JP2010526745A - 複合カウンターウェイト及び複合カウンターウェイトを作製する方法 - Google Patents

Abstract

複合材料は、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料と、この粒子状材料を均質な塊になるように結合するバインダーとからなる。粒子状材料及びバインダーは、事前に選択された割合で混合され、事前に選択された密度及び決まった構成を有するカウンターウェイトを形成するように圧縮される。カウンターウェイトは、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料の第１の割合を選択し、粒子状材料を均一な塊になるように結合するバインダーの第２の割合を選択し、均質な塊になるように第１の割合の粒子状材料を第２の割合のバインダーと混合し、均質な塊からカウンターウェイトを形成し、及びカウンターウェイトを最終製品に組み込むことによって製造される。

Description

一態様では、本発明は、カウンターウェイトに関する。別の態様では、本発明は、高密度粒子状廃材から製造されるカウンターウェイトに関する。

［関連出願の相互参照］
本願は、２００７年４月１３日付けで出願された米国特許出願第１１／７３５，０５９号の利益を主張し、当該出願の全体が本明細書に援用される。

１台の機械、車両、又は１点の家具において、偏心荷重の釣り合いを取ることが、多くの場合に必要である。カウンターウェイトは、この目的で利用される。通常、このようなカウンターウェイトは、物品に組み込まれている。美的制約及びサイズの制約により、カウンターウェイトの寸法を最小化する必要があることが多い。したがって、高密度の材料が利用されている。

高密度のカウンターウェイト材料は通常、鋼、鉄、及び同様の高密度金属から成る。しかしながら、そのような材料は高価である。

一般に埋立地又は海上で廃棄される製造副産物及び他の廃材の代替的な用途を見付けることが、ますます必要とされている。精錬、製鋼、及び他の鋳造作業の副産物である材料は、比較的高密度であることが多い。これは、容易に入手可能であり、高密度金属の費用と比べて経済的である。しかしながら、このような材料は、通常はばらばらの顆粒状の状態で生成されることで、カウンターウェイトとして使用し難い。

本発明の第１の実施の形態では、複合材料が、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料と、粒子状材料を均質な塊になるように結合するバインダーとからなる。粒子状材料及びバインダーは、事前に選択された割合で混合されて、事前に選択された密度及び決まった構成を有するカウンターウェイトを形成するように圧縮される。

本発明の第２の実施の形態では、カウンターウェイトを製造する方法が、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料の第１の割合を選択する工程と、粒子状材料を均一な塊になるように結合するバインダーの第２の割合を選択する工程と、均質な塊になるように第１の割合の粒子状材料を第２の割合のバインダーと混合する工程と、均質な塊からカウンターウェイトを形成する工程と、カウンターウェイトを最終製品に組み込む工程とからなる。

本発明による粒子状廃材及び熱可塑性又は熱硬化性バインダーからカウンターウェイトを製造するプロセスの第１の実施形態の概略図である。 本発明による粒子状廃材及び熱可塑性又は熱硬化性バインダーからカウンターウェイトを製造するプロセスの第２の実施形態の概略図である。 本発明による粒子状廃材及び熱可塑性又は熱硬化性バインダーからカウンターウェイトを製造するプロセスの第３の実施形態の概略図である。

本発明の実施形態は、本明細書では、選択された割合で混合されて選択された密度の概ね均質な材料になるように圧縮される顆粒状又は粒子状廃材及び熱可塑性又は熱硬化性バインダーの複合混合物からなるものとして説明される。圧縮された材料は、様々な用途に合わせて、選択されたサイズで製造されて安価なカウンターウェイトとして利用され得る。好ましい用途は、ファイリングキャビネットのカウンターウェイトである。

カウンターウェイトは、ミルスケール（ｍｉｌｌ ｓｃａｌｅ）、酸素炉浄化器グリット（ｏｘｙｇｅｎ ｆｕｒｎａｃｅ ｃｌａｒｉｆｉｅｒ ｇｒｉｔ）、タコナイト鉱山尾鉱等の様々な廃材から作製され得る。材料の適性を決定する主要因は、材料の密度である。他の要因としては、粒径の均一性及び廃材を構成する成分の割合が挙げられる。

