JP2005138141A

JP2005138141A - 鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法及び装置

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Publication number: JP2005138141A
Application number: JP2003376705A
Authority: JP
Inventors: Sadao Kitazawa; 定男北沢; Takuo Sato; 拓郎佐藤; Hiromi Tomishige; 博美冨重; Yoji Awano; 洋司粟野; Ginka Jo; 銀華徐
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-06
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: JP3994957B2

Abstract

【課題】水溶性中子から鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーをほぼ完全に再利用する方法、及びそれに用いる装置を提供する。
【解決手段】鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品から水圧を用いて該鋳物砂を除去する砂落装置１と、該砂落装置に後記溶液バッファー槽から循環ポンプを介して水溶性無機塩バインダー水溶液を噴射する装置２と、該砂落装置の下方に配置され該除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物を貯蔵し鋳物砂を沈殿させる砂沈殿槽３と、該砂沈殿槽の上部と連通し鋳物砂と分離した水溶性無機塩バインダー水溶液を貯蔵する溶液バッファー槽４と、該砂沈殿槽の下部と連通し鋳物砂と水溶性無機塩バインダ及び水からなるスラリーを所定濃度まで脱水し、混練砂を造型機へ送る脱水装置５を含むことを特徴とする鋳物砂及び水溶性無機塩バインダの再利用装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、水溶性中子から鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーを再利用する方法、及びそれに用いる装置に関する。

鋳型に溶湯を圧入し，急冷凝固させて鋳物を製造する精密鋳造技術においては、機械部品等の精密鋳造品の内部に空間を設けるために、中子が広く利用されている。例えば、アルミ合金を使ったシリンダの内部空間、エグゾースト内部の冷却媒体通路の作製に中子は不可欠なものである。

中子の強度を増加させるためには、樹脂等のバインダーが使用されている。例えば、鋳物砂・特に中子砂に使われるバインダーには熱硬化樹脂を用いたシェルモールド法、ガス硬化性樹脂を用いたコールドボックス法等が主流であるがこの砂再生法は焙焼又は機械力による研磨等で行っており、多くのエネルギー消費と大量の微紛が発生している。具体的には、焙焼再生法では、７００℃以上に加熱して樹脂分を完全に燃焼させるため、焙焼時のエネルギー多消費、粉塵発生が避けられなかった。

又、無機バインダーには水ガラス等が従来より用いられているが、その砂再生は粉砕、研磨等で多くの動力と発塵を伴ない、鋳造工場の避けられない問題とされていた。即ち、乾式再生法（摩擦・研磨法）では、鋳物砂表面付着の樹脂分等を機械的力で除去するため、砂の摩耗が多く、また粉塵ダストの廃棄物を多量に発生している。エネルギー的には焙焼より有利であるが電力使用量は多い。更に、除去された残留バインダーは再使用できない。このように、無機バインダーを用いた場合の乾式再生法は、エネルギー多消費、粉塵、臭気、廃棄物等の問題を有するものであった。

しかも、焙焼再生法、乾式再生法（摩擦・研磨法）の両方法とも、鋳物砂の一部を再利用するだけであり、そのプロセスの特徴とあいまって、鋳造後砂に付着しているバインダーの性質は元に戻らないので、破棄するしかなく、そのために多量のエネルギーと粉塵・臭気を発生させている。

また、下記特許文献１には、有機バインダーを含む砂を特定範囲のＰＨ値となるように塩基または酸で中和して再生し、これを鋳物砂として再利用する技術が開示されている。しかし、この方法も、鋳造後砂に付着しているバインダーの性質は元に戻らないので、破棄するしかなく、そのために多量のエネルギーと粉塵・臭気を発生させている。

一方、中子バインダーとして無機塩を用いることにより、鋳造時のガス発生量を低減させ、鋳造後は中子砂落しを水で行うことのできる水溶性中子が考えられている。しかしながら、非水溶性中子と同様に水溶性中子では、大量に発生する鋳物砂と無機バインダーの処理を如何にするかという問題があった。

一方、水溶性中子バインダーとしては、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）が知られている。しかながら、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）水溶液は、以下の欠点を有している。１）粘着力が弱く、中子強度が充分ではない。２）バインダー必要量が多くなり（水の量も増加する）、鋳物砂の流動性が悪化し、中子造型時にブロー充填性が不十分である。

そこで、下記特許文献２には、塩化ナトリウムを基材とし、これに硫酸リチウム２〜４０％、硫酸マグネシウム２〜２０％等を加えた水溶性中子バインダーが開示されている。又、下記特許文献３には、硫酸カルシウムと硫酸マグネシウムから成る水溶性中子バインダーが開示されている。しかしながら、これら特許文献２及び３に開示された水溶性中子バインダーを用いても強度は十分ではなかった。

