CN107206470A - 人造砂和含有粘结剂的铸造用砂 - Google Patents

人造砂和含有粘结剂的铸造用砂 Download PDF

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Abstract

本发明提供人造砂，该人造砂用作含有粘结剂的铸造用砂的材料，所述人造砂包含合成莫来石和/或合成刚玉作为主要组分，该合成莫来石和/或合成刚玉含有40‑90重量％的氧化铝和60‑10重量％的二氧化硅；所述人造砂具有30‑1180μm的粒度分布；所述人造砂具有6×104/d～1.8×106/d的每单位体积表面积(cm2/cm3)，(其中d是球体物质的平均粒度(μm))；所述人造砂在0.05M HCl水溶液中的钙离子洗脱为60mg/L以下。

Description

人造砂和含有粘结剂的铸造用砂
技术领域
本发明涉及人造砂和含有粘结剂的铸造用砂。更具体地，本发明涉及即使重复利用也能防止铸型强度下降的人造砂和含有粘结剂的铸造用砂。
背景技术
在铸造工业中制造模具的一种方法是壳模。该方法包括在烘烤之后在已预热的金属模具中填充树脂涂敷砂(RCS，含有粘结剂的铸造用砂)，以制作模具。
该含有粘结剂的铸造用砂含有骨料(Aggregate)、粘结剂和润滑剂。作为粘结剂，例如可以使用利用固化剂(例如，六亚甲基四胺)固化的热固性树脂(例如，酚醛树脂)。使用润滑剂是为了促进所述含有粘结剂的铸造用砂成型为所期望的模具形状，或为了防止产品结块(聚集)。通常被用于模具领域的润滑剂是硬脂酸钙。
为了更进一步地减少粘结剂的量，并制造能够在铸造之后容易破碎的模具，日本未审查公开第2003-251434号(PTL 1)提出了利用人造砂作为骨料，该人造砂为近球体并具有光滑的表面。在该文件中，公开了一种润滑剂的示例，即硬脂酸钙。
引用文献列表
专利文献
PTL 1：日本未审查专利公开第2003-251434号
发明内容
由于资源的消耗和工业废弃物方面的管制，在铸造工业领域中也一直在寻求通过重复利用废型砂进行铸造来减少废型砂的量。
废型砂含有来自粘结剂组分的润滑剂和碳化物，该粘结剂组分在成型为期望形状的过程中被添加至含有粘结剂的铸造用砂中。为了回收利用废型砂，需要去除碳化物。然而如果使用去除了碳化物的含有粘结剂的铸造用砂来制造模具，该模具不具有足够的强度。因此，需要提供一种即使在砂被回收利用时也能提供充足的铸型强度的含有粘结剂的铸造用砂。
本发明的发明人研究了使用回收利用的含有粘结剂的铸造用砂来制模具时，引起模具铸型强度下降的原因，并发现铸型强度与从去除了碳化物并且还未与粘结剂混合的人造砂中被洗脱到水中的钙离子的量有关。具体地，发明人研究得出当钙离子洗脱高时铸型强度下降，并发现利用具有预定水平的钙离子洗脱的人造砂作为骨料能够防止铸型强度的下降。由此，发明人完成了本发明。
因此，本发明提供人造砂，该人造砂用作含有粘结剂的铸造用砂的材料，所述人造砂包含合成莫来石和/或合成刚玉作为主要组分，该合成莫来石和/或合成刚玉含有40-90重量％的氧化铝和60-10重量％的二氧化硅；
所述人造砂具有30-1180μm的粒度分布；
所述人造砂具有6×104/d～1.8×106/d的每单位体积表面积(cm2/cm3)(其中d是球体物质的平均粒度(μm))；
所述人造砂在0.05M HCl水溶液中的钙离子洗脱为60mg/L以下。
本发明还提供含有粘结剂的铸造用砂，该含有粘结剂的铸造用砂包含骨料、粘结剂和润滑剂，该骨料包含人造砂作为主要组分，其中该人造砂是上述人造砂。
根据本发明，能够提供即使在被回收利用后也能提供充足的铸型强度的含有粘结剂的铸造用砂，并且能够提供可用于其中的人造砂。本发明的发明人发现在铸造工业领域中，钙离子与铸型强度相关，这点是预料不到的。
此外，在以下任意情形中，可提供用于含有粘结剂的铸造用砂的人造砂，该含有粘结剂的铸造用砂即使在被回收利用后也能提供更充足的铸型强度：
(a)所述人造砂从铸造后产生的废型砂中获得；