ミルスケールは、鉄鋼生産の副産物である。溶鋼を用いてスラブが生産され、スラブは、選択された厚さのスラブを生産するように、冷却プロセス時にローラによって加工される。スラブが一連のローラを通過すると、スラブの表面上に酸化鉄の薄層ができる。スラブの表面に高圧水をあてることで、「スケール」と呼ばれる酸化物が除去される。得られるスケール及び水の混合物は、回収され、スケールを水から分離するように濾過される。スケールは、非有害廃材として廃棄される。

スケールは通常、７０重量％を超える酸化鉄を含有する均質なフレーク状又は顆粒状材料である。マンガン、炭素、珪素、アルミニウム、クロム、鉛、亜鉛、及び他の金属等の他の成分が、概して１％未満の割合で存在している。これは、５．０を超える比重を有する常時安定した不活性材料である。

酸素炉浄化器グリットは、塩基性酸素炉で用いられる製鋼所排ガススクラバーによって生成される廃棄物である。グリットは通常、７６％を超える酸化鉄と、それよりも少ない割合の酸化カルシウム、炭素、マンガン、亜鉛、クロム、鉛、及び他の成分を概して含有する均質な顆粒状又は粒子状材料である。これは、概して安定且つ不活性であり、約７．０の比重を有する。

スクラバーは通常、酸素炉排ガスからの微粒子を集めて除去するためにクローズドループ・ウオーターシステムを利用する。グリットは、スクラバープロセスの一部として水と混合されたときにスラッジの形態で生成され得る。大粒子及び重質留分は、水性スラッジから機械的に除去され、より細かい粒子は、浄化器に回収されてフィルタープレスを用いて脱水される。集められたグリット及び微粒子は、通常は非有害廃材として廃棄される。

タコナイト採鉱廃物は、２つの形態のうちの一方で生成される。この廃物は、処理に十分な鉱石を含有しておらず廃棄すべきである岩盤、又は鉱石含有岩の本質的部分であり処理時に除去しなければならない不要な鉱物を含む。この材料は、「尾鉱」（ｔａｉｌｉｎｇ）と呼ばれる。タコナイト尾鉱は、主に５５重量％〜６０重量％の割合の石英、続いて８％〜１２％のヘマタイト、及び１０％未満の割合の含鉄炭酸塩、珪酸塩、磁鉄鉱を含有している。微量濃度の重金属も、尾鉱内に見られることが多い。

これらの廃棄物のそれぞれを、カウンターウェイト材料として利用することができる。ミルスケールは、容易に入手可能であり、高密度成分の割合が大きく、且つ概ね均一な粒径分布であるため、カウンターウェイトの生産に特に適していることが分かっている。

次に、本発明によるカウンターウェイトの生産を、ミルスケールの使用に関して説明する。しかしながら、酸素炉浄化器グリット及びタコナイト尾鉱等の他の廃材に関しても、プロセスは概して同じである。基本的なプロセスは、最適な密度のカウンターウェイトを提供するために選択された割合でバインダーをミルスケールと混合することを含む。好ましいバインダーは、熱可塑性又は熱硬化性材料を含むことが分かっている。

熱可塑性又は熱硬化性バインダーは、高密度ポリエチレン又はポリプロピレン等のポリオレフィン、フェノール、メチレンジフェニルジイソシアネート等を含み得る。バインダーは、未使用の材料、又は再生粉体コーティング若しくは他の一般的に再生される熱可塑性又は熱硬化性材料等の再生材料を含み得る。他の適当なバインダーとしては、「水ガラス」としても知られている珪酸ナトリウム等の非高分子材料、又はモラッセと石灰との混合物が挙げられる。特に廃材がバインダーとして用いられる場合、熱可塑性材料を選択された粒径に前処理するか、又は不純物若しくは汚染物を除去することが必要であり得る。

