JP2006089801A - 鋳造廃棄物の処理方法、鋳造システム - Google Patents

Abstract

【課題】 砂型鋳造を行う際に生じる廃棄物の量を削減するとともに、廃棄物から有害物質、有価物質を低コストで回収することのできる鋳造廃棄物の処理方法等を提供することを目的とする。
【解決手段】 砂型を用いた鋳造プロセスで生じる廃砂、排気ダストに含まれるＣｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物を、炭化物を用いて熱処理炉４０で還元処理することで、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎを回収する。また、還元処理に必要な炭化物として、砂型製造工程で生じる木型の廃木を用いるようにした。さらに、還元処理は、Ｃｒ、Ｆｅ等の融点より低い、１１００〜１４００℃の熱処理によって行うようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、砂型等を用いた鋳造プロセスで生じる鋳造廃棄物の処理方法等に関する。

砂型鋳造を行うシステムにおいては、様々な廃棄物が発生する。
例えば、砂型を形成するのに用いる砂、砂型を形成するに際して用いる木型、鋳造するに先立ち、金属を溶鉱炉で溶融するときに蒸発した金属を含む排気ダスト等である。

このような廃棄物は、一般には埋め立てによって行われるが、廃棄物の量の削減が叫ばれているのは周知の通りである。
このため、例えば、砂型を形成するのに用いた砂は、複数回再利用した後に、廃棄される（例えば、特許文献１参照。）。
また、砂型を形成する砂（以下、廃砂）や排気ダストに含まれるクロムの酸化物（クロマイト）は、環境上の問題から埋め立てるのは好ましくなく、また、クロム合金は高級鋼であることから、クロマイトからクロムを回収するのが全体的なコストの面でも好ましい。

特開２００３−２５１４３６号公報

しかしながら、廃砂やダストには、クロム、鉄、亜鉛等の金属が複合酸化された状態にあり、これらをそのまま分離抽出するのは困難である。
また、例えば、クロマイトを１８００°以上のアークで溶かし、クロマイトに含まれる酸素をアルミニウムで吸着することによって廃棄物中からクロムを回収する手法も提案されているが、アルミニウムも有価資源であり、これをクロムの回収のために用いるのは、コスト的に有利ではない。さらに、高温で処理を行うには、時間がかかるうえ、エネルギーコストも高くなってしまう。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、砂型鋳造を行う際に生じる廃棄物の量を削減するとともに、廃棄物から有害物質、有価物質を低コストで回収することのできる鋳造廃棄物の処理方法、鋳造システムを提供することを目的とする。

かかる目的のもと、本発明の鋳造廃棄物の処理方法は、鋳造プロセスで生じる、金属の酸化物を含んだ廃棄物に炭化物を混合する工程と、炭化物を混合した廃棄物を加熱することで、廃棄物に含まれる金属の酸化物を還元処理する工程と、を含むことを特徴とする。
ここで、処理対象となる廃棄物としては、鋳造プロセスで生じる、金属の酸化物を含んだ廃棄物であればいかなるもので良いが、溶湯を注入することで鋳造が行われる砂型の砂や、金属材料を溶融して溶湯を得る際に生じるダストがある。砂型の砂には、溶湯に含まれる金属の酸化物が混在しており、また、ダストには、金属材料から蒸発した金属成分が含まれている。このような廃棄物を炭化物とともに加熱することで、廃棄物に含まれる金属の酸化物が炭化物によって還元処理され、金属を回収することが可能となる。このとき、炭化物として、砂型を形成するために用いた木型を構成する木を炭化させたものを用いるようにすれば、廃棄物を有効利用できる。
このような還元処理は、炭化物を混合した廃棄物を、廃棄物に含まれる金属の融点以上に加熱して行うことも可能ではあるが、より低温域である、１１００〜１４００℃に加熱して行うことで、エネルギー消費の抑制や処理時間の短縮化を図ることができる。