(b)所述人造砂具有1.2以下的颗粒形状系数；以及
(c)所述人造砂被用于壳型铸造。
进一步地，在以下任意情形中，可提供含粘结剂的铸造用砂，该含有粘结剂的铸造用砂即使在被回收利用后也能提供更充足的铸型强度：
(1)粘结剂选自呋喃树脂、酚醛树脂、油改性的聚氨酯树脂、酚醛尿烷树脂、碱性酚醛树脂、硅酸钠和膨润土，并且润滑剂是硬脂酸钙；以及
(2)相对于100重量份骨料，其含有的粘结剂的范围为0.4-3重量份，并且相对于骨料和粘结剂的合计100重量份，其含有的润滑剂的范围为0.01-0.2重量份。
附图说明
图1：图1是在实施例中使用的热回收炉的示意图；
图2：图2是在实施例中使用的槽磨装置(trough attriting apparatus)的示意图；
图3：图3是示出在实施例1中含有粘结剂的铸造用砂的抗弯强度与钙离子洗脱之间的关系的图；
图4：图4是示出实施例2中的含有粘结剂的铸造用砂被回收利用的次数与抗弯强度和其钙离子洗脱之间的关系的图。
具体实施方式
(人造砂)
人造砂被作为含有粘结剂的铸造用砂的原材料使用，并且该含有粘结剂的铸造用砂含有骨料、粘结剂和润滑剂。
该人造砂具有以下组成、结构和物理特性。
-所述人造砂含有合成莫来石和/或合成刚玉作为主要组分，所述合成莫来石和/或合成刚玉含有40-90重量％的氧化铝和60-10重量％的二氧化硅；
-所述人造砂具有30-1180μm的粒度分布；
-所述人造砂具有6×104/d～1.8×106/d的每单位体积表面积(cm2/cm3)(其中d是球体物质的平均粒度(μm))；
-所述人造砂在0.05M HCl水溶液中的钙离子洗脱为60mg/L以下。
(组分)
所述人造砂含有砂，所述砂含有合成莫来石和/或合成刚玉，所述合成莫来石和/或合成刚玉含有40-90重量％的氧化铝(Al2O3)和60-10重量％的二氧化硅(SiO2)。氧化铝和二氧化硅的比例可以分别是60-90重量％和40-10重量％。氧化铝的比例可以是40重量％、45重量％、50重量％、55重量％、60重量％、65重量％、70重量％、75重量％、80重量％、85重量％、90重量％。除氧化铝和二氧化硅外，所述人造砂还可以含有其他组分，例如：Fe2O3、Cr2O3、CrO2、MgO、CaO、K2O和TiO2。所述合成莫来石和/或合成刚玉可以占所述人造砂的50重量％以上。该比例可以是60重量％以上、70重量％以上、80重量％以上、90重量％以上或100重量％。所述人造砂可以含有合成莫来石和合成刚玉中的一者或两者。例如，相对于合成莫来石和合成刚玉的合计100重量份，所述人造砂可以含有50-100重量份合成莫来石。
(2)结构
所述人造砂具有30-1180μm的粒度分布。当粒度分布低于30μm时，所得到的模具的渗透性可能会降低。当粒度分布高于1180μm时，所得到的铸件的表面可能会粗糙。所述粒度分布可以是30μm、53μm、75μm、106μm、150μm、212μm、300μm、425μm、500μm、600μm、700μm、820μm、900μm、1000μm或1180μm。优选的粒度分布的示例包括212-1180μm(对应于JIS#10和#14)、150-820μm(对应于JIS#20和#28)、106-600μm(对应于JIS#35和#48)、75-425μm(对应于JIS#65和#100)和53-300μm(对应于JIS#150和#200)。粒度分布可以根据铸造条件适当地选择，例如铁或钢铸件的类型(铁铸件、普通钢铸件、不锈钢铸件、高锰钢铸件、铝合金铸件、铜合金铸件等)、铸件尺寸或铸件厚度。所述人造砂含有小于30μm的砂的量可以为不影响本发明的效果的量(例如，25重量％以下)。
粒度分布指根据确定铸造用型砂粒度的方法(JIS Z2601)测量的值。简要说明该方法。例如，将具有标称尺寸30μm的筛覆盖在1180μm的筛上。原材料被放置于1180μm的筛上，并在诸如摇筛机(Ro-tap sieve shaker)的振动筛中被筛选。被留在该两个筛子之间的可被作为具有30-1180μm的粒度分布的砂。