特開平３−２３８１４１号公報特公昭５２−１０８０３号公報特開平１１−２８５７７７号公報

上記問題に鑑み、本発明は、砂落しが容易な水溶性無機バインダーの開発に基づいて、使用後の鋳物砂及び無機バインダーの両者をほぼ完全に再生・リサイクルする方法及び装置を提供し、水溶性中子を更に実用性のあるものとするとともに、環境性に優れたものとすることを目的とする。

本発明者らは、多数の化合物について検討した結果、特定の水溶性無機塩が水溶性バインダーとして優れていることの知見を得た。かかる知見に基づき、更に検討を進めた結果、鋳物砂を除去する工程から回収・脱水された鋳物砂のスラリーを再混練する工程に至る鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法とそれに適用される再利用装置を開発した。

即ち、第１に、本発明は、鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法の発明であり、以下の工程を含む。１）鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品から後記水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液の水圧を用いて該鋳物砂を除去する工程、２）該除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物を貯蔵して、水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液と、主として鋳物砂からなり少量の水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーに分離する沈殿工程、３）該スラリーの水分を所定濃度まで脱水する工程、４）該所定濃度まで脱水されたスラリーを再利用する工程。

ここで、前記１）水圧を用いて該鋳物砂を除去する工程において、所定濃度の水溶性無機塩バインダー水溶液を用いることが好ましい。この所定濃度の水溶性無機塩バインダー水溶液は、２）沈殿工程で得られる上澄み液を循環利用するのが好ましい。

又、前記１）鋳物砂除去工程で用いる所定濃度の水溶性無機塩バインダー水溶液を飽和濃度又は飽和濃度に近くすることにより、前記３）脱水工程が１回でも、得られたスラリーを造型工程に送ることが可能となる。

更に、前記４）所定濃度まで脱水されたスラリーを再混練する工程において、所定濃度のバインダーを加えて再混練することが好ましい。

第２に、本発明は、別の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法の発明であり、以下の工程を含む。１）鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品から後記水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液の水圧を用いて該鋳物砂を除去する工程、２）該除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物を貯蔵して、水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液と、主として鋳物砂からなり少量の水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーに分離する沈殿工程、３）該スラリーの水分を所定濃度まで脱水する１次脱水工程、４）その後、所定濃度の水溶性無機塩バインダー水溶液を多量に添加し、再度スラリーの水分を所定濃度まで脱水する２次脱水工程、５）該所定濃度まで脱水されたスラリーを再利用する工程。

上記第１及び第２の発明において、前記脱水工程は遠心分離機を用いるものであることが好ましい。又、前記鋳物砂を除去する工程の後に、前記鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーの上澄み液を用いて製造された鋳物を洗浄する工程を含むことが、製造された鋳物の表面を仕上げる上で好ましい。更に、砂落しを効率的に行うためには、砂落し工程で、超音波処理を用いて前記水溶性中子を水に溶解することが好ましい。

第３に、本発明は、鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用装置の発明であり、以下の装置・手段を含む。１）砂落装置：鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品から水圧を用いて該鋳物砂を除去する、２）水溶液噴射装置：該砂落装置に後記溶液バッファー槽から循環ポンプを介して水溶性無機塩バインダー水溶液を噴射する、３）砂沈殿槽：該砂落装置の下方に配置され該除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーを貯蔵し鋳物砂を沈殿させる、４）溶液バッファー槽：該砂沈殿槽の上部と連通し鋳物砂と分離した水溶性無機塩バインダー水溶液を貯蔵する、５）脱水装置：該砂沈殿槽の下部と連通し鋳物砂と水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーを所定濃度まで脱水し、混練砂を造型機へ送る。

上記１）〜５）の装置・手段に加えて、好ましくは、前記脱水装置で脱水溶液である水溶性無機塩バインダー水溶液を前記砂沈殿槽へ導く配管、及び／又は前記溶液バッファー槽に補給水を添加する手段を有することが好ましい。
又、前記脱水装置としては遠心分離機が好ましい。

第４に、本発明は、アルミ合金鋳造方法の発明であり、中子造型工程、鋳造工程、及び砂落し工程を含むアルミ合金鋳造方法において、中子造型工程で上記第１又は第２の本発明の方法で回収された鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーを再利用する。本発明により、例えば、アルミ合金シリンダ等の精密鋳造品を製造することが出来る。

本発明により、鋳物砂粒子の表面が無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いる鋳造時に、使用後の鋳物砂及び無機バインダーの両者をほぼ完全に再生・リサイクルすることが出来る。本発明により、水溶性中子を更に実用性のあるものとするとともに、環境性に優れたものと出来る。