また、廃棄物、炭化物は、反応効率を高めるために、少なくともそれぞれを、粉末状、粒子状等とするのが好ましいが、金属の酸化物を還元処理する工程に先立ち、炭化物を混合した廃棄物を略球状の粒子に成形しておくのが良い。このときの粒子の径は、例えば５〜１５ｍｍとするのが好ましい。
炭化物を廃棄物に混合する工程では、廃棄物に混合する炭化物の量を、廃棄物に含まれる金属の酸化物の酸素モル数（廃棄物全体に含まれる酸素モル数）の１／２以上のモル数となるようにするのが好ましい。炭化物の炭素と、金属の酸化物に含まれる酸素を反応させて二酸化炭素とするためである。
このように反応を効率よく行うには、炭化物を廃棄物に混合する工程で、廃棄物と炭化物の体積比を、３０：７０〜７０：３０とするのが好ましい。

ところで、このような方法は、有価金属の回収方法、あるいはスラグの製造方法として捉えることもできる。すなわち、炭化物を混合した廃棄物を加熱し、廃棄物に含まれる金属の酸化物を還元処理する工程で、還元された金属（有価金属）を回収することができ、また廃棄物に含まれる金属を回収（除去）することで、有害性の低いスラグを形成できるからである。

本発明は、上記したような方法が実行される鋳造システムとすることもできる。
すなわち、本発明は、金属材料を溶融して溶湯を生成する溶融炉と、溶湯を砂型に注入することで所定形状の成形物を形成する鋳造部と、鋳造部で用いた砂型の砂に炭化物を混合した混合物を加熱し、砂に含まれる金属の酸化物を還元させて金属を回収するリサイクル部と、を含むことを特徴とする。このとき、前記の炭化物としては、木を炭化させることで得られたものを用いるのが、コスト、入手容易性等の面で好ましい。このような木として、廃棄物となる木、特に、この鋳造システムにおいて砂型を形成するために用いた木型の木を利用すれば、廃棄物量削減の面で一層好ましい。
このようにして、リサイクル部にて、砂に含まれる金属の酸化物を還元し、金属を回収することが可能となる。また、溶融炉で発生する排気ダストについても、同様にリサイクル部で処理することが可能であり、これによって排気ダストに含まれる金属の酸化物を還元し、金属を回収することが可能となる。
このような構成において、リサイクル部は、鋳造部で形成された成形物を熱処理するための熱処理炉を用いることができる。これにより、既存の設備を有効利用しながら、低コストで本発明を実現できる。

本発明によれば、砂型を用いた鋳造プロセスで生じる廃砂、排気ダスト等に含まれるＣｒ、Ｆｅ、Ｚｎ等の金属の酸化物を、炭化物を用いて還元処理することで、有害物質、有価物質を除去・回収することができる。これにより、廃棄物の無害化を図るとともに、有用な金属資源のリサイクル率を高め、廃棄物量の大幅な削減、資源の有効活用、全体コストの低減等を図ることが可能となる。
また、還元処理に必要な炭化物として、砂型製造工程で生じる木型の廃木を用いることで、これによっても廃棄物量の削減、コスト低減を図ることができる。
しかも、金属の酸化物を還元させるための熱処理を、１１００〜１４００℃といった、金属の融点よりも低い温度領域で行うことで、エネルギー消費の抑制、処理時間の短縮化を図ることもできる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における鋳造プロセスの概略構成を説明するための図である。
この図１に示すように、本実施の形態における鋳造プロセスにおいては、電気炉等の溶融炉１０において、所定の金属原料を溶解し、溶湯を得る（溶解工程）。
そして、鋳造部２０において、予め作成した砂型に溶湯を注入し、鋳造を行う（鋳造工程）。この後、砂型を開き、脱型を行うことで、所定形状の製品を得る。

さて、鋳造工程で用いる砂型は、砂とバインダーとなる有機系あるいは無機系の樹脂（バインダー樹脂）を所定の配合比で混練し、これを木型で所定形状に成形することで予め形成される（砂型製造工程）。

このようにして鋳造を行うに際しては、溶解工程において、金属の一部が蒸発し、排気ダスト中に、金属の酸化物が含まれる。ここで、溶解工程で金属原料として、例えば自動車のスクラップ金属を用いた場合、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＺｎＯが排気ダスト中に含まれることになる。
また、鋳造工程で用いた砂型を形成していた砂（以下、これを廃砂と称する）には、溶湯に含まれる金属の酸化物である、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃が含まれている。また、この廃砂には、バインダー樹脂も含まれている。