进一步地，所述人造砂具有6×104/d～1.8×106/d的每单位体积表面积(cm2/cm3)(其中d是球体物质的平均粒度(μm))。以下的说明针对的是例如300-425μm的人造砂。当假设所述人造砂的平均粒度为300μm和425μm之间的中间值362.5μm时，表面积的范围为165.5-4965.5cm2/cm3。当表面积为1.8×106/d(cm2/cm3)以上时，由于人造砂的粒子之间的接触，所述人造砂的表面粗糙度可能更高，并且破碎人造砂之后废弃物的量可能增加。此处使用的表面积是用比表面积分析仪(BELSORP 28SA自动气体吸附仪：购自BEL Japan,Inc)测量的每克比表面积并将比表面积乘以真实密度的值。所述每单位体积表面积可以是6×104/d、1×105/d、2.5×105/d、5×105/d、7.5×105/d、1×106/d、1.1×106/d、1.3×106/d、1.45×106/d、1.5×106/d、1.6×106/d或1.8×106/d。所述每单位体积表面积优选为1.6×106/d以下，更优选为1.45×106/d以下，进一步优选为1.3×106/d以下，特别优选为1.1×106/d以下。
所述人造砂优选具有圆形颗粒形状。具体地，所述人造砂的颗粒形状系数为1.2以下，更优选为1.1以下，所述颗粒形状系数为圆形度指标。当颗粒形状系数为1.2以下时，所述含有粘结剂的铸造用砂具有在模具中的改善的填充率，并且所得到的模具具有改善的渗透性。此外，由于近似于球体的形状，可以减少因人造砂的颗粒之间的接触而产生的废弃物。所述颗粒形状系数可以是1.2以下、1.15以下、1.1以下、1.05以下或1。
此处使用的颗粒形状系数意指用砂表面积分析仪(购自George Fischer Ltd)计算的值。因此，所述颗粒形状系数指的是通过用1g砂颗粒的实际表面积除以理论表面积所获得的值。所述理论表面积指的是假设所有的砂颗粒均为球体时的表面积。由此，所述颗粒形状系数的值越接近1表示材料的形状越接近于球体。
所述人造砂和含有粘结剂的铸造用砂几乎具有相同的每单位体积表面积、颗粒形状系数和粒度分布。
(3)物理特性
该人造砂在0.05M HCl水溶液中的钙离子洗脱为60mg/L以下。由于钙离子洗脱在此范围内，可预防铸型强度的下降。本发明的发明人推断出以下理由。即，通过用固化剂固化树脂来获得粘结剂。然而，被洗脱的钙离子通过结合到树脂上或消耗所述固化剂来阻止树脂的固化。由此，降低的钙离子洗脱可能不阻止树脂的固化，从而实现规定的铸型强度。钙离子洗脱被期望为尽可能的低，并且优选为40mg/L以下，更优选为30mg/L，进一步优选为20mg/L以下，特别优选为10mg/L以下。钙离子洗脱优选为60mg/L以下、55mg/L以下、50mg/L以下、45mg/L以下、40mg/L以下、35mg/L以下、30mg/L以下、25mg/L以下、20mg/L以下、15mg/L以下、10mg/L以下、5mg/L以下或0mg/L。
(4)人造砂的制造方法
具有上述组成、结构和物理特性的人造砂可通过以下方法获得：熔化含有氧化铝和二氧化硅的合成莫来石和/或合成刚玉原材料，并向熔化材料吹入空气。由此，所述熔化材料被所吹入的空气磨成颗粒，该颗粒具有预定的粒度分布，并且借助于熔化颗粒的表面张力提供具有预定组成、结构和物理特性的人造砂。熔化方法没有特别的限制，可使用电弧炉、坩埚炉、感应电炉(高频炉、低频炉等)、电阻电炉、反射炉、旋转炉、真空熔炉或化铁炉。在这些中，优选电弧炉，其相对容易操作。所述人造砂可以通过调整原材料中合成莫来石的组成、熔化温度、吹入空气的速度以及熔化材料与空气之间的接触角而具有期望的组成、结构和物理特性。熔化温度优选为1600-2200℃。空气的速度优选为80-120m/秒。接触角优选为60-90°。优选在吹入空气之后实施水冷。
所述人造砂可以从铸造后产生的废型砂中获得。
从铸造后产生的废型砂中获得的所述人造砂可以在例如以下的热再生工序和打磨工序之后获得。
