두부(10a)와 저부 (10b)의 온도차에 의해 유발되는 레일 전장에 걸친 휨 변형을 최소화 시킬수 있도록 상기 에어 미스트 분사노즐(120)의 유량을 조절하는 것이다.
한편, 상기와같이 에어 미스트 분사노즐(120)을 통과한 레일(10)은, 상온까지 상기 레일의 전체 부위를 자연냉각토록 함으로써, 레일 생산이 연속적으로 이루어질수 있게 되는 것이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 레일의 열처리방법 및 장치에 의하면, 레일 전체부위를 예열하고, 재차 레일 두부만을 재가열한후, 소재 레일의 두부만을 압축공기의 분상에 의해 슬랙 퀀칭 열처리 과정을 통해 미세한 퍼얼라이트 조직으로 변태시킬 수 있도록 함으로써, 레일 두부의 강도와 경도가 증대된 내마모성의 기계적 성질을 향상시키며, 특히 레일 두부의 경화에 따른 내마모성을 향상시켜 레일을 품질을 향상시키고, 레일 변형을 최소화할 수 있게되며, 압축공기를 슬랙 퀀칭부에서만 사용하여 생산경비를 최소화하며, 레일의 열처리 직후 에어 미스트의 분사에 의한 레일 전장에 걸친 휨 변형을 극소화하여, 고품질의 열처리 레일의 제조가 연속적으로 안정적으로 이루어질수 있는 우수한 효과가 있는 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (4)

  1. 레일의 열처리 장치에 있어서,
    로울러(130)를 통해 이송되는 레일(10)의 전체를 가열하기 위한 전기 유도 가열장치인 예열 히이터(30)가 설치되어 레일(10) 전체를 일정한 온도로 예열하는 레일 예열부(20)와,
    상기 예열 히이터(30)를 거친 레일(10)의 두부(10a)에 안정된 Ac3변태온도 이상의 일정한 온도로 메인 히이터(50)로서 재가열토록 레일 두부(10a)에 설치되는 레일 두부 가열부(40)와,
    상기 재가열 완료된 레일(10)의 두부(10a)가 균일한 온도로 유지되도록 일정시간 대기중에 이송후, 상기 레일 두부가 미세 퍼얼라이트 조직으로 변태되도록 레일 두부를 냉각토록 하며, 이때 상기 압축공기(70) 분사를 위한 노즐 박스(80)에서 압축 공기로 냉각토록 상기 레일(10)의 두부 상측 및 두부 양측으로 노즐박스(80)가 각각 설치되어, 레일 두부의 슬랙 퀀칭 열처리 작업을 수행토록 설치되는 레일 슬랙 퀀칭부(60) 및,
    상기 레일(10)의 두부(10a)와 레일 저부(10b)의 온도차에 의한 휨 변형을 방지하며 냉각토록 물과 압축공기의 혼합체인 고압의 에어 미스트(110)를 레일 두부(10a)에 다단계로 분사토록 분사노즐(120)이 설치되어 레일 두부와 저부의 온도차를 일정온도로 유지시킬 수 있도록 설치되는 에어 미스트 냉각부(100)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레일 열처리장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 조대한 퍼얼라이트 조직의 소재 레일을 전기유도 가열장치인 예열 히이터를 통해 레일 전체부위를 약 500∼600℃로 예열하며, 상기 예열이 완료된 레일의 두부를 오스테나이트 조직이 안정된 Ac3변태온도 이상의 약 800∼1000℃ 구간의 일정 온도 구역으로 메인 히이터를 통해 재가열하여 냉각하는 레일의 열처리방법에 있어서,
    상기 재가열 완료된 레일의 두부가 균일한 온도로 유지되도록 일정시간 대기중에 이송후, 상기 레일 두부가 미세한 퍼얼라이트 조직으로 변태되도록 약 800~500℃ 구간의 소정온도 범위에서 고압의 에어를 이용하여 노즐박스에서 레일두부에 분사하여 슬랙 퀀칭 열처리토록 한 후, 상기 레일의 두부와 저부의 온도차에 의한 레일 전장의 휨 변형을 억제토록 물과 압축공기 혼합체인 고압의 에어 미스트를 다단계로 분사하여 레일 두부의 온도를 200∼250℃ 로 냉각하고, 상온까지 상기 레일의 전체 부위를 자연 냉각토록 하는 것을 특징으로 하는 레일의 열처리 방법.
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