JP2009512557A

JP2009512557A - 低熱膨張鋳造媒体

Info

Publication number: JP2009512557A
Application number: JP2008536638A
Authority: JP
Inventors: ウイルスン，ブレット、アリン
Original assignee: カーボ、サラミクス、インク
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2009-03-26
Also published as: WO2007065038A2; BRPI0617713A2; EP1937607A2; AU2006320278A1; US20070099793A1; WO2007065038A3; CN101291885A; EA013245B1; EA200801109A1

Abstract

低い熱膨張係数を有する鋳造媒体、この媒体を製造する方法および材料。

Description

本開示は、低い熱膨張係数を有する鋳造媒体（ｆｏｕｎｄｒｙｍｅｄｉａ）、およびその媒体を生成する方法および材料に関する。

鋳造媒体は、金属鋳造産業において様々な鋳造過程で使用される。鋳造過程では、溶融金属は設計形状、サイズおよび寸法の鋳物（ｃａｓｔｉｎｇ）を生成するために鋳造媒体のある状態で溶融領域に注入される。溶融金属が鋳型（ｍｏｌｄ）に注入されると、鋳造媒体は加熱され、膨張する。金属および鋳型が室温まで冷却されると、金属および鋳型は収縮する。加熱および冷却の際の膨張および収縮が、得られる鋳造金属部分内の欠陥につながる可能性がある。

起こる可能性がある膨張の程度は、鋳造媒体のタイプによって変わる。熱膨張係数は、加熱または冷却の際に材料が膨張または収縮する量を示す。高い熱膨張係数を有する媒体の使用は、膨張の影響を最も良く説明するために、部品寸法設計および添加物のより広範囲の予備エンジニアリング（ｐｒｅ−ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）を必要とする。より小さな値の熱膨張係数を有する鋳造媒体は、溶融金属成形材料としての使用中にあまり膨張および収縮せず、最終金属部品におけるより少ない欠陥につながるべきである。

金属鋳造応用例に使用される最も普通の媒体である、ケイ砂（ｓｉｌｉｃａｓａｎｄ）は、１０（１０^−６インチ／インチ／℃）より大きい熱膨張係数を有する。金属鋳造応用例で使用される最も普通の特殊砂である、ジルコン砂は、約４．２（１０^−６インチ／インチ／℃）の熱膨張係数を有する。さらに他の知られている鋳造媒体としては、ＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）という商用名でＣＡＲＢＯＣｅｒａｍｉｃｓ，Ｉｎｃ．から市販されている合成セラミック媒体が挙げられる。

高い熱膨張性は、高いレベルの寸法精度を必要とする薄い壁面または極めて複雑な部品で鋳物を生成する能力を制限する可能性がある。高膨張媒体は、媒体膨張を緩衝する添加物、または良くない得られる鋳造性状を修正するために高い機械加工および洗浄費用を必要とすることがある。より低い熱膨張を有する鋳造媒体は、（１）少ない鋳造欠陥、（２）少ない予備エンジニアリング費用、（３）優れた薄壁面能力、（４）高い複雑性の鋳物を生成する優れた能力、（５）高額な膨張緩衝添加物の少ない使用、または（６）費用および時間がかかる洗剤、およびそれに関連する機器および作業者の少ない使用により、鋳造産業の利益になる可能性がある。

低い熱膨張係数を有する鋳造媒体を作る方法、およびそのように作られた鋳造媒体が説明される。ある実施形態は、マグネシア源、シリカ源およびアルミナ源を含む原料からほぼ丸く球状の成形ペレットを形成するステップと、その後、成形ペレットを焼結して鋳造媒体を形成するステップとを含んだ、鋳造媒体を作る方法を記載している。ある実施形態は、鋳造媒体を作る方法、およびケイ砂、ジルコン砂およびかんらん石砂（ｏｌｉｖｉｎｅｓａｎｄ）の少なくとも１つの熱膨張係数より低い、約１００℃から約１１００℃までの熱膨張係数を備えたそのように作られた鋳造媒体を記載している。ある他の実施形態は、鋳造媒体を作る方法、および約１００℃から約１１００℃までの約４．０（１０^−６インチ／インチ／℃）より低い熱膨張係数を有するそのように作られた鋳造媒体を記載している。

ある他の実施形態は、鋳造媒体を作る方法、および約１５（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約１２（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約７（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約６（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約５（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、および約４．０（１０^−６インチ／インチ／℃）未満からなるグループから選択された、約１００℃から約１１００℃の熱膨張係数を有する、そのように作られた鋳造媒体を記載している。

本明細書に記載するような鋳造媒体は、ペレットが焼結される場合に、少なくとも２５重量％の量のコージライトを形成する正味化学物質を提供するのに十分な量だけそれぞれ存在する、マグネシア（ＭｇＯ）源、シリカ（ＳｉＯ_２）源およびアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）源を含む原料から形成されたほぼ円形で球状の焼結ペレットを備えている。鋳造媒体は、ケイ砂、ジルコン砂およびオリビン・サンド（ｏｌｉｖｉｎｅｓａｎｄ）の少なくとも１つの熱膨張係数より低い、約１００℃から約１１００℃までの熱膨張係数を有する。ある実施形態では、形成されるコージライトの量は、少なくとも約４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０または８５重量％である。さらに他の実施形態では、形成されるコージライトの量は、少なくとも約７、２０または３０重量％である。

さらに他の実施形態によれば、約５２から約６６重量％の量のコージライト、約７から約２４重量％の量のムライト（ｍｕｌｌｉｔｅ）、および約１から約８重量％の量のサファーリン（ｓａｐｐｈｉｒｉｎｅ）を含む鋳造媒体が提供される。このような一実施形態によれば、もしあればクリストバライト（ｃｒｉｓｔｏｂａｌｉｔｅ）は、約１重量％未満の量だけ存在する。

さらに他の実施形態によれば、約２５から約４２重量％の量のコージライト、約１９から約２１重量％の量のムライト（ｍｕｌｌｉｔｅ）、および約７から約１１重量％の量のサファーリン（ｓａｐｐｈｉｒｉｎｅ）を含む鋳造媒体が提供される。このような一実施形態によれば、もしあればクリストバライト（ｃｒｉｓｔｏｂａｌｉｔｅ）は、約１重量％未満の量だけ存在する。

さらに他の実施形態によれば、約８０から約９０重量％の量のコージライト、約３から約１０重量％の量のムライト、および約０から約１６重量％の量のサファーリンを含む鋳造媒体が提供される。このような一実施形態によれば、もしあればクリストバライトは、約１重量％未満の量だけ存在する。

さらに他の実施形態によれば、約６４重量％の量のコージライト、約２０重量％の量のムライト、および約７重量％の量のクリストバライトを含む鋳造媒体が提供される。このような一実施形態によれば、もしあればサファーリンは、約１重量％未満の量だけ存在する。

さらに他の実施形態によれば、約８２重量％の量のコージライト、約１３重量％の量のムライト、および約５重量％の量のクリストバライトを含む鋳造媒体が提供される。このような一実施形態によれば、もしあればサファーリンは、約１重量％未満の量だけ存在する。

本明細書に記載するさらに他の実施形態によれば、マグネシア源、シリカ源、およびアルミナ源の正味化学物質は、マグネシア・アルミナ・シリカ相図の特定の領域内に含まれる。マグネシア・アルミナ・シリカ相図は、図に示す組成物および温度に対する平衡化学反応（ｅｑｕｉｌｌｉｂｒｉｕｍｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎ）から得られる相を示すように、当業者に知られている。マグネシア・アルミナ・シリカ相図は、ＡＣｅｒＳ−ＮＩＳＴＰｈａｓｅＥｑｕｉｌｉｂｒｉａＤｉａｇｒａｍｓＣＤ−ＲＯＭＤａｔａｂａｓｅＶｅｒｓｉｏｎ３、およびＰｈａｓｅＥｑｕｉｌｉｂｒｉａＤｉａｇｒａｍｓ：ＶｏｌｕｍｅＩ，ＯｘｉｄｅｓａｎｄＳａｌｔｓ，ｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＣｅｒａｍｉｃＳｏｃｉｅｔｙ，ＥｒｎｅｓｔＭ．Ｌｅｖｉｎ，ＣａｒｌＲ．Ｒｏｂｂｉｎｓ，およびＨｏｗａｒｄＦ．ＭｃＭｕｒｄｉｅ（編集）（１９６４年）などの商用出典から十分詳細に利用可能である。

次に図１を参照すると、マグネシア・アルミナ・シリカ相図１０００が示されており、明確にする目的で、当業者に知られている完全詳細マグネシア・アルミナ・シリカ相図に対して単純化したものである。より詳細には、図１に示すマグネシア・アルミナ・シリカ相図１０００は、完全詳細相図にある温度軸の図示を取り除き、本明細書で主に興味のある相のみ、すなわち、クリストバライト（１００％ＳｉＯ_２）、ムライト（７１．８％Ａｌ_２Ｏ_３、２８．２％ＳｉＯ_２、０％ＭｇＯ）、サファーリン（６４．４％Ａｌ_２Ｏ_３、１５．２％ＳｉＯ_２、２０．４％ＭｇＯ）、およびコージライト（３４．８％Ａｌ_２Ｏ_３、５１．４％ＳｉＯ_２、１３．８％ＭｇＯ）を示すように単純化されている。温度に関して、温度軸は図１に図示する必要はない。というのは、図１に示す相は、図示する相につながる平衡化学反応が生じるのに十分高い温度および十分遅い速度での材料の加熱、および十分に遅い速度での冷却後に予測される相であるからであることを前提とするからである。図１に示すマグネシア・アルミナ・シリカ相図１０００上に配置される相または点はこれに応じて、完全詳細マグネシア・アルミナ・シリカ相図上に配置されることを理解するものとする。

図１は、相図の端点、すなわち、シリカ１００２、アルミナ１００４、およびマグネシア１００６を示している。点１１００は、クリストバライトの位置を示している。点１１０２は、ムライトの位置を示している。点１１０４は、サファーリンの位置を示している。点１１０６は、コージライトの位置を示している。集合的に見ると、点１１０４、１１０２および１１０６は、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のサファーリン・ムライト・コージライト領域１２００を規定しており、点１１００、１１０２および１１０６は、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のクリストバライト・ムライト・コージライト領域１４００を規定している。

本明細書に記載するある実施形態によれば、マグネシア源、シリカ源およびアルミナ源の正味化学物質は、マグネシア・アルミナ・シリカ相図１０００のクリストバライト・ムライト・コージライト領域１４００内に含まれる。例えば、このようないくつかの実施形態では、マグネシア源、シリカ源およびアルミナ源の正味化学物質は、マグネシア（ＭｇＯ）が約７から約１４重量％の量で存在し、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が約１７から約５４重量％の量で存在し、シリカ（ＳｉＯ_２）が約３９から約７６重量％の量で存在するようになっている。このようないくつかの実施形態によれば、上記正味化学物質は、少なくとも５０重量％のコージライトを有する焼結生成物（ｓｉｎｔｅｒｅｄｐｒｏｄｕｃｔ）を生成し、またムライトおよびクリストバライトを存在させる。当業者は、マグネシア、アルミナおよびシリカ源内の不純物からの少量の他の酸化物の存在により、存在する相の量を変えることができることが分かるだろう。