(i)热再生工序
热再生工序可以在400-1000℃的温度范围内实施。通过对废型砂实施热再生工序，来自废型砂中的润滑剂和粘结剂的组分被碳化，同时部分组分通过燃烧被去除。通过使有机物质碳化，碳化物可在接下来的打磨工序中被容易地去除，以提供人造砂。
当热再生工序的温度低于400℃时，碳化可能不能被充分实施，从而导致由回收利用的含有粘结剂的铸造用砂(回收利用砂)得到的模具强度下降。当该温度高于1000℃时，虽然实施了充分的碳化，但由于回收利用砂中含有的无机组分的回收利用砂表面的熔化，砂颗粒可能会聚集。所述温度范围更优选为400-800℃，并进一步优选为500-800℃。
热再生时间可以是，例如0.5-2.5小时。当热再生时间低于0.5小时时，可能不能实施充分的碳化，从而导致由回收利用砂得到的模具强度下降。热再生时间的上限为2.5小时的原因是即使废型砂被热再生更长的时间，也不能期望热再生所产生的效果的上升，并且由燃料消耗带来的回收利用成本会上升。热再生时间更优选为1.5-2.5小时，进一步优选为1.75-2.25小时。
实施热再生工序的气氛没有特别的限制，只要废型砂中的粘结剂能被碳化，通常是含氧的气氛(例如，在空气中)。
热再生器(烘烤器)的结构没有特别的限制，只要其能使废型砂热再生。在热再生器中的废型砂可以是被流化的也可以不是，但为了得到均一的热再生砂，废型砂优选为被流化。热再生器可以是间歇式的也可以是连续式的。从处理效率的观点，优选使用连续流化热再生器。
公知的连续流体化再生器的结构有多种。其中的示例是包括在其中砂的流动方向与用于砂的流化的空气的流动方向相交的热再生器，以及在其中上述方向相反且平行的热再生器。从热效率的观点，上述后者的热再生器更为优选。特别地，优选为在其中砂的流动方向与重力方向相同并且空气的流动方向与重力方向相反的热再生器，因为该热再生器具有高热效率，从而能降低使用于热再生的燃料的量。
在上述在其中砂的流动方向与重力方向相同的热再生器中，废型砂被从热再生器的上部投入并落下进入热再生器。落下的砂借助于从热再生器下部向上吹的空气在预定位置上停留预定时间作为流化床。停留在预定位置的砂借助于例如燃烧器的加热装置被热再生预定时间。由于砂从流化床上部的被投入，流化床的下部的砂逐渐下沉并落向热再生器的底部而成为热再生砂。此类型的热再生器具有的特征是具有高热效率，因为热再生砂的热能被用于加热接下来将被投入的废型砂。
(ii)打磨(Attrition)工序
对从热再生工序中获得的热再生砂实施打磨工序。在打磨工序中，热再生砂表面的碳化物被去除，并因此废型砂能被作为人造砂回收利用，该人造砂被用作模具的原材料。
打磨可以是干磨(dry attriting)、湿磨(wet attriting)或其结合。
干法的例子包括：使用砂再生器的方法，在砂再生器中，借助于使砂与碰撞板撞碰产生的砂颗粒之间的碰撞以及由于高速空气流而上升的砂引起的磨擦来打磨砂；使用高速旋转再生器的方法，在该高速旋转再生器中，借助于下落的被投入的砂之间的碰撞以及借助于离心力而产生的投射砂来打磨砂，所述离心力由向高速旋转的旋转机中投入砂获得；以及利用搅拌磨的方法，在该搅拌磨中借助于砂颗粒之间的磨擦来打磨砂。
湿法的例子包括：使用槽磨装置(槽抛光机)的方法，在该槽磨装置中，借助于例如包括旋转叶片的槽中的砂颗粒之间的磨擦来研磨砂。
打磨优选为利用湿法来实施。通过实施湿法打磨，回收利用的人造砂的钙离子洗脱能够被容易地调整至40mg/L以下。
传统的含有粘结剂的砂含有硬脂酸钙作为润滑剂，当其被重复地通过干磨从废型砂中回收利用时，铸型强度被降低，这是很不利的。本发明的发明人测量了重复使用后人造砂的钙离子洗脱，并发现钙离子洗脱随着回收利用的次数上升而上升，而且钙离子洗脱与铸型强度相关。因此，发明人发现通过利用湿磨去除钙离子来防止循利用砂中的钙离子积累能够防止铸型强度的下降。
上述钙离子洗脱也可以通过使用不含钙组分的润滑剂获得，例如，具有10-24碳原子的高级脂肪酸和单价金属的盐(例如，硬脂酸钾、硬脂酸钠)。使用这些不含钙的润滑剂，无需进行湿磨也能减少钙离子洗脱。