本実施の形態においては、このような排気ダスト、廃砂から、炭化物を用い、金属の酸化物を還元させて、有用な金属を回収する。また、炭化物としては、廃木を炭化させたものを用いる。以下にその詳細について説明する。
まず、砂型製造工程で用いた木型の廃棄物(以下、これを廃木と称する)を、加熱炉３０において加熱し、炭化させる。このときの加熱温度は、４００℃以上とするのが好ましい。
廃木を炭化させることで得られた炭化物は、粉砕機により、１０〜１００μｍ程度の粒径となるまで粉砕する。

そして、粉砕した廃木の炭化物と、排気ダスト、廃砂を十分に混合する。このとき、混合には、回転式の混合機等を用い、一定時間混合し続けることで、廃木の炭化物と、排気ダスト、廃砂を、略球状の成形体に成形することができる。成形される成形体の直径は５〜１５ｍｍとするのが好ましい。
廃木の炭化物と、排気ダストおよび廃砂の混合比は、形成された成形体において、成形体内の炭化物のモル数が、排気ダストおよび廃砂に含まれる酸素のモル数の１／２以上となるようにするのが好ましい。これには、廃木の炭化物と、排気ダストおよび廃砂とを、重量比において、３０：７０〜７０：３０とするのが好ましく、理想的には、５０：５０とするのが良い。

このようにして、廃木の炭化物と、排気ダスト、廃砂を混合して得られた略球状の成形体を、熱処理炉（リサイクル部）４０中に投入し、所定温度まで昇温することで、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物の還元処理を行う。
このとき、成形体は、１８００℃以上にまで昇温することで、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物を溶融させ、この状態でＣｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物に含まれる酸素が、廃木の炭化物（Ｃ）と反応することでＣｒ、Ｆｅ、Ｚｎを還元することができるが、１１００〜１４００℃に昇温させて還元処理を行うのが好ましい。
１１００〜１４００℃に昇温させると、カーボンソリューション反応（Ｃｏ₂＋Ｃ→２ＣＯ）によりＣＯガスの生成反応のみが進行することにより、ＣＯガスが熱処理炉４０内で安定して発生し、このＣＯガスが介在することによって、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物の還元反応が促進されるからである。

このとき、熱処理炉４０内においては、全体として、以下のような反応が生じる。
２／３Ｃｒ₂Ｏ₃＋Ｃ → ４／３Ｃｒ＋ＣＯ₂
２／３Ｆｅ₂Ｏ₃＋Ｃ → ４／３Ｆｅ＋ＣＯ₂
ＺｎＯ＋１／２Ｃ → Ｚｎ＋１／２ＣＯ₂
このようにして、熱処理炉４０内で、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物が還元される。

１１００〜１４００℃で上記のような反応を生じさせると、酸化物の還元に伴って熱処理炉４０内に生成されるＣＯ₂により、廃木の炭化物（Ｃ）との間で以下のような反応が生じ、ＣＯが発生する。
Ｃ＋ＣＯ₂ → ２ＣＯ
すると、このＣＯとＣｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物との間では、Ｆｅの酸化物を例に挙げると、
２／３Ｃｒ₂Ｏ₃＋２ＣＯ → ４／３Ｃｒ＋２ＣＯ₂
２／３Ｆｅ₂Ｏ₃＋２ＣＯ → ４／３Ｆｅ＋２ＣＯ₂
ＺｎＯ＋ＣＯ → Ｚｎ＋ＣＯ₂
という反応が生じる。このような段階を経て、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物が還元されているのである。

このようにして、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物を還元し、有用な金属であるＣｒをはじめとし、Ｆｅ、Ｚｎを回収することができる。
また、これら有用な金属であるＣｒ、Ｆｅを除去した後の廃砂は、再生砂とし、砂型の製造にリサイクルすることもできるし、一定回数再利用したものであれば、そのまま廃棄物（廃砂）として処理することもできる。
一方、Ｆｅ、Ｚｎを除去した排気ダストは、スラグとして、路盤材、ぐり石等としてリサイクル利用したり、また無害な廃棄物として処理することもできる。