他の実施形態によれば、マグネシア源、シリカ源およびアルミナ源の正味化学物質は、マグネシア・アルミナ・シリカ相図１０００のサファーリン・ムライト・コージライト領域１２００に含まれる。例えば、このようないくつかの実施形態では、マグネシア源、シリカ源およびアルミナ源の正味化学物質は、マグネシアが約７から約１８重量％の量で存在し、アルミナが約３４から約５４重量％の量で存在し、シリカが約３３から約５２重量％の量で存在するようになっている。このようないくつかの実施形態によれば、上記正味化学物質は、少なくとも５０重量％のコージライトを有する焼結生成物を生成し、またムライトおよびサファーリンを存在させる。当業者は、マグネシア、アルミナおよびシリカ源内の不純物からの少量の他の酸化物の存在により、存在する相の量を変えることができることが分かるだろう。

ある実施形態によれば、カオリン（ｃａｏｌｉｎ）および／またはボーキサイト（ｂａｕｘｉｔｅ）がアルミナ源として使用される。例示的なマグネシア源としては、酸化マグネシウム、タルクおよびかんらん石砂が挙げられる。ある実施形態では、タルク、カオリン、ボーキサイト、および／またはかんらん石砂がシリカ源として使用される。

ある方法では、原料は同時圧延混合物（ｃｏ−ｍｉｌｌｅｄｂｌｅｎｄ）を形成するように共に圧延され、その後、鋳造媒体に加工される。他の方法では、原料は鋳造媒体を形成する過程中に共に混合される。

ある方法では、水、マグネシア源、アルミナ源、およびシリカ源を高強度混合機（ｈｉｇｈｉｎｔｅｎｓｉｔｙｍｉｘｅｒ）内で混合することによって、ほぼ丸く球状のペレットが形成される。

ある方法では、水、マグネシア源、アルミナ源およびシリカ源を含むスラリーを形成し、噴霧器を通してスラリー（ｓｌｕｒｒｙ）を供給してペレットを形成することによって、ほぼ丸く球状のペレットが形成される。

ある実施形態では、水、マグネシア源、アルミナ源およびシリカ源を含むスラリーを形成し、噴霧乾燥機を通してスラリーを供給してペレットを形成することによって、ほぼ丸く球状のペレットが形成される。

原料はいずれも、焼成、未焼成、一部焼成とすることができ、またはその混合とすることができる。例えば、カオリンおよび／またはボーキサイトが使用される実施形態では、一方または両方を、焼成、未焼成、または一部焼成とすることができる。ある方法では、焼成カオリンおよび焼成ボーキサイトを含み、上に記載した正味化学物質を提供する原料から、混合過程により、ほぼ丸い球状の成形ペレットが形成される。他の方法では、未焼成カオリンおよび／または未焼成ボーキサイトが使用される噴霧乾燥過程または流体床過程により、本明細書に記載したような正味化学物質を提供する原料からほぼ丸い球状の成形ペレットが形成される。

前述の方法のいずれかで作られた成形ペレットは、溶融することなくペレットを焼結するのに十分な温度で最終形状に焼結される。焼結は、回転窯、箱窯、または適当な焼結状態を提供することができるあらゆる適切な装置内で行うことができる。焼結および、焼結を行う機器が当業者に知られている。例えば、Ｆｉｔｚｇｉｂｂｏｎの米国特許第４，４２７，０６８号を参照のこと。ある実施形態では、焼結は、ピーク温度で約２０から約４５分の範囲の時間だけ約１３００℃から約１４２０℃の範囲の温度で行うことができる。

本明細書に記載された方法により形成される鋳造媒体は、樹脂で覆うことができ、鋳型に形成することができる。鋳造媒体を覆い、そこから鋳型を形成する方法は、当業者に知られている。本明細書に記載された方法により形成される鋳造媒体はまた、鋳造用のフォーム形状の周りで鋳造媒体を包装することによって、ロスト・フォーム鋳造方法で使用することもできる。ロスト・フォーム鋳造方法は、当業者に知られている。

以下の実施例は、上に論じた方法および組成物を例示するものである。

例示的な原料
本明細書に記載された例示的な方法によりほぼ丸い球状のペレットおよびバーを調製するのに使用される例示的な原料の点火の際の化学分析および損失が、表１に重量％で報告されている。

カオリンＣとして表１に示されているカオリンは、ジョージア州ＡｎｄｅｒｓｏｎｖｉｌｌｅのＣＥＭｉｎｅｒａｌｓから市販されている。カオリンＭは、表１で報告された化学分析を有する、ＭｉｄｄｌｅＧｅｏｒｇｉａとしても知られるＣｅｎｔｒａｌＧｅｏｒｇｉａから採掘されたカオリンである。普通は、水和ケイ酸マグネシウムと呼ばれるタルクは、３つの源から得られた。タルクＡは、ＺｅｍｅｘＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＭｉｎｅｒａｌｓから市販されているＰｉｏｎｅｅｒ２８８２タルクである。タルクＢは、ＷｏｌｄＴａｌｃＣｏｍｐａｎｙから市販されているＷｏｌｄタルクである。タルクＣは、タルク９２０２としてＰｏｌａｒＭｉｎｅｒａｌｓから市販されているタルクである。ケイ酸マグネシウム鉄としても知られるかんらん石砂は、Ｕｎｉｍｉｎから得られた。この実施例１で使用される酸化マグネシウムは、ＭａｇＣｈｅｍ４０の商用名でＭａｒｔｉｎＭａｒｉｅｔｔａＭａｇｎｅｓｉａＳｐｅｃｉａｌｔｉｅｓから市販されている。ボーキサイトは、Ｃｏｍａｌｃｏから得られた。

カオリンおよびボーキサイトに対して報告された割合を、当業者に知られている分析方法である、誘導結合プラズマ光放射スペクトル［ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙｃｏｕｐｌｅｄｐｌａｓｍａ−ｏｐｔｉｃａｌｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒａ（ＩＣＰまたはＩＣＰ−ＯＥＳ）］によって決定した。残りの報告された割合は、原料源によって与えられるものである。

ペレット
８つの混合物を、表２Ａで報告する重量％で、表１に記載した原料を噴射圧延することによって調製した。本明細書に記載するカオリン、タルクおよびボーキサイトなどの原料を同時圧延する他の適切な機器および方法が、当業者に知られている。ボーキサイトおよびカオリンは、有機材料および水和物水を実質的に取り除くのに十分な回数および温度で、他の原料での噴射圧延の前に焼成した。他の原料は焼成しなかった。

表２Ａに示すように、カオリンＣは８つの混合物全てに対して使用した。タルクＡは、混合物番号１、２および５に使用し、タルクＢは混合物番号３、７および８に使用した。本明細書に記載したものなどの原料を噴射圧延する機器および方法は、当業者に知られている。この実施例では、原料は約１ポンド／時間の供給速度を使用して、ＳｔｕｒｔｅｖａｎｔＩｎｃ．４”ＯｐｅｎＭａｎｉｆｏｌｄＭｉｃｒｏｎｉｚｅｒ内で噴射圧延した。

表２Ａに記載した混合物はそれぞれ、Ｆｉｔｚｇｉｂｂｏｎの米国特許第４，８７９，１８１号に記載したプロパントを作る方法と同様である、高強度混合機を使用した方法によりほぼ丸い球状のペレットを調製するのに使用された。

この実施例１では、各混合物は、水平であるまたは水平から０から３５度の間に傾斜させることができ、約１０から約６０回転／分（ｒｐｍ）の速度で回転することができる円形テーブルを有するＥｉｒｉｃｈ混合機に一括モードで個別に供給した。混合機はまた、約５から約５０メートル／秒の先端速度で回転することができる回転可能な衝突羽根車（ｉｍｐａｃｔｉｎｇｉｍｐｅｌｌｅｒ）を有する。テーブルの回転方向は、羽根車の方向と反対であり、混合機に追加された材料を逆流の方法でその上に流す。衝突羽根車の中心軸は普通、回転可能なテーブルの中心軸から芯ずれした位置で混合機内に配置される。この実施例１で鋳造媒体を形成するために、テーブルを、水平から約３０度の傾斜で約２０から約４０ｒｐｍで回転させた。衝突羽根車は最初、約２５〜３５メートル／秒（約１０１４〜１４２０ｒｐｍ）で回転させ、混合機に水を加える間に、以下に記載するように調節した。

混合物がＥｉｒｉｃｈ混合機内で撹拌されている間、水をほぼ丸く球状のペレットの形成をするのに十分な量を混合機に加えた。この特定の実施例では、水は純水であり、約１８から約２２重量％までの、混合機内の原料の重量に基づく割合を提供するのに十分な量が混合機に加えられるが、この量は変更することができる。普通、本方法で使用される水の量は、混合の際にほぼ丸く球状のペレットを形成させるのに十分な量である。当業者は、ほぼ丸く球状のペレットが形成されるように、混合機に加える水の適切な量をどのように決定するかが分かるだろう。

混合機への水添加速度は重要ではない。強い混合動作が、混合物全体を通して水を分散させる。水の量の最初の半分を加える間に、衝突羽根車を約１６メートル／秒（約５６８ｒｐｍ）で回転させ、その後、より速い先端速度の約３２メートル／秒（約１１３６ｒｐｍ）で回転させた。羽根車の初期回転は任意である。利用する場合、初期回転は、約２５から約３５メートル／秒の範囲のより速い先端速度の後で、約５から約２０メートル／秒であってもよい。当業者は、羽根車および／またはパンの回転速度を、ほぼ丸く球状のペレットが形成されるように、この実施例１に記載されたものより大きいまたは小さい値に調節するかどうかを決定することができる。

約２から約６分間の混合の後に、ほぼ丸く球状のペレットが形成される。混合時間は、これに限らないが、混合機内の材料の量、混合機の操作の速度、混合機に加えられる水の量、および所望のペレット・サイズを含む、いくつかの要因によって変わる可能性がある。当業者は、所望のサイズのほぼ丸く球状のペレットが形成されるように、混合時間がこの実施例１に記載された時間より長くまたは短くすべきであるかどうかを決定することができる。ペレットが所望のサイズに到達すると、回転子は約１６メートル／秒（約５６８ｒｐｍ）まで遅くされ、原料ダストより１０％多くが（混合機に最初に加えられた原料の乾燥量に基づき）加えられ、混合は約１分間続く。「トリム」ダストは、ペレットの表面を円滑にするのを助ける。この実施例１で作られる、焼結後の鋳造媒体の所望のサイズが、表１Ｄに記載されている。焼結中に起こる収縮を補償するために、混合機から排出されるペレットは、焼結生成物の所望のサイズより大きい約１から２Ｕ．Ｓ．Ｍｅｓｈサイズである。

形成したペレットは、混合機から排出し、乾燥させた。本実施例では、ペレットはステンレス鋼パン内に注入され、１１０℃で動作する乾燥炉（ｄｒｙｉｎｇｏｖｅｎ）内に一晩中配置して、ペレットが約１重量％未満の水分量を有することにつながった。ペレットは、最終状態まで焼結されなかったので、乾燥機からの取り除いた後に「未焼結」と呼ばれる。

混合物番号１〜８それぞれから形成した成形ペレットをアルミナ・ボート内に配置し、表２Ｂに記載した条件で作動するＬｉｎｄｂｕｒｇｈＢｌｕｅＭ１７００℃ ＢｏｘＦｕｒｎａｃｅ（ＭｏｄｅｌＢＦ５１６６４ＰＣ）内に装填した。「ＨＲ」は、℃／時間での窯のおおよその加熱速度を示す。「含浸温度」は窯のおおよそのピーク焼成温度を示し、「含浸時間」は「含浸温度」での窯の中のペレットの滞留時間を示す。

成形ペレットは、所望のサイズのペレットだけが窯の中に配置されるように焼結する前にふるいにかけることができる。加えて、焼結したペレットは窯から取り除く際にふるいにかけることができる。サイズによるふるいおよび同様の分離の方法および機器が、当業者に知られている。