(iii)其他实施方式
(1)废型砂可以在热再生工序之前用粉碎机处理。通过用粉碎机处理，废型砂的聚集可被粉碎，因此能够提高来自于废型砂的回收利用砂的产量。
(2)废型砂可以在热再生工序之前用磁力分离器处理。通过用磁力分离器处理，废型砂中的铸造残留物能够被去除，因此能够提高来自于废型砂的回收利用砂的产量。
(3)可以优选地将从热再生工序中获得的热再生砂在打磨工序之前实施冷却步骤。通过实施冷却步骤，可以防止温度骤变引起的热再生砂的破碎，因此能够提高来自于废型砂的回收利用砂的产量。所述冷却步骤可以在流化热再生砂时实施，由此均匀地冷却热再生砂。
(4)可以对打磨工序之后的砂实施分级步骤以根据期望的粒度分布对回收利用砂进行分级。
(含有粘结剂的铸造用砂)
所述含有粘结剂的铸造用砂包含骨料、粘结剂和润滑剂。
(1)骨料
所述骨料包含上述的人造砂作为主要组分。其含有的人造砂的比例优选为50重量％以上、更优选为70重量％以上，进一步优选为90重量％以上。骨料实质上可以由人造砂组成。
可被获得的除了所述人造砂之外的其它砂的示例包括：石英砂、锆英石砂、铬铁矿砂、含MgO/SiO2的砂以及它们的组合。
(粘结剂)
粘结剂没有特别的限制，其示例包括：呋喃树脂、酚醛树脂、油改性的聚氨酯树脂、酚醛尿烷树脂、碱性酚醛树脂、硅酸钠和膨润土等。根据粘结剂的类型可使用固化剂使粘结剂固化。用于呋喃树脂的固化剂的示例包括无机酸和有机酸，所述无机酸例如硫酸、磷酸、磷酸酯和焦磷酸，所述有机酸例如二甲苯磺酸(xylenesulphonic acid)、甲苯磺酸和苯磺酸。用于碱性酚醛树脂的固化剂的示例包括内酯(例如，丙内酯)和如甲酸乙酯、甲酸甲酯和三乙酸甘油酯的有机酯。用于酚醛树脂的固化剂的实例包括六亚甲基四胺等。用于酚醛尿烷树脂的固化剂的示例包括三乙胺和吡啶类化合物。用于硅酸钠的固化剂的示例包括二氧化碳气体、硅酸二钙和有机酯。
优选地，以每100重量份骨料0.4-3重量份的范围含有粘结剂。当其含量低于0.4重量份时，骨料的粘结可能不充分，从而导致铸型强度的下降。当其含量高于3重量份时，产生于粘结剂的组分可能附着在铸件的表面，或者从废型砂中回收利用含有粘结剂的铸造用砂所需要的时间可能上升。该含量更优选为0.4-0.2重量份，进一步优选为0.4-1.5重量份。
具有上述指定表面积的人造砂可以比自然砂需要更少量的粘结剂。当粘结剂的量被减少时，钙离子对铸型强度减小效果上升，因此本发明的应用尤其有用。
(3)润滑剂
润滑剂没有特别的限制，并且可使用所属领域中惯用的润滑剂。润滑剂的示例包括具有10-24碳原子的高级脂肪酸盐。从可用性和成本的观点，一般可以使用硬脂酸钙。
相对于骨料和粘结剂的合计100重量份，优选含有0.01-0.2重量份的润滑剂。当其含量低于0.01重量份时，含有粘结剂的铸造用砂不具有用于制造模具的充分的流动性，从而导致模具制造所需的时间上升或铸件的表面粗糙。此外，在其被存储的柔性集装袋中，含有粘结剂的铸造用砂可能发生结块。当其含量高于0.2重量份时，铸型强度可能下降，或从废型砂中回收利用含有粘结剂的铸造用砂所需要的时间可能上升。其含量更优选为0.02-0.16重量份，进一步优选为0.03-0.12重量份，特别优选为0.06-0.10重量份。
含有粘结剂的铸造用砂中的润滑剂的量可通过利用适当的溶剂分离润滑剂并通过公知的方法分析被分离的物质来测量，所述公知的方法例如红外光谱分析、气相色谱分析、液相色谱法或NMR。
(4)含有粘结剂的铸造用砂的制造方法
含有粘结剂的铸造用砂可以通过被熟知的方法制造。例如，当在混合器中加热并混合作为骨料的人造砂时，向混合器投入粘结剂以获得粘结剂和骨料的混合物。当该粘结剂是由用固化剂固化固化性树脂获得时，先在混合器中投入固化性树脂再投入固化剂。然后润滑剂被投入混合器中以将粘结剂和骨料的混合物与润滑剂混合。确信的是粘结剂涂敷骨料表面的部分或全部。此外确信的是，润滑剂涂敷被涂敷有粘结剂的骨料表面的部分或全部。