水又はバインダー水溶液を用いて鋳物砂の砂落しをすることにより、製品に加熱・衝撃を加えることなく砂落し出来るので、軽量薄肉鋳物の鋳造が可能となる。又、粉塵の発生も全くないので、集塵機等の公害対策も不用であり、砂の消耗もなく、ダスト処理も必要ない。更に、アルミ品等では鋳造後の高温粗材でも水で砂落し可能なので、粗材冷却も兼用できるので、生産工程が短縮でき、かつ省エネにも寄与できる。

脱水する際、遠心分離機を用い、かつ所定濃度の溶液を用いることにより、混練砂状態の鋳物砂にできるので、従来の砂混練装置が不用である。よって、砂混練に伴う砂計量、バインダーの計量、及び投入装置等が不要となる。又、中子に付着したバインダーも水に溶けた後、再度鋳物砂の表面に均等に付着させることができるので、バインダーの再利用が極めて容易で１００％近い効率のリサイクルができる。更に、主たる再生装置は遠心分離機のみで可能となるため、従来の焙焼法や研磨再生法等に比べ設備がシンプル化でき、臭気・粉塵発生もなく省エネ化も進み、画期的なコスト削減が可能となる。

本発明で用いられる鋳物砂粒子は、従来知られたものを用いることができる。具体的には、ＳｉＣ、アルミナ、ムライト、シリカ、ジルコン等を用いることが好ましい。これらは、優れた強度、低熱膨張率を有するとともに入手が比較的容易であり、強度、寸法精度等に優れた水溶性中子を製造することができる。

本発明で用いられる水溶性無機バインダーは限定されないが、特に、マグネシウムイオン（Ｍｇ^２＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）、カルシウムイオン（Ｃａ^２＋）から選択されるカチオンと、ＳＯ_４ ^２−、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ^２−、Ｂ_４Ｏ_７ ⁻から選択されるアニオンとの組み合わせからなる水溶性無機塩の１種以上を用いることで、十分な中子強度と水可溶性を併せ持つ水溶性中子を得ることができる。その中でも、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）が好ましい。又、水溶性無機塩として、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）０〜１００重量％と、炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）、４ホウ酸ナトリウム（Ｎａ_２Ｂ_４Ｏ_７）、硫酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳＯ_４）から選択される１種以上１００〜０重量％からなる混合系も好ましい。この水溶性中子を用いることで、鋳造時に型崩れせず、鋳造後の砂落しが水圧で容易に行うことができる。

本発明の水溶性中子では、鋳物砂に対する無機塩バインダー添加量の合計量は０．８〜１０重量％であることが好ましく、４〜７重量％であることがより好ましい。

又、本発明では、鋳物砂粒子の表面が無機塩バインダーで被覆され、該鋳物砂粒子の隙間に無機微粉末が充填された水溶性中子を用いることが出来る。無機微粉末を充填させることで、水溶性中子の流動性と充填性を低下させずに、強度を向上させることが出来る。無機微粉末としては、カオリン、タルクが好ましく例示される。鋳物砂に対して、水溶性無機塩バインダー４〜７％、無機微粉末が１〜７％であることが好ましい。

又、本発明では、水溶性無機塩バインダーに、珪砂（珪粉）、アルミナ、チタン酸カリウム、炭化珪素、珪酸ジルコン、繊維状チタン酸カリウム、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄、酸化マグネシウムから選択される無機フィラーの１種以上を添加することが出来る。無機フィラーを添加することで、高温強度と、砂落しの容易性の目安となる水可溶性を併せ持つ水溶性中子が得られる。

本発明の水溶性中子では、前記無機フィラーを添加する場合は鋳物砂に対して０．２〜１０重量％であることが好ましい。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１に、本発明の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用装置の概略を示す。砂落装置１に、鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品（砂付粗材）をセットし、この鋳造品（砂付粗材）に対して、噴射装置２から水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液を噴射する。水溶性バインダーで成型された中子は、噴射された水溶液によって成型力を失い、鋳造品（砂付粗材）から流出する。この際、中子に付着していた水溶性バインダーは溶液内に溶ける。鋳造品（砂付粗材）から中子砂を完全に流出させるには、鋳造品（砂付粗材）を回転させたり、水溶液の噴射圧力を上げたり、超音波を照射する等の手段を併用することも有効である。水圧を用いて砂落装置１で除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物は落下し、砂落装置１の下方に配置された砂沈殿槽３に貯蔵される。砂沈殿槽３において、鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物は、水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液と、主として鋳物砂からなり少量の水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーに分離する。上澄み液（水溶性無機塩バインダー水溶液）は隣接する溶液バッファー槽４に貯蔵される。溶液バッファー槽４の上澄み液（水溶性無機塩バインダー水溶液）は、ポンプを介して配管により噴射装置２に導かれ、鋳物砂の除去に繰返し再利用される。一方、砂沈殿槽３で沈殿したスラリーは、砂沈殿槽３の下部よりスラリーポンプを介して脱水装置５へ送られる。脱水装置５としては、遠心分離機が有効である。遠心分離機は６００〜１８００Ｇ程度の遠心力を持たせ、砂と溶液に分離する。遠心力により飛ばされた水溶液は砂沈殿槽３へ戻される。脱水装置５で所定濃度まで脱水されたスラリーは、鋳物砂が所定の溶液を含んだ湿砂状態（混練砂状態）となるから、このまま次工程の造型機へ送られ再利用される。遠心分離機を利用すると、砂の種類やフィルターの種類を選定することにより、ある遠心力以上で一定の残留水分とすることが出来る。