各混合物から調製した焼結ペレットの様々な性状を評価した。結果が、表２Ｃに報告されている。「判定されず」と報告された結果は、性状が判定されなかったことを示す。

表２Ｃで報告したターゲット・サイズは、焼結による収縮後に、ほぼこの実施例１に対する所望のペレット・サイズである。焼結後、焼結したペレットの標本を、サイズ、例えば２０、３０、４０、５０、７０、１００、１４０、２００および２７０Ｕ．Ｓ．メッシュ・サイズの間の中間サイズによって分離するために実験室でふるいにかけることができる。測定したサイズ分布を使用して、粒度指数［ｇｒａｉｎｆｉｎｅｓｓｎｕｍｂｅｒ（ＧＦＮ）］を算出することができる。ふるいサイズとＧＦＮの間の相関関係は、当業者に知られている、ｔｈｅＡｍｅｒｉｃａｎＦｏｕｎｄｒｙＳｏｃｉｅｔｙＭｏｌｄａｎｄＣｏｒｅＴｅｓｔＨａｎｄｂｏｏｋの処置１０６−８７−Ｓにより決定することができる。

焼結ペレットの報告された見掛け比重［ａｐｐａｒｅｎｔｓｐｅｃｉｆｉｃｇｒａｖｉｔｙ（ＡＳＧ）］は単位のない数であり、容量のグラム／立方センチメートルで重量と数値的に等しく、水の密度（約１ｇ／ｃｃ）によって分割される、容量を決定する際に空隙空間（ｖｏｉｄｓｐａｃｅ）または開放気孔率（ｏｐｅｎｐｏｒｏｓｉｔｙ）を取り除く。本明細書で与えられたＡＳＧ値は、当業者に知られており利用可能なテキストである、プロパントを検査するために、ＡＰＩＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＰｒａｃｔｉｃｅｓＲＰ６０によりアルキメデスの液体（水）変位の方法によって決定した。

表２Ｃで報告された全ペレット比重（ＳＧ）は、密閉気孔率を含むペレットの密度を示しており、製造者の処置により操作された、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓブランドのヘリウム・ガス比重瓶（ｐｙｃｎｏｍｅｔｅｒ）で判定した。

粉末ペレットＳＧは、ペレットを細かいダストに研磨し、その後、上記Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓブランドのヘリウム・ガス比重瓶を使用してダストのＳＧを決定することによって決定した。粉末ペレットＳＧは、孔のない密度を示している。

内部気孔率は、ペレット内の内部（密閉）気孔率の量を示している。表２Ｃで報告された割合内部気孔率は、全ペレットのＳＧと粉末ペレットのＳＧによって分割された粉末ペレットのＳＧの差から算出した。

表２Ｃで報告されたバルク密度は、容量の一部としてペレット間の空隙空間を含んでおり、当業者に知られており利用可能なテキストである、ＡＮＳＩＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄＢ７４．４−１９９２（Ｒ２００２）によって決定した。

焼結ペレットの粉砕は、微粒子の重量％（すなわち、６０以上のＧＦＮを備えた材料に対する１４０メッシュより小さい材料）／４０００ｐｓｉとして示される。表２Ｃで報告された粉砕値は、当業者に知られているテキストである、プロパントを検査するための、ＡＰＩＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄＰｒａｃｔｉｃｅｓＲＰ６０により決定した。

ＭＩＰ気孔率は、ペレットの表面気孔率を示し、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓブランドの水銀侵入気孔率計（ＭＩＰ）で測定した。このＭＩＰは、水銀をペレットの表面上の孔に「注入」するために高圧を使用し、その後、大気圧から３０，０００ｐｓｉａまでどれだけ水銀が注入されるかを測定する。割合表面気孔率は、標本の重量、および３０から３０，０００ｐｓｉａまでペレット内に注入される水銀の量に基づき算出される。

表２Ｃで報告されたマグネシア、アルミナ、およびシリカの重量％は、当業者に知られている方法により、誘導結合プラズマ光放射スペクトル（ＩＣＰまたはＩＣＰ−ＯＥＳ）によって決定した。

焼結ペレット中のコージライト、ムライト、サファーリン、クリストバライト、およびガラスの重量％は、当業者に知られている分析方法である、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって決定した。表２Ｃから、約１２から約１５重量％のマグネシア、約４１から約４５重量％のアルミナ、および約３５から約４２重量％のシリカを含む組成を使用して、約５２から約６６重量％のコージライト、約７から約２４重量％のムライト、および約１から約８重量％のサファーリンを有する鋳造媒体としての使用に適した材料を生成することができることが分かる。

表２Ｃで報告された熱膨張係数（ＣＴＥ）は、１００℃から１１００℃の報告された温度範囲での、温度変化の単位毎のペレット内の線分の長さの変化を示している。ペレットの熱膨張を検査するため、ペレットは２００ミクロン未満のサイズに研磨した。結合剤・水混合物は、水、およびＭｅｔｈｏｃｅｌＦの商用名でＤｏｗＣｈｅｍｉｃａｌから市販されているメチルセルロース結合剤を混合することによって形成した。結合剤は、結合剤・水混合物の合計重量の約２．５重量％の量が含まれていた。結合剤・水混合物はその後、粉末と混合し、顆粒を形成した。結合剤・水混合物は、顆粒の合計重量の約１０から約１５重量％の量で粉末と混合させた。顆粒はその後、約５から約７重量％の水が残っているまで乾燥させた。乾燥粉末は、１インチの長さのバー内に押し込み、バーを約２２０°Ｆで約２４時間乾燥させた。ＡＳＴＭＥ２２８−８５に記載した処置の後に、バーの熱膨張は、プッシュ・ロッド膨張計（ｐｕｓｈｒｏｄｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ）であるＯｒｔｏｎＤｉａｔｏｍｅｔｅｒＭｏｄｅｌ１６００Ｄ（ＴｈｅＥｄｗａｒｄＯｒｔｏｎＪｒ．ＣｅｒａｍｉｃＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ−ＴｈｅｒｍａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＵｎｉｔ）を使用して、温度の関数として測定した。膨張計は、当業者に知られている方法により、ＮＩＳＴトレース可能プラチナ基準でキャリブレーションした。膨張を測定し、標本を室温から１４００℃まで加熱し、室温に再び冷却し、１４００℃に再加熱した。加熱および冷却速度は、３℃／分であった。ＣＴＥは、１００℃から１１００℃の範囲の温度の変化毎の長さの変化として第２の加熱サイクルから算出した。

図２は、（ａ）ＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）ＩＤ４０およびＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）ＬＤ３０の商用名でＣＡＲＢＯＣｅｒａｍｉｃｓから市販されている鋳造媒体の温度および算出ＣＴＥの関数としての直線変化の製造者公開割合、（ｂ）ケイ砂、ジルコン砂、およびかんらん石砂の温度および算出ＣＴＥの関数としての直線変化の割合、および（ｃ）１００〜１１００℃でそれぞれ報告された、混合物番号３、４および５で形成したペレットの温度および算出かんらん石砂の温度および算出ＣＴＥの関数としての直線変化の割合の比較を示している。混合物番号３、４および５、ケイ砂、ジルコン砂、およびかんらん石砂で形成したペレットのＣＴＥおよび割合直線変化は、上に記載したように膨張計によって決定した。

図２に示すように、１００〜１１００℃で、混合物番号３、４および５で形成したペレットのＣＴＥは、ケイ砂、ジルコン砂、およびかんらん石砂で測定したもの、およびＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）ＩＤ４０鋳造媒体およびＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）ＬＤ３０鋳造媒体の製造者公開ＣＴＥより低い。より詳細には、混合物番号４は、それぞれケイ砂、ジルコン砂、かんらん石砂、ＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）ＩＤ４０鋳造媒体およびＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）ＬＤ３０鋳造媒体より低い、７９％、３３％、７２％、５５％、および４９％である、１００〜１１００℃のＣＴＥを有する。表２Ｃで報告されているように、１００〜１１００℃で、混合物番号１、２および６〜８で形成されたペレットのＣＴＥはまた、ケイ砂、かんらん石砂、ジルコン砂、およびＡＣＣＵＣＡＳＴ（登録商標）鋳造媒体のものより低い。混合物番号１〜８で形成したペレットの報告された粉砕および低密度はそれぞれ個別に、鋳造媒体を形成するための混合物の適合性を示している。低い粉砕値は、低い熱膨張と共に、材料を「再利用」する（すなわち、単一の鋳造に使用し、ゴミ廃棄場で処分する代わりに、多数の鋳造に使用する）ことが可能になる。約２．５（ＡＳＧ）の低い密度により、約４．６（ＡＳＧ）の密度を有するジルコン砂で作られた鋳型と比べて、より軽量の鋳型、および少ない樹脂の使用が可能になる。

ペレット
３つの混合物を、表１に記載したような原料で調製し、表３Ａに重量％で報告した。ボーキサイトおよびカオリンは、有機材料および水和物水を実質的に取り除くのに十分な回数および温度で、他の原料との混合前に焼成した。他の原料は焼成しなかった。

図３Ａに示すように、カオリンＭを３つの混合物全てに使用し、タルクＡは混合物番号９および１０に使用した。表３Ａで報告したタイプおよび量（重量％で）の原料を、実施例１に記載したＥｉｒｉｃｈ混合機に供給した。原料は、Ｅｉｒｉｃｈ混合機の混合動作によって互いに混合した。原料がほぼ均質な群に混合されると、群を混合機から取り除き、約１０重量％を、ペレットを混合機内に形成するようにトリム・ダストを提供するように取っておいた。群の残りを混合機に戻し、その後、水を実施例１に記載した方法でほぼ丸く球状の成形ペレットを形成するように加えた。トリム・ダストは、焼結中に起こる収縮（約１から２Ｕ．Ｓ．Ｍｅｓｈサイズ）を補償するために、成形ペレットが目視観察に基づきほぼ十分大きいサイズに到達した後に加えた。

Ｅｉｒｉｃｈ混合機から排出される成形ペレットを実施例１に記載したように乾燥させ、その後、表３Ｂに記載した条件で動作する箱窯内で焼結させた。

成形ペレットは、所望のサイズのペレットだけが窯の中に供給されるように焼結する前にふるいにかけることができる。加えて、焼結したペレットは窯から取り除く際にふるいにかけることができる。サイズによるふるいおよび同様の分離の方法および機器が、当業者に知られている。

各混合物から調製した焼結ペレットの様々な性状を評価した。結果が、表３Ｃで報告されている。表３Ｃから、約１３から約１４重量％のマグネシア、約４０から約４５重量％のアルミナ、および約３６から約４３重量％のシリカを含む組成を使用して、約２５から約４２重量％のコージライト、約１９から約２１重量％のムライト、および約７から約１１重量％のサファーリンを有する鋳造媒体としての使用に適した材料を生成することができることが分かる。

表３Ｃで報告したターゲット・サイズは、焼結による収縮後に、ほぼこの実施例２に対する所望のペレット・サイズである。表３Ｃで報告した性状は、実施例１に記載されたような方法で決定した。３つの混合物のうち、混合物番号１１は最小量のコージライト、および最大量のガラスを含んでいた。少量のコージライトは、少なくとも部分的に、混合物番号１１のマグネシア、アルミナおよびシリカ源内の不純物からの少量の他の酸化物の存在、および混合物番号１１に使用される原料へのより高い焼結温度の影響による可能性が高い。しかし、それにも関わらず、混合物番号１１に使用される原料は、本明細書に記載するような低いＣＴＥを有する鋳造媒体を生成するのに十分な量のコージライトを形成するように正味化学物質を生成した。