实施例
实施例1
(1)含有粘结剂的铸造用砂的制造
作为骨料使用的人造砂(购自山川产业株式会社；每单位体积表面积：3300cm2/cm3，粒度分度：53-600μm，颗粒形状系数：1.03；含有40重量％的合成莫来石和10重量％的含氧化铝和二氧化硅的合成刚玉；合计为94重量％(氧化铝：77重量％，以及二氧化硅：23重量％))。非回收利用的人造砂称为“新砂”。将人造砂加热至160℃并放置于混合器(购自远州铁钢社，NSC-1型)中以使人造砂的温度保持在150℃。相对于100重量份人造砂，添加0.8重量份树脂(购自日立化学株式会社的线性酚醛树脂(novolac phenolic resin))，同时搅拌人造砂以得到树脂和骨料的混合物。搅拌混合物时，相对于100重量份树脂添加20重量份的六亚甲基四胺(固化剂)，以及相对于100重量份骨料添加1.3重量份的水(固化剂的分散介质)，并获得粘结剂和骨料的混合物。在添加固化剂后20秒之后，开始进行约20秒的冷却。搅拌粘结剂和骨料的混合物的同时，相对于100重量物粘结剂和骨料的混合物，添加0.6重量份润滑剂(含有95重量％以上的硬脂酸钙，95％以上具有75μm以下的粒度，购自川村化成工业株式会社)，并搅拌约15秒以提供含有粘结剂的铸造用砂(RCS)。所得到的含有粘结剂的铸造用砂在筛孔尺寸为1180μm的筛子中筛选以去除团聚物。
所得到的含有粘结剂的铸造用砂根据以下流程测量其抗弯强度。抗弯强度指示铸型强度。
(2)抗弯强度的测量
(a)测试样品的制备
根据JACT测试方法SM-1测量测试样品的抗弯强度，JACT测试方法SM-1是针对抗弯强度的测试方法(对应于JIS K 6910)。指定的测量条件如下。
准备具有分别深10mm、宽10mm且长60mm的5个凹陷部分的下模型和作为下模型的盖子的上模型。下模型和上模型被加热至250℃±3℃并在凹陷部分填充约50g含有粘结剂的铸造用砂。填充凹陷部分的含有粘结剂的铸造用砂的上表面用样品刮板刮平。然后上模型和下模型被结合并焙烧60秒。焙烧之后，移除上模型，并锉削被焙烧物，以使被焙烧物的上表面和下模型的下上表面齐平。然后将被焙烧物与下模型分离以提供测试样品。从打开上模型至从下模型分离测试样品的时间设置为30秒。
获得的测试样品在干燥器中冷却至室温(约25℃)并保持至测量抗弯强度。
制备三次测试样品，以获得每种含有粘结剂的铸造用砂的15个测试样品。
(b)抗弯强度的测量
分别具有60°顶锥角、1.5R顶锥曲率和10mm以上宽度的一对凸构件被放置在测试样品安装台上，并互相间隔50mm，以使所述构件在长度方向上平行。在测试样品安装台上，安装有测试样品以使被锉削过的测试样品的表面不被安装在台上或台的反侧(顶侧)。
带有具有60°顶锥角和1.5R顶锥曲率的负载楔的负载被施加在测试样品上表面的中央。记录测试样品裂开时被施加的负载的数量。针对每15个测试样品实施负载测试。
从负载的结果值中可根据以下等式计算弯曲载荷：
σfb＝3×l×P/2×W×h2
其中，σfb是弯曲载荷(kgf/cm2)，l是在测试样品安装台上的一对凸构件之间的距离(5cm)，P是负载值(kgf)，W是测试样品宽度(1cm)，h是测试样品的高度(1cm)。
抗弯强度(kgf/cm2)作为15个测试样品的弯曲载荷的平均值被获取。
(3)含有粘结剂的铸造用砂的回收
按照以上进行抗弯强度测量之后的测试样品被粉碎，并将粉碎材料分成10份，用n1-n10表示。十份粉碎材料分别被回收利用为含有粘结剂的铸造用砂。材料n1-n5及n9-n10仅通过热再生工序被回收利用，材料n6-n8通过结合热再生工序和湿磨工序被回收利用。回收利用之后测量抗弯强度。在热回收工序之前，添加了10重量％的新砂。