図１では、配管６により、脱水装置５で脱水溶液である水溶性無機塩バインダー水溶液を砂沈殿槽３へ導いている。又、溶液バッファー槽４に、蒸発等で損失する補給水を添加する手段７を有している。なお、砂落し条件を安定化するため、ヒーターやクーラー等の溶液温度を一定にする手段を加えることも有効である。

図２に本発明の実施例のシステムフロー図を示す。本実施例では、脱水を１回行っている。又、図３に本発明の他の実施例のシステムフロー図を示す。本実施例では、脱水を２回行っている。

本発明の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用装置の概略図を示す。本発明の実施例のシステムフロー図を示す。本発明の他の実施例のシステムフロー図を示す。

符号の説明

１：砂落装置、２：噴射装置、３：砂沈殿槽、４：溶液バッファー槽、５：脱水装置、６：脱水溶液を導く配管、７：補給水添加手段。

Claims

鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品から後記水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液の水圧を用いて該鋳物砂を除去する工程と、該除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物を貯蔵して、水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液と、主として鋳物砂からなり少量の水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーに分離する沈殿工程と、該スラリーの水分を所定濃度まで脱水する工程と、該所定濃度まで脱水されたスラリーを再利用する工程を含むことを特徴とする鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法。
前記水圧を用いて該鋳物砂を除去する工程において、所定濃度の水溶性無機塩バインダー水溶液を用いることを特徴とする請求項１に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法。
前記所定濃度の水溶性無機塩バインダー水溶液を飽和濃度又は飽和濃度に近くすることにより、前記脱水工程が１回であることを特徴とする請求項２に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法。
前記所定濃度まで脱水されたスラリーを再混練する工程において、所定濃度のバインダーを加えて再混練することを特徴とする請求項１乃至３に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法。
鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品から後記水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液の水圧を用いて該鋳物砂を除去する工程と、該除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物を貯蔵して、水溶性無機塩バインダー及び水からなる上澄み液と、主として鋳物砂からなり少量の水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーに分離する沈殿工程と、該スラリーの水分を所定濃度まで脱水する１次脱水工程と、その後、所定濃度の水溶性無機塩バインダー水溶液を多量に添加し、再度スラリーの水分を所定濃度まで脱水する２次脱水工程と、該所定濃度まで脱水されたスラリーを再利用する工程を含むことを特徴とする鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法。
前記脱水工程が遠心分離機を用いるものであることを特徴とする請求項１乃至５に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法。
前記鋳物砂を除去する工程の後に、前記鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーの上澄み液を用いて製造された鋳物を洗浄する工程を含むことを特徴とする請求項１乃至６に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用方法。
鋳物砂粒子の表面が水溶性無機塩バインダーで被覆された水溶性中子を用いた鋳造品から水圧を用いて該鋳物砂を除去する砂落装置と、該砂落装置に後記溶液バッファー槽から循環ポンプを介して水溶性無機塩バインダー水溶液を噴射する装置と、該砂落装置の下方に配置され該除去された鋳物砂、水溶性無機塩バインダー及び水からなる混合物を貯蔵し鋳物砂を沈殿させる砂沈殿槽と、該砂沈殿槽の上部と連通し鋳物砂と分離した水溶性無機塩バインダー水溶液を貯蔵する溶液バッファー槽と、該砂沈殿槽の下部と連通し鋳物砂と水溶性無機塩バインダー及び水からなるスラリーを所定濃度まで脱水し、混練砂を造型機へ送る脱水装置を含むことを特徴とする鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用装置。
前記脱水装置で脱水溶液である水溶性無機塩バインダー水溶液を前記砂沈殿槽へ導く配管を有することを特徴とする請求項８に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用装置。
前記溶液バッファー槽に補給水を添加する手段を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用装置。
前記脱水装置が遠心分離機であることを特徴とする請求項８乃至１０に記載の鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーの再利用装置。
中子造型工程、鋳造工程、及び砂落し工程を含むアルミ合金鋳造方法において、中子造型工程で請求項１乃至７のいずれかに記載の方法で回収された鋳物砂及び水溶性無機塩バインダーを再利用することを特徴とするアルミ合金鋳造方法。