各混合物から形成されるペレットのＣＴＥは、図２で報告されたケイ砂、かんらん石砂、およびジルコン砂に対するＣＴＥより低い。したがって、この実施例２の混合物は鋳造媒体としての使用によく適している。さらに、このような鋳造媒体の低い密度、約２．５（ＡＳＧ）により、約４．６（ＡＳＧ）の密度を有するジルコン砂で作られた鋳型と比べて、より軽量の鋳型、およびより少ない樹脂しか必要としない鋳型が可能になる。

バー
５つの混合物を、表１に記載したような原料で調製し、表４Ａに重量％で報告した。ボーキサイトおよびカオリンは、有機材料および水和物水を実質的に取り除くのに十分な回数および温度で、他の原料との混合前に焼成した。他の原料は焼成しなかった。

図４Ａに示すように、カオリンＭを５つの混合物全てに使用し、タルクＣは混合物番号１２および１３に使用した。表４Ａで報告したタイプおよび量（重量％で）の原料を、当業者によく知られている従来の単軸プレス装置を使用して、１２．５Ｋｐｓｉで原料の混合物を押圧することによって３”ｘ３／８”ｘ〜３／８”のバーに加工した。

バーはその後、表４Ｂに記載した条件で動作する箱窯内で焼結させた。

各混合物から調製した焼結バーのＣＴＥを評価し、その結果が表４Ｃで報告されている。表４Ｃで報告された性状（ＡＳＧ以外）は、実施例１に記載したような方法で決定した。ＡＳＧは、ＤｅｎｓｉｔｙＫｉｔを備えたＦｉｓｈｅｒＡＣＣＵ−２２４０．１ｍｇＢａｌａｎｃｅに対する製造者の処置の後に、アルキメデスの方法によって測定した。表４Ｃから、約１０から約１４重量％のマグネシア、約３９から約４４重量％のアルミナ、および約３８から約４７重量％のシリカを含む組成を使用して、約８０から約９０重量％のコージライト、約３から約１０重量％のムライト、および約０から約１６重量％のサファーリンを有する鋳造媒体としての使用に適した材料を生成することができることが分かる。

この実施例３のバー内で形成されるより多量のコージライトは、実施例１および２のペレットのもの（バーに対して４８０℃／時間およびペレットに対して９６０℃／時間）と比べて、バーの焼結状態のより遅い傾斜速度に部分的によるものであることができる。しかし、より遅い傾斜速度は、仕上げた焼結ペレットを生成するのにかかる時間を増加させる。したがって、傾斜速度は、所望の時間において所望の性状を有する焼結ペレットを生成する量に調節することができる。

各混合物から形成したバーのＣＴＥは、図２で報告されたケイ砂、かんらん石砂、およびジルコン砂に対するＣＴＥより低い。したがって、この実施例３の混合物は低い膨張性を有する鋳造媒体へのさらなる加工に適している。例えば、この実施例３の混合物は上記実施例１および２、または以下の代替実施形態のいずれかに記載された方法のいずれかによりペレット化することができる。

ペレットでできた金属鋳物
混合物１７と呼ばれる１つの混合物を、表５Ａに記載したような原料で調製し、表５Ｂに重量％で報告した。カオリンは、有機材料および水和物水を実質的に取り除くのに十分な回数および温度で、他の原料との混合前に焼成した。他の原料は焼成しなかった。

カオリンＣ２を、表１に示す「カオリンＣ」と同じ源から得たが、異なる量の材料から取った。同様に、タルクＢ２は表１に示す「タルクＢ」と同じ源から得たが、異なる量の材料から取った。表５Ａに示すマグネシアは、表１に示す材料と同じ源および量によるものである。表５Ｂに示すように、カオリンＣ２およびタルクＢ２を、混合物１７に対して使用した。表５Ｂで報告したタイプおよび量（重量％で）の原料を、１０立方フィートの二重リボン結合剤（ｄｏｕｂｌｅｒｉｂｂｏｎｂｌｅｎｄｅｒ）に供給した。リボン結合剤の混合動作によって原料を共に混合した後に、ＪｅｔＭｉｌｌ（ＮｅｔｚｓｃｈＣＯＮＤＵＸ（登録商標）ＦｌｕｉｄｉｚｅｄＢｅｄＪｅｔＭｉｌｌモデルＣＧＳ１６）に供給した。研磨した群は、４ミクロン未満の平均粒径であり、９９．９％が１４ミクロン未満のサイズであった。群の大部分をＥｉｒｉｃｈ混合機内に置き、その後、水を加えて、実施例１に記載したような方法でほぼ丸く球状の成形ペレットを形成した。トリム・ダストは、焼結中に起こる収縮（約１から２Ｕ．Ｓ．Ｍｅｓｈサイズ）を補償するために、成形ペレットが目視観察に基づきほぼ十分大きいサイズに到達した後に、実施例１の過程と同様に加えた。

Ｅｅｒｉｃｈ混合機から排出される成形ペレットは、実施例１に記載したように乾燥させ、アルミナ・ボート内に配置し、表５Ｃに記載した条件で作動するＬｉｎｄｂｕｒｇｈＢｌｕｅｂｏｘｋｉｌｎＭ１７００℃ ＢｏｘＦｕｒｎａｃｅ（ＭｏｄｅｌＢＦ５１６６４ＰＣ）内で焼結した。

成形ペレットは、所望のサイズのペレットのみが窯に供給されるように焼結する前にふるいにかけることができる。加えて、焼結ペレットは窯からの排出の際にふるいにかけることができる。サイズによるふるいおよび同様の分離の方法および機器が、当業者に知られている。

表５Ｂに示した混合物から調製した焼結ペレットの様々な性状を評価した。結果が、表５Ｄに報告されている。

表５Ｄで報告したターゲット・サイズは、焼結による収縮後に、ほぼこの実施例４に対する所望のペレット・サイズである。表５Ｄで報告された性状を、実施例１に記載した方法で決定した。

表５Ｂに示す混合物から形成したペレットのＣＴＥは、図２で報告したケイ砂、かんらん石砂、およびジルコン砂に対するＣＴＥより低い。したがって、この実施例４の混合物１７は、以下に記載するように実際の段差円錐鋳造物によって示された鋳造媒体としての使用に十分適している。

段差円錐は、鋳造物の芯として焼結ペレットを使用して鋳造した。段差円錐は、鋳造物中の欠陥を評価する検査として有用であることが当業者に知られている。使用される段差円錐鋳造物は、約７インチ（１７．８ｃｍ）の高さおよび５インチ（１２．７ｃｍ）の直径の円筒形状を有していた。芯は、ほぼ１インチの高さであり、０．５インチ（１．３ｃｍ）の増分で４インチ（１０．２ｃｍ）から１．５インチ（３．８ｃｍ）までの範囲の減少する内径を有する６つの内側「リング」を形成した。

段差円錐芯は、焼結ペレットの２．５重量％のレベルでフェノール性ウレタン冷間箱結合剤（Ｈ．Ａ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ´ｓＳｉｇｍａＣｕｒｅ３０５／７０５）を使用して焼結ペレットから生成した。焼結ペレットの量を量り、ＫｉｔｃｈｅｎＡｉｄＴｉｌｔＨｅａｄＳｔａｎｄＭｉｘｅｒの５クオート（４．７リットル）ステンレス鋼混合ボウル内に配置した。所要量の結合剤を測り、混合ボウル内でペレットに加えた。結合剤は、ペレット内で生成されたポケットに加え、結合剤が混合パドル付着しないことを保証するように、混合前に覆った。内容物は、合計２分間混合させ、内容物全ての適切な混合を保証し、混合ボウルの底部上にあらゆる乾燥した混合していない添加物が残るのを防ぐように、ボウルのひっくり返し動作によって２度ひっくり返された。内容物はその後、段差円錐芯箱に伝達され、そこで当業者によく知られている激突処置（ｒａｍｍｉｎｇｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）によって圧縮成形した。段差円錐芯箱はその後、ＧａｙｌｏａｄＧａｓＧｅｎｅｒａｔｏｒのガス処理チャンバ内に配置し、２０ｐｓｉ（１３９ｋＰａ）の圧力でトリエチルアミン（ＴＥＡ）を使用して４秒間ガス処理し、その後４０ｐｓｉ（２７６ｋＰａ）の圧力で乾燥空気を使用して４５秒間パージした。段差円錐芯のいくつかは、グラファイトまたはジルコン洗剤のいずれか内で浸漬被覆した。段差円錐は、アルミニウムおよびねずみ鋳鉄（ｇｒｅｙｉｒｏｎ）内で鋳造した。アルミニウム鋳造物は、６４９℃（１２００°Ｆ）の温度でＡ３５６アルミニウム内で鋳造した。鉄鋳造物は、１４２７℃（２６００°Ｆ）の温度で３．２０％カーボンおよび２．２０％シリコンの名目組成でクラス３０ねずみ鋳鉄内で鋳造した。鋳造物は、ワイヤ・ブラシの使用により取り除かれた区分および付着砂である。図３および４は、それぞれ表５Ｂに示し表５Ｄに示す性状を有する混合物およびジルコン砂でできている焼結ペレットで作られた芯から生成されたアルミニウム段差円錐の断面を示しており、ジルコン砂と比較したこのようなペレットからの鋳造物の改良を示している。図５および６は、それぞれ表５Ｂに示し、表５Ｄに示す性状を有する混合物、およびケイ砂でできている焼結ペレットで作られた芯から生成されたねずみ鋳鉄段差円錐の断面を示しており、ケイ砂と比較したこのようなペレットからの鋳造物の改良を示している。

代替実施形態
本明細書に例示した方法を使用して、このような原料から形成したペレットが焼結された場合に、焼結ペレットが約７重量％ほどの低さのコージライト・レベルで、ジルコン砂（４．８（１０^−６インチ／インチ／℃）として本明細書で報告した）のものより小さい、約１００から約１１００℃までのＣＴＥを有するような正味化学物質を提供する原料の混合物を予測することが可能である。このような一実施形態によれば、約１００から約１１００℃までの約４．７（１０^−６インチ／インチ／℃）のＣＴＥを得ることが定数として設定される。

コージライト・ムライト・サファーリン実施形態
このようないくつかの実施形態では、原料の正味化学物質が、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のコージライト・ムライト・サファーリン領域内に入ることを目標としている。ある量のガラス、ムライト、サファーリンおよびコージライトが形成されることを予測することができる。約１００から約１１００℃までの約４．７（１０^−６インチ／インチ／℃）のＣＴＥにつながることを期待されたガラス、ムライト、サファーリンおよびコージライトの量は、表６Ａで報告されたデータ、および以下の計算を使用して決定した。

ムライトおよびサファーリンの膨張は同じ基準範囲にあり（ムライトが少し低い）、それによって焼結ペレット内で形成されるムライトおよびサファーリンの相対量は、ＣＴＥの計算において明らかな変化なく変わることができる。したがって、計算を単純化する目的で、同量のムライトおよびサファーリン（例えば、表６Ａの組成Ａに対して報告されたように４１．５重量％）が焼結ペレット内に形成されると仮定した。また、少なくとも一部の量のガラスが、本明細書の実施例２〜４の混合物のほとんどと同様に、焼結の際に形成されると仮定した。本明細書に示される結果をガイドとして使用して、ガラスは約１０、２０、２５または３０重量％（表６Ａ）の量で形成されると仮定した。最後に、形成されると予測されるコージライトの量は、それぞれのＣＴＥによるガラス、ムライトおよびサファーリンの重量％の乗算因数（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒ）を使用し、そのＣＴＥによって乗算したコージライトのどれだけの重量％が１００から１１００℃までで約４．７（１０^−６インチ／インチ／℃）の所望の定数につながるかを求めることによって算出した。