なお、上記のようなＣｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物の還元処理、つまり有用金属抽出工程は、廃砂、廃木、排気ダストがある程度溜まった時点で適宜行うのが好ましい。このため、このような処理を行う熱処理炉４０には、鋳造工程で鋳造した製品に対し、所定の熱処理を行うための熱処理炉を好適に用いることができる。
ところで、上記においては、廃砂、排気ダストの処理をあたかも同時に行うように表現したが、廃砂と排気ダストを別々に処理しても良いのは言うまでもない。

さて、上述したように、砂型を用いた鋳造プロセスで生じる廃砂、排気ダストに含まれるＣｒ、Ｆｅ、Ｚｎの酸化物を、炭化物を用いて還元処理することで、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｎを回収することができる。これにより、廃棄物の無害化を図るとともに、有用な金属資源のリサイクル率を高め、廃棄物量の削減、資源の有効活用、全体コストの低減等を図ることが可能となる。
また、還元処理に必要な炭化物として、砂型製造工程で生じる木型の廃木を用いるようにしたので、これによっても廃棄物量の削減を図るとともに、上記還元処理を、鋳造プロセス内で生じる材料によって行うことができ、これもコスト低減に繋がる。
さらに、還元処理は、Ｃｒ、Ｆｅ等の融点より低い、１１００〜１４００℃で行うようにした。これにより、処理に要するエネルギー量、時間を大幅に低減、短縮することができる。

なお、上記実施の形態において、砂型を用いた鋳造プロセスにおいて、廃棄物からの有用金属の抽出工程を行っているが、この工程は、鋳造工程を行う工場において一連のプロセスとして行っても良いし、また、鋳造工場から廃砂、排気ダスト、廃木等を搬出し、外部の処理工場で行っても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における鋳造プロセスの概略構成を説明するための図である。

符号の説明

１０…溶融炉、２０…鋳造部、３０…加熱炉、４０…熱処理炉（リサイクル部）

Claims (10)

1. 鋳造プロセスで生じる、金属の酸化物を含んだ廃棄物に炭化物を混合する工程と、
   前記炭化物を混合した前記廃棄物を１１００〜１４００℃に加熱し、前記廃棄物に含まれる前記金属の酸化物を還元処理する工程と、を含むことを特徴とする鋳造廃棄物の処理方法。
2. 前記廃棄物は、溶湯を注入することで鋳造が行われ、前記溶湯に含まれる金属の酸化物が混在した砂型の砂であることを特徴とする請求項１に記載の鋳造廃棄物の処理方法。
3. 前記廃棄物は、金属材料を溶融して溶湯を得る際に生じ、前記金属材料から蒸発した金属成分を含むダストであることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳造廃棄物の処理方法。
4. 前記炭化物は、前記砂型を形成するために用いた木型を構成する木を炭化させたものであることを特徴とする請求項２または３に記載の鋳造廃棄物の処理方法。
5. 前記金属の酸化物を還元処理する工程では、前記炭化物を混合した前記廃棄物を、１１００〜１４００℃に加熱することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の鋳造廃棄物の処理方法。
6. 前記金属の酸化物を還元処理する工程に先立ち、前記炭化物を混合した前記廃棄物を略球状の粒子に成形することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の鋳造廃棄物の処理方法。
7. 前記炭化物を前記廃棄物に混合する工程では、前記廃棄物に混合する前記炭化物の量を、前記廃棄物に含まれる前記金属の酸化物の酸素モル数の１／２以上のモル数となるようにすることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の鋳造廃棄物の処理方法。
8. 前記炭化物を前記廃棄物に混合する工程では、前記廃棄物と前記炭化物の体積比を、３０：７０〜７０：３０とすることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の鋳造廃棄物の処理方法。
9. 金属材料を溶融して溶湯を生成する溶融炉と、
   前記溶湯を砂型に注入することで所定形状の成形物を形成する鋳造部と、
   前記鋳造部で用いた前記砂型の砂に炭化物を混合させた混合物を加熱し、前記砂に含まれる金属の酸化物を還元させて前記金属を回収するリサイクル部と、
   を含むことを特徴とする鋳造システム。
10. 前記リサイクル部は、前記鋳造部で形成された前記成形物を熱処理するための熱処理炉を用いることを特徴とする請求項９に記載の鋳造システム。

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