図１を参照すると、ミルスケール１２は、製鋼所等の適当な生成源１０から得られる。カウンターウェイトの生産におけるオプションの第１の工程は、ドライヤー１６でミルスケールを乾燥させて、存在している場合がある余分な水分を追い出すことである。乾燥後のミルスケール１８の水分含有量は、１２重量％以下とするべきである。好ましい水分含有量は、２重量％である。図１に示すように、乾燥は、ミルスケールをバインダーと混合する前に行われ得る。代替的に、本明細書で後述するように、ミルスケールは、混合装置又は組み合わせ混合／押出装置においてミルスケールをバインダーと混合するプロセス中に乾燥させることができる。乾燥は、必要ない場合もあるが、最終製品の製造及びその結果として得られる密度をより正確に制御するためには好ましい。

ミルスケール１８は、篩分け装置２４へ送られる混合物２８を生成するようにさらに処理及び粉砕済みであるオーバーサイズの材料２６と組み合わせられ得る。ミルスケール２２は、選択された最終製品に組み込むには大きすぎるか又は事前に選択された粒度分布外に入る粒子２６を除去するように篩分けされる。粒径分布は、０．１ｍｍ〜１２．５ｍｍの範囲であり得る。好ましい粒径は、０．５ｍｍ〜６．２５ｍｍである。

篩分けされた材料２７が貯蔵槽２９へ送られる一方で、オーバーサイズの材料２６は、選択された粒度分布になるようにさらに処理するために粉砕装置２０へ送られる。粉砕は、選択された粒度分布内に入る材料を生成するための必要に応じた付加的な篩分け及び粉砕によって達成され得る。ミルスケールが供給源から届く際の粒径分布によっては、篩分け及び粉砕工程をなくすことができる。粉砕及び篩分けされたミルスケール２７は、続いて貯蔵槽２９へ送られる。

熱可塑性又は熱硬化性バインダー１４も、特に再生材料である場合、不要な成分又は汚染物を除去するため又は事前に選択された粒径分布を得るために必要に応じて処理される。バインダー１４は、バインダー槽３０内に貯蔵されてから、組み合わせ混合/押出装置５０又は混合ステーション３２（図２及び図３）において貯蔵槽２９からのミルスケールと組み合わせられる。

ミルスケール２７及び／又はバインダー１４は、混合/押出装置５０又は混合ステーション３２への２成分の導入前に加熱され得る。混合/押出装置５０又は混合ステーション３２におけるバインダー及びミルスケールの混合及び加工は、バインダーを所望の加工可能状態にするのに十分な熱を発生させるため、熱可塑性プラスチックは、通常は予熱の必要がない。高密度ポリエチレンではこのようにして約１８０°Ｆの温度が発生し得ることが分かっている。熱硬化性プラスチックは、通常は高温を必要とするが、これには外部熱源の使用が必要である。熱硬化性材料は、通常は３２５°Ｆ〜５００°Ｆの温度に加熱される。この加熱は、混合/押出装置５０又は混合ステーション３２において行われ得る。バインダーの温度は、利用される特定の熱可塑性又は熱硬化性バインダーと、材料の混合及び得られる混合物の均質性を促すために複合材料に望まれる加工性とに主に基づいて選択される。

ミルスケールとバインダーの加熱及び混合には、いくつかの代替的な加熱方法を用いることができる。或るプロセスでは、ミルスケール及びバインダーが、別個に加熱されてから混合される。別のプロセスでは、室温のミルスケールが、加熱されたバインダーと混合される。別のプロセスでは、ミルスケール及びバインダーが室温で混合され、続いて混合物全体が混合装置において加熱される。さらに別のプロセスでは、ミルスケール及びバインダーが、室温で混合されて、混合物に対する混合装置の剪断作用によって加熱される。混合作用によって発生する温度は、熱硬化性バインダーに不十分であるため、これは概して熱可塑性バインダーにしか有効でない。