これらの計算では、ガラス、ムライト、サファーリン、クリストバライトおよびコージライトに対する１００から１１００℃までのＣＴＥ値は、（ａ）ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＣｅｒａｍｉｃｓ、第２版、ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、Ｗ．Ｄ．Ｋｉｎｇｅｒｙ、Ｈ．Ｋ．Ｂｏｗｅｎ、およびＤ．Ｒ．Ｕｈｌｍａｎｎ編集（１９７６年）、および（ｂ）ＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓＨａｎｄｂｏｏｋ、第４巻：ＣｅｒａｍｉｃｓａｎｄＧｌａｓｓ、ＡＳＭＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ、Ｓ．Ｊ．Ｓｃｈｅｉｄｅｒ編集（１９９１年）から取った公表値を集めて平均することによって推測した。推測は、以下のＣＴＥ値（１００〜１１００°、１０^−６インチ／インチ／℃）、ガラス７．５、ムライト４．５、サファーリン４．８、クリストバライト１５．２、コージライト２．０の結果となった。

表６Ａで報告したように、１００から１１００℃で約４．７（１０^−６インチ／インチ／℃）のＣＴＥにつながる可能性があるコージライトの量は、７重量％程度の低さである。したがって、表６Ａに報告したように、所望のＣＴＥは約５から約３０重量％のコージライトを含む組成によって達成することができる。

また、本明細書に記載した方法をガイドとして使用して、表６Ａで報告された相につながる原料の混合物を予測することができる。

表１で報告された化学分析を有するカオリン・タイプＣ、マグネシアおよびボーキサイトは、本実施形態の原料として選択したが、本明細書に記載される原料のいずれも適切である。表６Ａで報告した相を有する組成を作り出すように組成物内に存在する必要がある原料それぞれの量を予測するために、表６Ａに記載された組成それぞれの正味マグネシア、アルミナおよびシリカ含有量は、それぞれの化学式で存在するガラス、ムライト、サファーリン、およびコージライトそれぞれの量を乗算することによって算出した。ガラスでは、化学式は、約２１．８％マグネシア、約３３．１％アルミナおよび約４５．１％シリカであるように予測され、この予測は実施例１および２のペレット内に形成されたガラスに見られるマグネシア、アルミナおよびシリカの平均値に基づいたものであった。

上に記載した計算を使用して、表６Ａで報告された４つの組成の正味マグネシア、アルミナおよびシリカ含有量は、約１１から約１５重量％マグネシア、約４７から約６３重量％アルミナ、および約２６から約３８重量％シリカであると決定された。そのように計算した表６Ａに記載の４つの組成のマグネシア、アルミナおよびシリカ含有量、および表１で報告したような知られているカオリン・タイプＣ、ＭｇＯ、およびボーキサイトそれぞれのマグネシア、アルミナおよびシリカ含有量で、計算した正味マグネシア、アルミナおよびシリカ含有量につながるカオリン・タイプＣ、ＭｇＯ、およびボーキサイトそれぞれの重量％を算出した。これらの最終の計算の結果は、表６Ｂで報告されている。

コージライト・ムライト・クリストバライト実施形態
このような他の実施形態では、原料の正味化学物質が、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のコージライト・ムライト・クリストバライト領域内に入ることを目標としている。コージライト・ムライト・クリストバライト実施形態に関して上で論じたように、ある量のガラス、ムライト、クリストバライトおよびコージライトが形成されることを予測することができる。約１００から約１１００℃までの約４．７（１０^−６インチ／インチ／℃）のＣＴＥにつながることを期待されたガラス、ムライト、クリストバライトおよびコージライトの量は、表６Ｃで報告されたデータ、および以下の計算を使用して決定した。

上に論じたように、約１００から約１１００℃までの約４．７（１０^−６インチ／インチ／℃）のＣＴＥを得ることが定数として設定され、ガラスが約１０から約３０重量％の量で形成されると仮定した。

表６Ｃで報告されるように、組成Ｅ〜Ｈでは、ムライトおよびクリストバライトが同量で形成されると仮定した。ガラス、ムライトおよびクリストバライトの重量％およびＣＴＥ、および上に記載したような計算でのコージライトのＣＴＥを使用して、所望のＣＴＥ定数につながるコージライトの重量％に対して等式を解いた。コージライトの算出量は表６Ｃに報告されている。

しかし、ムライトおよびサファーリンと異なって、ムライトおよびクリストバライトは、異なるＣＴＥを有する（クリストバライト膨張がはるかに高い）。したがって、表６Ｃで報告される組成Ｉ〜Ｋによれば、クリストバライトの量は１０重量％であると想定され、ムライトの量はそれぞれ３５、１３および２重量％で推定した。ガラス、ムライトおよびクリストバライトの重量％およびＣＴＥ、および上に記載したような計算でのコージライトのＣＴＥを使用して、所望のＣＴＥ定数につながるコージライトの重量％に対して等式を解いた。コージライトの算出量は表６Ｃに報告されている。表６Ｃで報告したように、所望のＣＴＥは約４５から約６５重量％のコージライトを含む組成によって達成することができる。

また、本明細書に記載した方法をガイドとして使用して、表６Ｃで報告された相につながる原料の混合物を予測することができる。

表１で報告された化学分析を有するカオリン・タイプＣ、タルク・タイプＢ、マグネシアおよびボーキサイトは、混合物２２〜２８の原料として選択したが、本明細書に記載される原料のいずれも適切である。表６Ｃで報告した相を有する組成を作り出すように混合物内に存在する必要がある原料それぞれの量を予測するために、表６Ｃに記載された７つの組成それぞれの正味マグネシア、アルミナおよびシリカ含有量は、それぞれの化学式で存在するガラス、ムライト、サファーリン、およびコージライトそれぞれの量を乗算することによって算出した。ガラスでは、化学式は、約２１．８％マグネシア、約３３．１％アルミナおよび約４５．１％シリカであるように予測され、この予測は実施例１および２のペレット内に形成されたガラスに見られるマグネシア、アルミナおよびシリカの平均値に基づいたものであった。

上に記載した計算を使用して、表６Ｃで報告された７つの組成の正味マグネシア、アルミナおよびシリカ含有量は、約１０から約１７重量％マグネシア、約３８から約５１重量％アルミナ、および約３９から約４６重量％シリカであると決定された。そのように計算した表６Ｃに記載の７つの組成のマグネシア、アルミナおよびシリカ含有量、および表１で報告したような知られているカオリン・タイプＣ、タルク・タイプＢ、マグネシア、およびボーキサイトそれぞれのマグネシア、アルミナおよびシリカ含有量で、計算した正味マグネシア、アルミナおよびシリカ含有量につながるカオリン・タイプＣ、タルク・タイプＢ、マグネシアおよびボーキサイトそれぞれの重量％を算出した。これらの最終の計算の結果は、表６Ｄで報告されている。

１００から１１００℃までのジルコン砂より少ないＣＴＥは、コージライト・ムライト・サファーリン・システム内の低いコージライト・レベル（約１０重量％より少ない）で達成することができるが、より高いコージライト・レベル（約４０重量％より大きい）が同様のＣＴＥを得るために、コージライト・ムライト・クリストバライト・システム内で好ましいことをデータは上記で示している。

実施例１〜４で上に示し、表２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ、５Ｄおよび６Ｃで報告したデータは、所望のＣＴＥが約５から約９０重量％のコージライトを含む組成によって達成することができることを示している。

代替実施形態
他の実施形態によれば、実施例１、２および４に記載された混合方法以外の方法を使用して、実施例１〜４に記載した原料の混合物のいずれか、または本明細書に記載したような正味化学物質を提供する原料の他の混合物からほぼ丸い球状のペレットを形成することができる。例えば、ほぼ丸い球状のペレットは、流体床を必要とする過程により原料のスラリーから形成することができる。

次に図７を参照すると、スラリーからほぼ丸い球状のペレットを調製するために流体床を使用する連続過程を実施する例示的なシステムが図示されている。図７に示す例示的なシステムは、米国特許第４，４４０，８８６号に記載されたものと構成および動作が同様であり、その開示全体を本明細書に参照として援用する。

図７に示したシステムでは、実施例１〜４に記載した混合物のいずれか、または本明細書に記載したような正味化学物質を提供する他の混合物で記載されたようなタイプおよび量の焼成、未焼成、および一部焼成原料を、混合容器（ｂｌｕｎｇｅｒ）１１０に加えることができる。材料は、混合容器に加える前に同時圧延することができる、またはその中で共に混合させることができる。水を混合容器に加えて、原料のスラリーを形成する。このような材料のスラリーを作る混合容器および同様の装置と、そのための市販の源は、当業者に知られている。加えて、本明細書に記載されたような原料を崩壊および混合するのに適した粉砕装置、圧延装置、または他の装置は、混合容器１１０の前または後ろに置くことができる。

混合容器１１０に加えられた水の量は、約４０から約６０重量％の範囲の固体含有量を有するスラリーにつながる量であるべきである。混合容器に加えられる水は、純水または脱イオン水であってもよい。スラリーを調製する連続過程では、スラリーの固体含有量を周期的に分析することができ、スラリーに供給される水の量を調節して所望の固体含有量を維持することができる。スラリーの固体含有量を分析し、水の供給を調節する方法は、当業者の能力内である。

ある実施形態では、分散剤（ｄｉｓｐｅｒｓａｎｔ）および／またはｐＨ調整試薬を混合容器内のスラリーに加えて、スラリーのターゲット粘度を達成することができる。本明細書に記載するような原料のスラリーで使用するための分散剤およびｐＨ調整試薬は市販されており、適切な分散剤またはｐＨ調整試薬の選択は所定の実験により当業者が行うことができる。ターゲット粘度は、詰まることなく、次の流動化装置（ｆｌｕｉｄｚｅｒ）内の圧力ノズルの所与のタイプおよび／またはサイズにより処理することができる粘度である。普通、スラリーの粘度が低ければ低いほど、所与の流動化装置により良く処理することができる。しかし、分散剤のある濃度では、分散剤はスラリーの粘度を所与の流動化装置により十分処理することができない点まで大きくする可能性がある。当業者は、所定の実験により所与の流動化装置タイプに対する分散剤の適当な量およびターゲット粘度を決定することができる。

ｐＨ調整試薬が使用される場合、スラリーに加えられるｐＨ調整試薬の量は、しばしば約８から約１１の範囲のｐＨである最も低い粘度をスラリーに与える量であるべきである。スラリーのｐＨはｐＨ計によって周期的に分析することができ、スラリーに供給されるｐＨ調整試薬の量を調整して、所望のｐＨを維持することができる。スラリーのｐＨを分析し、ｐＨ調整試薬の供給を調整する方法は、当業者の能力内である。

任意選択で、消泡剤（ｄｅｆｏａｍｅｒ）を混合容器内のスラリーに加えることができる。消泡剤が使用される場合、スラリーの泡立ちにより生じる機器の問題を少なくする、または防ぐあらゆる量でスラリーに加えることができる。当業者は、所定の実験により本明細書に記載される過程で使用する適切な消泡剤および消泡剤の量を特定および選択することができる。

混合容器１１０は、スラリーが形成されるまで、原料、水、およびあらゆるｐＨ調整試薬、分散剤または消泡剤を混合させる。スラリーを形成するのにかかる時間は、明らかに混合容器のサイズ、混合容器が作動する速度、および混合容器内の材料の量などの要因による。