热再生工序在如图1所示的JFE管件器材(JFE Pipe Fitting Mfg.)的热再生器(购自JFE管件器材有限公司，JTR-G-1型)中，并在以下条件下实施：热再生温度为600℃，热再生器中的流动压差为4.5MPa，砂的投入量为2.5t/小时。在这些条件下，废型砂的实际处理时间大约为1小时。在图1中，1指热再生器，2指粉碎材料入口，3指燃烧器，4指流化床，5指热交换器，6指用于流化砂的空气入口，7指冷却空气入口，8指流化冷却器，9是砂排料阀，10指空气喷嘴，11指流动压差计，12指排气出口。
湿磨工序在如图2所示的槽磨装置(直径609.4mm×长度1517mm，8个叶轮，购自山川产业株式会社)中，并在以下条件下实施：负载电流为130A，砂的投入量为5t/小时，相对于投入砂5-10重量％的水量，叶轮旋转速度为86rpm/min，推进角度为45°，叶轮的面积为49100mm2。在这些条件下，热再生砂的实际处理时间为10-20分钟。在图2中，21指槽磨装置，22指槽，23指叶轮，24指热再生砂入口，25指回收利用砂出口，26指弹簧，27指盖子，28指连接件，29指旋转轴，30指减速器，31指电机。
(4)回收利用的含有粘结剂的铸造用砂的抗弯强度的测量
用与步骤(1)相同的方式制造含有粘结剂的铸造用砂，并且用与步骤(2)相同的方式测量抗弯强度。所测得的抗弯强度被示出在表1中。
表1还示出了新砂和回收利用的人造砂的钙离子洗脱。钙离子洗脱通过以下流程测量。
同时，每体积表面积、粒度分布、颗粒形状系数以及钙和硅的含量在回收骨料和新砂之间几乎相同。
(离子洗脱)
(1)内标溶液和标准溶液的制备
-内标溶液(Y：50mg/L)
购自关东化学株式会社(Kanto Chemical Co.,Inc)的钇标准溶液(1000mg/L，用于原子吸收分析，25mL)被添加到500-mL容量瓶中，并添加纯水至标线。
-标准溶液(Ca：100mg/L)
购自关东化学株式会社的用于ICP发射光谱分析的标准溶液IV(Ca：1000mg/L，10mL)被添加至100-mL容量瓶中，并添加纯水至标线。
-标准溶液(Ca：10mg/L)
标准溶液(Ca：100mg/L，10mL)被添加至100-mL容量瓶中，并添加纯水至标线。
-标准溶液(Ca：1mg/L)
标准溶液(Ca：10mg/L，10mL)被添加至100-mL容量瓶中，并添加纯水至标线。
-标准溶液(Ca：0.1mg/L)
标准溶液(Ca：1mg/L，10mL)被添加至100-mL容量瓶中，并添加纯水至标线。
-标准溶液(Ca：0.01mg/L)
标准溶液(Ca：0.1mg/L，10mL)被添加至100-mL容量瓶中，并添加纯水至标线。
(2)准备校正曲线(测量范围：Ca：0-10mg/L)
将内标溶液(Y：50mg/L，20mL)添加至100-mL容量瓶中，并分别加入标准溶液(Ca：10mg/L)、标准溶液(Ca：1mg/L)、标准溶液(Ca：0.1mg/L)、标准溶液(Ca：0.01mg/L)至标线。作为空白对照，将内标溶液(Y：50mg/L，20mL)添加至100-mL容量瓶中，并加纯水至标线以制备标准溶液。用购自岛津公司的ICP发射光谱仪(ICPS-8100)测量上述溶液，并作成了钙离子浓度和指示值之间的关系的校正曲线。
(3)样品溶液的制备
将砂样(50g)放置在300-mL聚乙烯烧杯中，向其中添加50mL纯水和50mL 0.1mol/L盐酸溶液，并用磁力搅拌器搅拌1小时。搅拌之后，用根据JIS P 3801滤纸(用于化学分析)的玻璃纤维滤纸过滤混合液。在过滤之后，该溶液被再次用膜滤器(孔径：0.45μm)真空过滤以提供样品溶液(纯)，该膜滤器购自ADVANTEC。作为空白对照，将50mL纯水和50mL 0.1mol/L盐酸溶液添加至300-mL聚乙烯烧杯中并用上述相同的流程处理。
(4)样品溶液的测量
将内标溶液(Y：50mg/L，10mL)添加至50-mL容量瓶，加样品溶液(纯)至标线，并用购自岛津公司的ICP发射光谱仪(ICPS-8100)测量上述混合液。计算所测量的钙离子浓度与从空白测试中获得的浓度的差值作为钙离子洗脱。当所测量的钙离子浓度超出校正曲线的测量范围时，用纯水稀释样品溶液(纯)以获得在测量范围内的样品溶液(稀释)。将内标溶液(Y：50mg/L，10mL)添加至50-mL容量瓶，添加样品溶液(稀释)至标线，并再次用购自岛津公司的ICP发射光谱仪(ICPS-8100)测量上述混合液以确定钙离子浓度。测量标准溶液(稀释)后，通过从所测量的钙离子浓度与稀释系数的乘积中减去从空白测试中获得的浓度计算钙离子洗脱。