図１を参照すると、ミルスケール及びバインダーを処理した後、材料は、槽２９、３０から組み合わせ混合／押出装置５０へ送られ得る。適切な組み合わせ混合／押出装置は、イリノイ州アディソンのＣＤＬ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｃ．によって製造されている一軸又は二軸スクリュー押出装置である。混合／押出装置５０における混合プロセスは、熱可塑性バインダーを所望の程度の加工性まで加熱するのに十分であり得る。混合／押出装置５０は、ミルスケール及びバインダーを混合して、選択された密度及び寸法の複合製品３８にする。

複合材料は、続いて冷却チャンバ４０に通されて空気又は水を用いて冷却され、続いて機械加工装置４２において機械加工されて、完成品になる。機械加工は、材料の完全な冷却及び硬化が行われたら完了させてもよく、又は混合物がまだ多少温かくて柔軟であるうちに完了させてもよい。続いて、完成品４４が、ファイルキャビネット４６等のカウンターウェイトを必要とする物品のさらなる製造において利用され得る。

ミルスケール及びバインダーを混合して複合製品を形成する代替的なプロセスを図２に示す。この実施形態では、ミルスケール及びバインダーは、上述のように処理されて槽２９、３０内に貯蔵される。槽２９、３０からの材料は、コネチカット州アンソニアのＦａｒｒｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されているＢａｎｂｕｒｙ（登録商標）インターナルバッチミキサ等の、ミルスケール及びバインダーを混合して複合材料３４にするための適当な混合装置３２へ送られる。組み合わせ混合／押出装置５０と同様に、混合装置３２における混合プロセスは、熱可塑性バインダーを所望の程度の加工性まで加熱するのに十分であり得る。混合後、複合材料３４は、選択された完成品の寸法を有する製品を提供するように構成されているダイ５４へ送られる。材料３４は、適当なプレス装置５２によってダイ５４内で選択された密度に圧縮される。圧縮プロセスを容易にするために、混合物が或る程度冷却された後で圧縮が行われることが予想される。上述のように、材料は、続いてダイ５４から取り出され、冷却され、機械加工される。

ミルスケール及びバインダーを混合して複合製品を形成する第３のプロセスを図３に示す。この実施形態では、ミルスケール及びバインダーは、上述のように処理されて槽２９、３０内に貯蔵される。槽２９、３０からの材料は、混合装置３２において混合される。加熱及び混合後、混合物３４が、押出装置３６において押し出されて選択された密度及び寸法の複合製品３８になる。押出プロセス及び押出装置は、選択されたサイズ及び密度の製品を提供するように適合させることができる。

ミルスケール及びバインダーの相対的な割合は、ミルスケールの単位重量、利用される熱可塑性又は熱硬化性バインダーのタイプ、及び最終製品の目標密度のような因子に応じて決まる。ミルスケール及びバインダーの好ましい割合は、ミルスケールが９５重量％でバインダーが５重量％である。しかしながら、８０重量％〜９８重量％のミルスケール及び２重量％〜２０重量％のバインダーが適していることが分かっている。ファイルキャビネットで用いるためのカウンターウェイトの目標密度は、５１％の鋼密度、又は約２５０ポンド／立方フィート（ｐｏｕｎｄｓ ｐｅｒ ｃｕｂｉｃ ｆｏｏｔ（ｐｃｆ））である。しかしながら、達成可能な密度は、１７０ｐｃｆ〜３４０ｐｃｆの範囲であり得る。

より高い密度の製品を提供するために、ミルスケール及びバインダーの加熱及び混合の時点で、釘、ねじ等の製造において得られるスクラップ等の鋼スクラップを加えてもよい。

本発明をそのいくつかの具体的な実施形態に関して具体的に説明してきたが、これが例示としてであり限定としてではないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に定義されている本発明の趣旨から逸脱せずに、上記の開示及び図面の範囲内で妥当な変形及び変更が可能である。

Claims (22)