混合容器１１０から、スラリーがタンク１１５に供給され、スラリーは連続して撹拌され、結合剤が原料の合計乾燥重量に基づき、約０．２５から約５．０重量％の量で加えられる。適切な結合剤としてはこれに限らないが、ポリ酢酸ビニル（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌａｃｅｔａｔｅ））、ポリビニル・アルコール（ＰＶＡ）、メチルセルロース（ｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、デキストリン（ｄｅｘｔｒｉｎ）、および糖蜜（ｍｏｌａｓｓｅｓ）が挙げられる。ある実施形態では、結合剤は約２０，０００から１００，０００Ｍｎの範囲の分子量を有するＰＶＡ結合剤である。「Ｍｎ」は、連鎖分子の分子量を決定する数長さ平均を示すように当業者に知られているユニットである。

タンク１１５は混合容器１１０によって作り出されるスラリーを維持し、混合容器より少ないかき混ぜでスラリーを撹拌する。これにより、スラリーが流動化装置の加圧ノズルを通してその後に供給することができないように、スラリーの過剰な泡立ちまたはスラリー内の粘度増加を引き起こすことなく、結合剤をスラリーと混合することが可能になる。タンク１１５はまた、１つまたは複数のタンクからなるタンク・システムであってもよく、例えば、タンクは２つ、３つまたはそれ以上のタンクからなっていてもよい。結合剤がスラリー全体を通して完全に混合されることを可能にするタンクのあらゆる構成、またはタンクの数が十分である。

別の実施形態では、スラリーはタンクに供給されるのではなく、結合剤は混合容器内のスラリーに加えることができる。このような代替形態が使用される場合、混合容器は原料をスラリーの形に崩壊させるために高強度混合を達成する高速、および上記過剰の泡立ちまたは粘度増加を生じることなく結合剤をスラリーと混合させる低速を含む可変速度を有するべきである。

図７に示すタンク１１５を再び参照すると、結合剤がスラリー全体を通して完全に混合されることを可能にするのに十分な時間では、結合剤の添加後にスラリーがタンク内で撹拌される。ある実施形態では、スラリーがタンク内で撹拌される時間は、結合剤が加えられた後、最大約３０分以上である。

タンク１１５から、スラリーは熱交換器１２０に供給され、スラリーを約２５から約９０℃の範囲の温度に加熱する。熱交換器１２０から、スラリーはポンプ・システム１２５に供給され、スラリーを圧力を加えて流動化装置１３０に供給する。

（１つまたは複数の）研磨ミルおよび／または（１つまたは複数の）ふるいシステム（図示せず）は、流動化装置への供給に適したターゲット・サイズまであらゆるより大きいサイズの原料を取り除くのを助けるように、流動化装置１３０にスラリーを供給する前に、図７に示したシステム内の１つまたは複数の位置で挿入することができる。ある実施形態では、ターゲット・サイズは２３０メッシュ未満である。他の実施形態では、ターゲット・サイズは３２５メッシュ未満、２７０メッシュ未満、２００メッシュ未満、または１７０メッシュ未満である。ターゲット・サイズは、詰まることなくスラリーを噴霧するように次の流動化装置内の圧力ノズルのタイプおよび／またはサイズの能力によって影響を受ける。

研磨システムが利用される場合、流動化装置の１つまたは複数の圧力ノズルを通したその後の供給に適したターゲット・サイズまで原料を崩壊させるのを助けるのに適した研磨媒体が装填される。ふるいシステムが利用される場合、ふるいシステムはターゲット・サイズより大きな粒子をスラリーから取り除くように設計されている。研磨およびふるいシステムは市販されており、当業者に知られている。

図７を再び参照すると、流動化装置１３０は、例えば米国特許第３，５３３，８２９号および英国特許第１，４０１，３０３号に記載されたように従来の設計である。流動化装置１３０は、従来の設計の圧力ノズルである、少なくとも１つの噴霧ノズル１３２を備えている（３つのノズル１３２が図７に示されている）。他の実施形態では、１つまたは複数の２流体ノズルが適切である。例えば、Ｋ．Ｍａｓｔｅｒｓ：“ＳｐｒａｙＤｒｙｉｎｇＨａｎｄｂｏｏｋ”、ＪｏｈｎＷｉｌｅｙａｎｄＳｏｎｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ（１９７９年）などの、このようなノズルの設計がよく知られている。

流動化装置１３０はさらに、穿孔された、直線の、または方向板である可能性があるプレート１３６によって支持された粒子床１３４を備えている。熱い空気がプレート１３６を通して流れる。粒子床１３４は、ターゲット・サイズのほぼ丸い球状ペレットを成長させることができる種子を含んでいる。穿孔したまたは直線のプレートが使用される場合、種子はまた流動化装置内の栓流を得るように働く。栓流は、当業者に知られている用語であり、普通は逆混合がほとんど起こらない流れパターンとして説明することができる。種子は、本方法により作られたペレットに対するターゲット・サイズより小さい粒子である。ある実施形態では、種子はそこから形成されるペレットの合計量の約２０％未満、約１５％未満、約１０％未満、または約５％未満を含んでいる。スラリーは、圧力を加えて１つまたは複数の噴霧ノズル１３２を通して噴霧され、スラリーはほぼ丸い球状のペレットを形成するように種子を噴霧コーティングする。

外部種子は、流動化装置によるスラリーの噴霧が始まる前に、穿孔したプレート１３６上に置くことができる。外部種子が使用される場合、種子は図７に示すのと同様のスラリー過程で調製することができ、ここで種子はターゲット種子サイズで流動化装置から単に取り出される。外部種子はまた、米国特許第４，８７９，１８１号および本明細書の実施例１、２および４に記載したものなどの高強度混合過程で調製することができる。

別の方法では、粒子床用の種子はスラリーの噴霧によって形成され、それによってスラリーが独自の種子で「自己発芽」する方法が提供される。このような一実施形態によれば、スラリーは種子粒子床１３４のある状態で流動化装置１３０を通して供給される。１つまたは複数のノズル１３２から出るスラリー液滴は凝固するが、最初は、空気によって流動化装置１３０から運ばれ、例えば、電気集塵装置、サイクロン、バッグ・フィルタ、または湿式洗浄装置、またはその組合せであってもよい集塵装置１４５によって「ダスト」（細かい粒子）として捕捉されるように十分小さい。集塵装置からのダストはその後、ダスト入口１６２を通して粒子床１３４に供給され、ここで１つまたは複数のノズル１３２から出るスラリーで噴霧される。ダストは、大きすぎて空気によって運べず、種子として働く点に成長されるまで、十分な回数再循環することができる。ダストはまた、過程において別の動作、例えばタンク１１５まで再循環することができる。

図７を再び参照すると、熱い空気が、１３８で概略的に示したファンおよび空気加熱器により流動化装置１３０に案内される。粒子床１３４を通過する熱い空気の速度は、約０．９から約１．５メートル／秒の範囲であってもよく、粒子床１３４の深さは約２から約６０センチメートルの範囲であってもよい。流動化装置１３０に案内された場合の熱い空気の温度は、約２５０から約６５０℃の範囲であってもよい。流動化装置１３０から出るときの熱い空気の温度は、約２５０℃未満であり、好ましくは約１００℃未満である。

１つまたは複数の噴霧ノズル１３２からプレート１３６までの距離は調節可能であり、１つまたは複数のノズルは粒子床１３４の表面の上でかなり短い距離で位置決めされることが好ましい。ノズルの好ましい位置は、ノズルから粒子床の表面までの距離が大きすぎる場合に、噴霧した供給液滴が粒子床に到達する前に高すぎる範囲まで乾燥されるので望ましくないダストが形成されるという検討事項を考慮して、各個別の場合で変わる。一方、ノズルから粒子床の表面までの距離が小さすぎる場合、望ましくない不規則な粗いペレットが形成される。したがって、ノズルの位置が調節されて、流動化装置からサンプリングした粉末の分析に基づくダストおよび不規則な粗いペレットの形成を防ぐ。このような調節は、当業者の範囲内である。

流動化装置によって形成されたペレットは粒子床１３４内に堆積し、粒子床内の生成物のレベルに応じて出口１４０を通して引き出されて、粒子床内の所与の深さを維持する。回転バルブ１５０は、流動化装置１３０から引き出されたペレットをエレベータ１５５に案内し、ペレットをふるいシステム１６０に供給し、ここでペレットは１つまたは複数の部分、例えば、過寸法部分、製品部分、および寸法未満部分に分けられる。

過寸法部分は、所望の製品サイズより大きいこれらのペレットを含んでいる。過寸法ペレットはタンク１１５まで再循環させることができ、ここでペレットの少なくとも一部を崩壊させ、タンク内のスラリーと混合させることができる、または崩壊させ、流動化装置１３０内の粒子床１３４に再循環させることができる。寸法未満部分は、所望の製品サイズより小さいこれらのペレットを含んでいる。寸法未満部分は流動化装置１３０まで再循環させることができ、ここで入口１６２を通して種子または二次供給として流動化装置に供給することができる。

ふるいシステム１６０から出る製品部分は、所望の製品サイズを有するこれらのペレットを含んでいる。これらの粒子は、予備焼結装置１６５、例えば焼成装置に送られ、ここで粒子は焼結の前に乾燥または焼成される。ある実施形態では、粒子は、約１８重量％未満、または約１５重量％未満、約１２重量％未満、約１０重量％未満、約５重量％未満、または約１重量％未満の含水量まで乾燥される。

乾燥および／または焼成後、ペレットは焼結装置１７０に供給することができ、この中で、ペレットは実施例１、２および４に記載したような条件で、または溶融することなくペレットを焼結するのに適した他の条件で焼結することができる。代替形態では、予備焼結装置１６５は、焼結装置１７０が、十分な焼結条件の後に、十分な焼成および／または乾燥条件（すなわち、焼結前にターゲット含水量までペレットを乾燥させる乾燥回数および温度）を提供することができる場合に取り除くことができる。

前述の方法によって生成されるペレットは、実施例１、２および４に記載された混合方法によって生成されるものとほぼ同様の性状を有する。より詳細には、この代替実施形態に記載された方法によって生成されるペレットは、低い熱膨張係数を有する。

代替実施形態
別の実施形態によると、噴霧乾燥方法を使用して、実施例１〜４に記載した混合物のいずれか、または本明細書に記載したような正味化学物質を提供する他の混合物からほぼ丸い球状のペレットを形成することができる。噴霧乾燥方法は、当業者に知られており、普通は熱い空気と接触した個別のペレットまで乾燥される、液滴のスプレー内の流体原材料の噴霧を必要とする。

この実施形態によって示す方法によれば、水、および実施例１〜４に記載した混合物のいずれか、または本明細書に記載したような正味化学物質を提供する他の混合物を含むスラリーは、原料および水の配合、混合、撹拌または当業者に知られている同様の手段により調製することができる。混合物内の原料は、焼成、未焼成、一部焼成とすることができる、またはその混合とすることができる。

ある実施形態では、スラリーはさらに、ポリビニル・アルコール、ポリ酢酸ビニル、メチルセルロース、デキストリン、および糖蜜などの結合剤を含むことができる。結合剤は普通、成形粒子強度を大きくするのに使用される有機材料である。ある実施形態では、水は結合剤として働くことができる。さらに他の実施形態では、スラリーはさらにコロイド、高分子電解質、テトラ・ピロリン酸ナトリウム、テトラ・ピロリン酸カリウム、ピロリン酸塩、クエン酸アンモニウム、クエン酸第二鉄アンモニウム、およびヘキサメタリン酸ナトリウムなどの分散剤を含んでいる。分散剤は、スラリー粘度を小さくすることによってスラリーの合計固体含有量を良くするように含まれている。もしあればスラリー内で使用される分散剤の量は、スラリーを噴霧する能力と固体のほぼ丸い球状のペレットを作る能力の間で均衡される。