表1
基于表1的抗弯强度与钙离子洗脱(在0.05M盐酸溶液中)的关系被示出在图3中。
从表1和图3中可看出以下趋势：抗弯强度随钙离子洗脱的上升而下降，并在钙离子洗脱为60mg/L以下时变为常数。因此，可推断出钙离子洗脱可以不利地影响制备粘结剂过程中树脂的固化(例如，通过离子消耗固化剂、或通过离子与树脂固化位点的螯合的聚合)。
实施例2
调查了重复回收利用的人造砂的钙离子洗脱与抗弯强度之间的关系。具体地，通过与实施例1相同的方式针对仅利用热再生回收利用的人造砂以及在热再生之后进行了湿磨而回收利用的人造砂测量了钙离子洗脱，并用与实施例1相同的方式测量了含有粘结剂的铸造用砂的抗弯强度。其结果被示出在表2中。表2还示出了新砂的钙离子洗脱以及由新砂获得的含有粘结剂的铸造用砂的抗弯强度。对于热再生和湿磨的条件以及用于制造含有粘结剂的铸造用砂的条件与实施例1相同。
表2
基于表2的抗弯强度和钙离子洗脱(在0.05M盐酸溶液中)(纵轴)以及回收利用次数(横轴)的关系被示出在图4中。图4中柱状图的纵轴表示抗弯强度，在回收利用次数的左手侧的柱子表示仅通过热再生回收利用的含有粘结剂的铸造用砂的抗弯强度，在回收利用次数的右手侧的柱子表示通过热再生和湿磨回收利用的含有粘结剂的铸造用砂的抗弯强度。折线图表示钙离子洗脱，带有Δ的图表示仅通过热再生回收利用的人造砂的钙离子洗脱，带有O的图表示通过热再生和湿磨回收利用的人造砂的钙离子洗脱。
从图4中可看出以下趋势：抗弯强度随钙离子洗脱的上升而下降，并在钙离子洗脱为60mg/L以下时变为常数。由此发现，为了使洗脱维持在60mg/L以下，在含有粘结剂的铸造用砂的回收利用过程中包括湿磨是合适的。
附图标记
1：热再生器，2：粉碎材料入口，3：燃烧器，4：流化床，5：热交换器，6：用于流化砂的空气入口，7：冷却空气入口，8：流化冷却器，9：砂排料阀，10：空气喷嘴，11：流动压差计，12：排气出口，21：槽磨装置，22：槽，23：叶轮，24：热再生砂入口，25：回收利用砂出口，26：弹簧，27：盖子，28：连接件，29：旋转轴，30：减速器，31：电机。

Claims (7)

1.人造砂，该人造砂用作含有粘结剂的铸造用砂的材料，所述人造砂包含合成莫来石和/或合成刚玉作为主要组分，该合成莫来石和/或合成刚玉含有40-90重量％的氧化铝和60-10重量％的二氧化硅；
所述人造砂具有30-1180μm的粒度分布；
所述人造砂具有6×104/d～1.8×106/d的每单位体积表面积(cm2/cm3)，其中d是球体物质的平均粒度(μm)；
所述人造砂在0.05M HCl水溶液中的钙离子洗脱为60mg/L以下。
2.根据权利要求1所述的人造砂，其中，所述人造砂从铸造后产生的废型砂中获得。
3.根据权利要求1所述的人造砂，其中，所述人造砂的颗粒形状系数为1.2以下。
4.根据权利要求1所述的人造砂，其中，所述人造砂被用于壳型铸造。
5.含有粘结剂的铸造用砂，该含有粘结剂的铸造用砂包含骨料、粘结剂和润滑剂，所述骨料含有人造砂作为主要组分；
其中，所述人造砂为权利要求1所述的人造砂。
6.根据权利要求5所述的含有粘结剂的铸造用砂，其中，所述粘结剂选自呋喃树脂、酚醛树脂、油改性的聚氨酯树脂、酚醛尿烷树脂、碱性酚醛树脂、硅酸钠和膨润土，并且所述润滑剂是硬脂酸钙。
7.根据权利要求6所述的含有粘结剂的铸造用砂，其中，相对于100重量份骨料，其含有的粘结剂的范围为0.4-3重量份，并且相对于骨料和粘结剂的合计100重量份，其含有的润滑剂的范围为0.01-0.2重量份。
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