1. 複合材料であって、
   工業プロセス（１０）の廃棄副産物として生成される粒子状材料（１２）、及び
   前記粒子状材料（１２）を均質な塊になるように結合するバインダー（１４）、
   からなり、前記粒子状材料（１２）及び前記バインダー（１４）は、事前に選択された割合で混合されて、事前に選択された密度及び決まった構成を有するカウンターウェイトを形成するように圧縮される、複合材料。
2. 前記粒子状材料（１２）は、ミルスケール、塩基性酸素炉浄化器グリット、及びタコナイト鉱山尾鉱のいずれか１種である、請求項１に記載の複合材料。
3. 前記粒子状材料（１２）が酸化鉄を含む、請求項１に記載の複合材料。
4. 前記バインダー（１４）が、ポリオレフィン、ポリエチレン、ポリプロピレン、フェノール、メチレンジフェニルジイソシアネート、珪酸ナトリウム、熱硬化性プラスチック、及びモラッセと石灰との混合物のいずれか１種である、請求項１に記載の複合材料。
5. 前記粒子状材料（１２）の割合は８０％〜９８％の範囲であり、前記バインダー（１４）の割合は２０％〜２％の範囲である、請求項１に記載の複合材料。
6. 前記粒子状材料（１２）の割合は９５％であり、前記バインダー（１４）の割合は５％である、請求項５に記載の複合材料。
7. 前記カウンターウェイトの密度は７０ｐｃｆ〜３４０ｐｃｆの範囲である、請求項１に記載の複合材料。
8. 前記カウンターウェイトの密度は２５０ｐｃｆである、請求項７に記載の複合材料。
9. カウンターウェイトを製造する方法であって、
   工業プロセス（１０）の廃棄副産物として生成される粒子状材料（１２）の第１の割合を選択する工程、
   前記粒子状材料を均一な塊になるように結合するバインダー（１４）の第２の割合を選択する工程、
   均質な塊（３８）になるように前記第１の割合の前記粒子状材料（１２）を前記第２の割合の前記バインダー（１４）と混合する工程、
   前記均質な塊から前記カウンターウェイトを形成する工程、及び
   前記カウンターウェイトを最終製品（４６）に組み込む工程、
   からなる、カウンターウェイトを製造する方法。
10. 前記粒子状材料（１２）を１２重量％以下の水分含有量に乾燥させる工程をさらに有する、請求項９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
11. 前記粒子状材料（１２）を２重量％の水分含有量に乾燥させる工程をさらに有する、請求項１０に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
12. 前記バインダー（１４）を３２５°Ｆ〜５００°Ｆの温度に加熱する工程をさらに有する、請求項９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
13. 混合装置（３２）中で、前記第１の割合の前記粒子状材料（１２）を前記第２の割合の前記バインダー（１４）と混合する工程をさらに有する、請求項９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
14. 混合物（３４）の温度が約１８０°Ｆになるように、前記第１の割合の前記粒子状材料（１２）を前記第２の割合の前記バインダー（１４）と混合する工程をさらに有する、請求項１３に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
15. 事前に選択された密度を有するカウンターウェイトになるように前記混合物（３４）を押し出す工程をさらに有する、請求項１３に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
16. 前記カウンターウェイトを機械加工し、決まった構成にする工程をさらに有する、請求項１５に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
17. 前記粒子状材料を０．１ｍｍ〜１２．５ｍｍの粒径範囲に加工する工程をさらに有する、請求項９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
18. 前記粒子状材料（１２）を０．５ｍｍ〜６．２５ｍｍの粒径範囲に加工する工程をさらに有する、請求項１７に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
19. 前記粒子状材料（１２）の前記第１の割合は８０重量％〜９８重量％の範囲であり、前記バインダー（１４）の前記第２の割合は２０重量％〜２重量％の範囲である、請求項９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
20. 前記粒子状材料（１２）の前記第１の割合は９５重量％であり、前記バインダー（１４）の前記第２の割合は５重量％である、請求項１９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
21. １７０ｐｃｆ〜３４０ｐｃｆの密度を有するように前記カウンターウェイトを形成する工程をさらに有する、請求項９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。
22. ２５０ｐｃｆの密度を有するように前記カウンターウェイトを形成する工程をさらに有する、請求項９に記載のカウンターウェイトを製造する方法。

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