スラリー中の出発原料（個別に、または混合物として）、水、結合剤（もしあれば）、および分散剤（もしあれば）の相対量は、固体セラミック・プロパントに対する所望の性状によるが、それぞれ図８および９に概略的に示すように、噴霧過程２０２または３０２内でノズルまたは回転ホイールを通した汲み上げに適したスラリーを作るこれらの量に限られており、ほぼ丸く球状である固体セラミック粒子を形成するために焼結することができる成形粒子の製造が可能になる。ある実施形態では、スラリーは約５０から約７５重量％の範囲の固体含有量を有し、他の実施形態では、固体含有量は約５０から約６０重量％、または約６０から約７０重量％までである。

スラリーが結合剤を含んでいる実施形態では、結合剤の量は乾燥したセラミック出発材料の約０．５重量％未満、または乾燥したセラミック出発材料の約１．０重量％未満であってもよい。

スラリーが分散剤を含んでいる実施形態では、分散剤の量は乾燥したセラミック出発材料の約０．３重量％未満、乾燥したセラミック出発材料の約０．５重量％未満、または乾燥したセラミック出発材料の約１．０重量％未満であってもよい。

スラリーは、噴霧機器を有する噴霧乾燥装置に供給される。適切な噴霧機器としては、これに限らないが、回転ホイール噴霧装置、圧力ノズル噴霧装置、および二重流体ノズル噴霧装置が挙げられる。回転ホイール、圧力ノズルおよび二重流体ノズル噴霧装置は当業者に知られており、Ｎｉｒｏ，Ｉｎｃ．などの様々な供給元から市販されている噴霧乾燥機内にものを含んでいる。例えば、Ｋ．Ｍａｓｔｅｒｓ：“ＳｐｒａｙＤｒｙｉｎｇＨａｎｄｂｏｏｋ”、ＪｏｈｎＷｉｌｅｙａｎｄＳｏｎｓ，ＮｅｗＹｏｒｋ（１９７９年）などの、ノズル設計が、当業者に知られており、理解されている。

回転ホイール、圧力ノズル、または二重流体ノズル噴霧器を使用するかどうかは、所望の製造容量と共に最終乾燥固体セラミック粒子内で望ましい、サイズ、分布、および形状などの性状による。普通、回転ホイール噴霧装置は細かい粒子を生成し、圧力を加えて作動させた圧力ノズルおよび二重流体ノズルは、比較的より大きい粒子を生成することができる。

回転ホイール噴霧装置が使用される場合、スラリーは噴霧装置の回転ホイールの中心に供給され、遠心力によってホイールの周面に移動する。噴霧はホイール縁部で起こる。得られるスプレー内の液滴のサイズ、および液滴のサイズ分布は、スラリーに加えられるエネルギー量、および新しく形成される液滴とホイール近くの空気乱流の間の摩擦影響による。液滴のスプレーは、ホイールから水平に噴射されるが、規定の方法で熱い空気を乾燥チャンバ内に案内する空気分散装置によって作り出される空気流パターンにすぐに従う。回転ホイール噴霧装置でスプレー乾燥機内で生成されるペレットの粒子サイズは、噴霧装置ホイール速度の減少と共に大きくなる。供給速度の影響は、所与の噴霧装置ホイールの最適な作動範囲内では大きくなく、操作中の供給速度のばらつきは生成されるセラミック粉末のサイズ分布を変化させない。回転ホイール噴霧装置で使用されるチャンバ直径は普通、噴霧装置レベルでチャンバ壁面への半分濡れた堆積物の形成を防ぐのに十分な大きさであるべきである。これに対して、より小さい直径であるが、より大きい円筒形高さのチャンバを圧力ノズルおよび二重流体ノズル噴霧装置で使用することができる。

圧力ノズル噴霧装置が使用される場合、スラリーは圧力を加えてノズルに供給される。二重流体ノズルの場合、スラリーおよび圧縮空気が別のノズルに供給される。空気の供給が加圧され、スラリーの供給は加圧する、またはサイフォン／重力供給することができる。

圧力エネルギーは運動エネルギーに変換され、スラリーは液滴にすぐに分解する高速フィルムとしてノズル・オリフィスから流れる。圧力ノズル噴霧装置または加圧した二重流体ノズルから生成される液滴サイズは、圧力と逆に、また供給速度および供給粘度で直接変化する。圧力ノズルまたは加圧二重流体ノズルの容量は、圧力の二乗で変化する。高い供給速度および／または高容量噴霧乾燥が望ましいある実施形態では、マルチノズル・システムが使用される。

噴霧機器から出るスラリーの液滴は、乾燥チャンバに入る熱い乾燥空気と衝突する。どれだけの液滴および乾燥空気が最初に接触したか、およびどれだけの液滴／粒子が乾燥チャンバ全体を通して移動するかは普通、並流、逆流、またはその組合せとして記載することができる。図８に示すようなある実施形態では、並流および逆流の組合せを提供する乾燥チャンバが、圧力ノズル噴霧装置での使用で図示されている。

図８は、乾燥チャンバ２０４および圧力ノズル２０２を備えた噴霧乾燥装置の簡易図である。噴霧乾燥機は普通、追加の構成要素を含んでおり、このことは、噴霧乾燥機およびその構成要素は当業者に知られているので、本明細書に詳述する必要はない。図８では、本明細書に記載するような原料の混合物を含むスラリーは供給源２００から圧力ノズル２０２を通して供給される。１つの圧力ノズルだけが図８に示されているが、多数のノズルを使用することができる。スラリーを供給するのに適した様々なタイプの機器が当業者に知られており、例えば、フィルタを備えているまたは備えていない供給ポンプを含むことができる。圧力ノズル２０２は、スラリーを液滴に噴霧し、液滴を乾燥チャンバ２０４内に矢印Ａで示された上向きに噴霧する。熱い空気は、乾燥チャンバ２０４内に空気源２０６から入口２０８を通して供給され、乾燥チャンバ２０４に入り、ここでスラリー液滴に接触する。したがって、熱い空気は、スラリーは乾燥チャンバ内に噴霧される点より上の点から入り、チャンバ内でほぼ下向き方向に流れる。最初に、スラリー液滴は乾燥チャンバ内でほぼ上向き方向に流れ、それによって逆流が確立される。しかしある点では、液滴はその垂直軌跡を使い果たし、チャンバ内でほぼ下向き方向に流れ始め、それによって並流が確立される。図８に記載したような乾燥チャンバ内の液滴は、延長された垂直軌跡を有し、これにより、乾燥のためのより長い空中時間が可能になる。図８は、組合せ並流および逆流乾燥チャンバで使用する圧力ノズル噴霧装置を示しているが、このような乾燥チャンバはまた回転ホイール噴霧装置および二重流体ノズル噴霧装置で使用することができる。

図９に示すようなある実施形態は、並流乾燥チャンバが圧力ノズル噴霧装置で使用される。図９は、乾燥チャンバ３０４および圧力ノズル３０２を備えた噴霧乾燥装置の簡易図である。スラリーは、供給源３００から圧力ノズル３０２を通して供給される。圧力ノズル３０２はスラリーを液滴に噴霧し、液滴を乾燥チャンバ３０４内でほぼ下向きの方向（「Ａ」で示す）に噴霧する。熱い空気が乾燥チャンバ３０４内に空気源３０６から供給され、ほぼ下向き方向（「Ｂ」で示す）で乾燥チャンバ３０４内に流れる。したがって、熱い空気およびスラリー液滴はチャンバ内でほぼ下向きの方向に流れ、それによって並流が確立される。図９は並流乾燥チャンバで使用する圧力ノズル噴霧装置を示しているが、並流乾燥チャンバは、回転ホイール噴霧装置および二重流体ノズル噴霧装置で使用することもできる。

液滴の乾燥のために乾燥チャンバ内に熱い空気を供給するのに適した様々なタイプの機器が当業者に知られており、例えば、空気フィルタを備えているまたは備えていない加熱器を含むことができる。乾燥チャンバ内では、水分が液滴から蒸発するときに、成形セラミック粒子が形成される。スラリーが乾燥チャンバ３０４内に噴霧され、熱い乾燥空気と接触すると、液滴の表面からの蒸発が起こり、飽和蒸気フィルムが液滴の表面で形成される。分散剤および結合剤は、存在する場合は水溶性である。したがって、分散剤および／または結合剤が存在する場合、各噴霧液滴は不可溶性セラミック材料および可溶性添加物の両方を含んでいる。噴霧乾燥の蒸発段階中に、可溶性結合材料は液滴表面上のフィルム内でコーティングする。

乾燥が続くと、液滴内部に向かう水分が蒸発する。本明細書に記載した方法によれば、液滴の内部からの水分は、液滴表面に向かう液滴内に包装された固体粒子を通して、その後、液滴表面上のフィルムを通した拡散により少なくとも部分的に蒸発される。液滴内部からの水分の蒸発が起こると、液滴表面上のフィルムは液滴内部に向かって内側に成長する。

液滴表面温度は、乾燥空気の比較的高い入口空気温度にもかかわらず低い。蒸発は一定速度の条件により最初に起こるが、その後、速度は液滴が最終の残留含水量条件に近づくと低下する。液滴は未溶解固体を含んでいるので、乾燥輪郭は、粒子球面度に貢献するかなり一定速度期間を特徴付けている。乾燥中、噴霧液滴サイズ分布は、液滴が水分の蒸発中にサイズを変えるので変化する。液滴および粒子の合体も起こる可能性があり、乾燥チャンバ内の空気乱流パターン、および温度および湿度レベルの複雑な分布によるものであることがある。

液滴は普通乾燥チャンバを通して噴出されるときに回転しないので、液滴の一方側を、液滴のもう一方側が曝される（本明細書では、それぞれ「熱い側」および「冷たい側」と呼ぶ）空気より熱い入口から空気に曝すことができる。このような場合、蒸発は熱い側でより早く、液滴の表面上に形成されるフィルムは、冷たい側で熱い側より急速に厚くなる。液滴中の液体および固定は熱い側に移動する。この点で、冷たい側は内側に引っ張られ、本明細書に記載する中実成形粒子ではなく、窪みを備えた中空成形粒子につながることが予測される。しかし、本明細書に記載された方法によれば、本明細書に記載した重量％での固体含有量、本明細書に記載した重量％での可溶物含有量（分散剤および／または結合剤）、および本明細書に記載したような範囲の空気入口温度などの要因の１つまたは複数により、粒子は中空ではなく中実である。

固体含有量に関して、約５０重量％より大きい固体含有量を有するスラリーを使用して、本明細書に記載するような固体のほぼ丸い球状の粒子を生成することができる。ある実施形態では、スラリーは、約５０から約７５重量％の範囲の固体含有量を有し、他の実施形態では、固体含有量は約５０から約６０重量％、または約６０から約７０重量％である。

可溶物含有量に関して、結合剤はスラリー粘度を大きくし、これが噴霧することができるスラリーを維持するために固体含有量を少なくする必要性につながる可能性がある。しかし、より低い固体含有量は中実でない粒子につながる可能性がある。分散剤に関して、分散剤は粒子の表面への固体のより急速な移動を可能にし、中実でない粒子につながる可能性もある。したがって、スラリー中の可溶物含有量（結合剤および分散剤などの添加物の量）は、スラリーの固体含有量に対して均衡させるべきである。スラリーの粘度を調節する必要性によって決定されるような、最小量の結合剤および／または分散剤が使用されることが好ましい。

空気入口温度に関して、乾燥チャンバに入る空気の温度は、本明細書に記載された方法により調整される。したがって、ある実施形態では、空気入口温度は、約１００℃から約２００℃まで、または約２００℃から約３００℃度まで、または約３００℃から約４００℃度まで、または約４００℃から約５００℃度までの範囲にある。他の実施形態では、空気入口温度は、または約１５０℃から約２００℃度まで、または約２００℃から約２５０℃度までの範囲にある。粒子の乾燥速度を遅くするために、このような範囲の下限の温度が使用され、その後、ほぼ丸く球状である固体セラミック粒子を生成するために焼結させることができる成形セラミック粒子の生成に貢献することが好ましい。

図８および９に示す略図では、成形セラミック粒子が、少なくとも部分的に重力の影響を受けて、排出部２１０および３１０内に乾燥チャンバから排出される。図８および９に示す構成要素に加えて、適切な乾燥配置はさらに、ファンおよびダクト、排出空気清浄機器（サイクロン、バグハウス、混合容器）、および制御器具を含むことができる。このような別の構成要素および機器、および本明細書に記載されたような噴霧乾燥方法でのその使用は、当業者に知られている。

排出後、成形セラミック粒子は、ほぼ丸く球状である固体セラミック粒子を形成するために従来の焼結機器を使用して焼結することができる。前述の方法によって生成されるペレットは、実施例１、２および４に記載した混合方法によって生成されるものとほぼ同様の性状を有する。より詳細には、この代替実施形態に記載された方法によって生成されたペレットは、低い熱膨張係数を有する。

本明細書に記載された発明は、材料含有量、または製造方法の小さな変更を行うことによって基本的に再現することができることは当業者には明らかである。このような材料または方法が実質的に同一である範囲において、頭記の特許請求の範囲に含まれることを意図している。

マグネシア・アルミナ・シリカ相図の簡易図である。従来の鋳造媒体および本実施形態による鋳造媒体の温度の関数としての直線的変化のＣＴＥおよびパーセンテージの比較を示す図である。貫通または脈形成欠陥がないことを示す、本発明（実施例４）の焼結ペレット（ｓｉｎｔｅｒｅｄｐｅｌｌｅｔ）でできた芯を備えたアルミニウム段差円錐鋳造物（ａｌｕｍｉｎｕｍｓｔｅｐｃｏｎｅｃａｓｔ）の断面図である。リングのいくつかに僅かな貫通欠陥があり、脈形成欠陥がないことを示す、ジルコン砂でできた芯を備えたアルミニウム段差円錐鋳造物の断面図である。ほとんどまたは全く貫通がなく、脈形成欠陥がないことを示す、グラファイト・コーティングでの本実施形態（実施例４）の焼結ペレットでできた芯を備えた鉄段差円柱鋳造物の断面図である。リングのいくつかに僅かな貫通欠陥があり、中度から重度の脈形成欠陥があることを示す、ジルコン洗剤のコーティングのケイ砂でできた芯を備えた鉄段差円錐鋳造物の断面図である。本実施形態による、鋳造媒体を調製するために流体床（ｆｌｕｉｄｂｅｄ）を使用する連続過程を実施する例示的なシステムの略図である。噴霧乾燥法を使用する本明細書に記載したような、鋳造媒体を形成する際に使用する並流（ｃｏ−ｃｕｒｒｅｎｔｆｌｏｗ）および逆流（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｃｕｒｒｅｎｔｆｌｏｗ）の組合せを提供する乾燥チャンバの略図である。噴霧乾燥法を使用する本明細書に記載したような、鋳造媒体を形成する際に使用する並流を提供する乾燥チャンバの略図である。

Claims

水、マグネシア源、シリカ源およびアルミナ源を含む原料からほぼ丸く球状の成形ペレットを形成するステップと、
その後、成形ペレットを焼結して鋳造媒体を形成するステップとを含んだ、鋳造媒体を形成する方法であって、
そのようにして形成された前記鋳造媒体は、ケイ砂、ジルコン砂およびかんらん石砂の少なくとも１つの熱膨張係数より低い、約１００℃から約１１００℃までの熱膨張係数を有する方法。
前記鋳造媒体が、約１５（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約１２（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約７（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約６（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約５（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、および約４．０（１０^−６インチ／インチ／℃）未満からなるグループから選択された、約１００℃から約１１００℃の熱膨張係数を有する、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、少なくとも２５重量％、少なくとも４０重量％、少なくとも４５重量％、少なくとも５０重量％、少なくとも５５重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも６５重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも７５重量％、少なくとも８０重量％、および少なくとも８５重量％からなるグループから選択した量のコージライトを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、少なくとも２５重量％、少なくとも４０重量％、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、および少なくとも８０重量％からなるグループから選択した量のコージライトを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約５重量％から約９０重量％までの量のコージライトを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約５重量％から約３０重量％までの量のコージライトを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約４５重量％から約６５重量％までの量のコージライトを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約５２から約６６重量％の量のコージライト、約７から約２４重量％の量のムライト、および約１から約８重量％の量のサファーリンを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約２５から約４２重量％の量のコージライト、約１９から約２１重量％の量のムライト、および約７から約１１重量％の量のサファーリンを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約７１重量％の量のコージライト、約２０重量％の量のムライト、および約１重量％未満の量のサファーリンを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約８０から約９０重量％の量のコージライト、約３から約１０重量％の量のムライト、および約０から約１６重量％の量のサファーリンを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約６４重量％の量のコージライト、約２０重量％の量のムライト、および約７重量％の量のクリストバライトを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記鋳造媒体が、約８２重量％の量のコージライト、約１３重量％の量のムライト、および約５重量％の量のクリストバライトを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記マグネシア源、前記シリカ源、および前記アルミナ源が、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のクリストバライト・ムライト・コージライト領域内に配置された正味化学物質を提供する、請求項１に記載の方法。
前記正味化学物質は、マグネシアが約７から約１４重量％の量で存在し、アルミナが約１７から約５４重量％の量で存在し、シリカが約３９から約７６重量％の量で存在するようになっている、請求項１４に記載の方法。
前記鋳造媒体は、少なくとも５０重量％のコージライトを含んでいる、請求項１５に記載の方法。
前記正味化学物質は、マグネシアが約９から約１６重量％の量で存在し、アルミナが約３６から約４９重量％の量で存在し、シリカが約３７から約５１重量％の量で存在するようになっている、請求項１４に記載の方法。
前記マグネシア源、前記シリカ源、および前記アルミナ源が、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のサファーリン・ムライト・コージライト領域内に配置された正味化学物質を提供する、請求項１に記載の方法。
前記正味化学物質は、マグネシアが約７から約１８重量％の量で存在し、アルミナが約３４から約５４重量％の量で存在し、シリカが約３３から約５２重量％の量で存在するようになっている、請求項１８に記載の方法。
前記鋳造媒体は、少なくとも５０重量％のコージライトを含んでいる、請求項１９に記載の方法。
前記正味化学物質は、マグネシアが約１０から約１５重量％の量で存在し、アルミナが約３９から約４９重量％の量で存在し、シリカが約２４から約４７重量％の量で存在するようになっている、請求項１８に記載の方法。
前記アルミナ源は、カオリンおよびボーキサイトの少なくとも一方を含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記シリカ源は、カオリン、ボーキサイト、タルクおよびかんらん石砂の少なくとも１つを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記マグネシア源は、酸化マグネシウム、タルクおよびかんらん石砂の少なくとも１つを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記ほぼ丸く球状のペレットを形成する前に、前記マグネシア源、前記アルミナ源、および前記シリカ源を同時圧延するステップをさらに含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記ほぼ丸く球状のペレットを形成するステップは、水、マグネシア源、アルミナ源、およびシリカ源を高強度混合機内で混合するステップを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記ほぼ丸く球状のペレットを形成するステップは、水、マグネシア源、アルミナ源、およびシリカ源を含んだスラリーを形成するステップと、前記スラリーを噴霧装置を通して供給して前記ペレットを形成するステップとを含んでいる、請求項１に記載の方法。
前記ほぼ丸く球状のペレットを形成するステップは、水、マグネシア源、アルミナ源、およびシリカ源を含んだスラリーを形成するステップと、前記スラリーを噴霧乾燥機を通して供給して前記ペレットを形成するステップとを含んでいる、請求項１に記載の方法。
マグネシア源、シリカ源およびアルミナ源から焼結したほぼ丸く球状の成形ペレットを含み、ケイ砂、かんらん石砂およびジルコン砂の少なくとも１つの熱膨張係数より低い、約１００℃から約１１００℃までの熱膨張係数を有する鋳造媒体。
約１５（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約１２（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約７（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約６（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、約５（１０^−６インチ／インチ／℃）未満、および約４．０（１０^−６インチ／インチ／℃）未満からなるグループから選択された、約１００℃から約１１００℃の熱膨張係数を有する、請求項２９に記載の鋳造媒体。
少なくとも２５重量％、少なくとも４０重量％、少なくとも４５重量％、少なくとも５０重量％、少なくとも５５重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも６５重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも７５重量％、少なくとも８０重量％、および少なくとも８５重量％からなるグループから選択した量のコージライトを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
少なくとも２５重量％、少なくとも４０重量％、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、および少なくとも８０重量％からなるグループから選択した量のコージライトを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約５重量％から約９０重量％までの量のコージライトを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約５重量％から約３０重量％までの量のコージライトを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約４５重量％から約６５重量％までの量のコージライトを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約５２から約６６重量％の量のコージライト、約７から約２４重量％の量のムライト、および約１から約８重量％の量のサファーリンを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約２５から約４２重量％の量のコージライト、約１９から約２１重量％の量のムライト、および約７から約１１重量％の量のサファーリンを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約７１重量％の量のコージライト、約２０重量％の量のムライト、および約１重量％未満の量のサファーリンを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約８０から約９０重量％の量のコージライト、約３から約１０重量％の量のムライト、および約０から約１６重量％の量のサファーリンを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約６４重量％の量のコージライト、約２０重量％の量のムライト、および約７重量％の量のクリストバライトを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
約８２重量％の量のコージライト、約１３重量％の量のムライト、および約５重量％の量のクリストバライトを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
前記マグネシア源、前記シリカ源、および前記アルミナ源が、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のクリストバライト・ムライト・コージライト領域内に配置された正味化学物質を提供する、請求項２９に記載の鋳造媒体。
前記正味化学物質は、マグネシアが約７から約１４重量％の量で存在し、アルミナが約１７から約５４重量％の量で存在し、シリカが約３９から約７６重量％の量で存在するようになっている、請求項４２に記載の鋳造媒体。
少なくとも５０重量％のコージライトを含んでいる、請求項４３に記載の鋳造媒体。
前記正味化学物質は、マグネシアが約９から約１６重量％の量で存在し、アルミナが約３６から約４９重量％の量で存在し、シリカが約３７から約５１重量％の量で存在するようになっている、請求項４２に記載の鋳造媒体。
前記マグネシア源、前記シリカ源、および前記アルミナ源が、マグネシア・アルミナ・シリカ相図のサファーリン・ムライト・コージライト領域内に配置された正味化学物質を提供する、請求項２９に記載の鋳造媒体。
前記正味化学物質は、マグネシアが約７から約１８重量％の量で存在し、アルミナが約３４から約５４重量％の量で存在し、シリカが約３３から約５２重量％の量で存在するようになっている、請求項４６に記載の鋳造媒体。
前記鋳造媒体は、少なくとも５０重量％のコージライトを含んでいる、請求項４７に記載の鋳造媒体。
前記正味化学物質は、マグネシアが約１０から約１５重量％の量で存在し、アルミナが約３９から約４９重量％の量で存在し、シリカが約２４から約４７重量％の量で存在するようになっている、請求項４６に記載の鋳造媒体。
前記アルミナ源は、カオリンおよびボーキサイトの少なくとも一方を含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
前記シリカ源は、カオリン、ボーキサイト、タルクおよびかんらん石砂の少なくとも１つを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。
前記マグネシア源は、酸化マグネシウム、タルクおよびかんらん石砂の少なくとも１つを含んでいる、請求項２９に記載の鋳造媒体。