JP2012223804A - 鋳物砂の再生処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 人工的に作られた鋳物砂を高品質に再生処理するとともに、再生処理の際にカドミウム、六価クロム、鉛、フッ素、ホウ素、銅等の物質が排出されることを抑制する鋳物砂の再生処理方法を提供する。
【解決手段】鋳造後回収された鋳物砂を機械式再生装置により再生処理する鋳物砂の再生処理方法において、前記鋳物砂に研磨剤として微細粉体を添加して再生処理し、前記鋳物砂は、その主成分がムライト、アルミナ、ステアタイト、アルミナシリケートのうち少なくとも一つであり、前記微細粉体は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、カルシウムアルミネートのうち少なくとも一つを主成分として不溶化剤としても機能するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機械式再生装置を用いて回収された鋳物砂を再生処理する鋳物砂の再生処理方法に関する。

従来、アルカリフェノール、水ガラス等のバインダーを用いた自硬性鋳型鋳造法において、使用済みの鋳物砂の表面から硬化済みのバインダーを除去するため、機械的にバインダーを剥離する機械式再生処理が行なわれている。

近年、機械式再生処理の工程における砂の破砕損耗を減らすため、耐破砕性が優れたアルミナ、ムライト、ステアタイト、アルミナシリケートを主成分にした人工的に作られた鋳物砂が用いられるようになってきた。

人工的に作られた鋳物砂は、耐破砕性が優れている反面、鋳物砂表面の破砕損耗や磨耗によるバインダーの除去が期待できない。また、鋳物砂の形状が極めて球形に近いために機械的にバインダーを剥離する機械式再生処理の工程で必要な鋳物砂粒子間の摩擦抵抗が小さく、効率的に鋳物砂が再生できないといった問題点があった。

この人工的な鋳物砂に適した「機械式再生装置を使用した鋳型砂の再生方法」が特許文献１に示されている。特許文献１に示された方法は、再生する鋳物砂の摩擦抵抗を増加させるために、所定の粒径の珪砂、ジルコン砂、クロマイト砂、オリビン砂、又は、鉄を主成分とする金属粒を主成分とする微細粒体を添加して機械式再生処理を行う。

その一方で、近年の環境浄化に関する規制強化により、環境省告示４６号に示されるフッ素、ホウ素、銅、六価クロム、カドミウム、鉛等の物質を処理する必要が生じている。これに伴い、鋳物砂の再生の際に排出される集塵ダスト中の該物質も処理することが望まれている。

特許第４３０５８３３号公報

本発明の目的は、人工的に作られた鋳物砂を高品質に再生処理するとともに、再生処理の際にカドミウム、六価クロム、鉛、フッ素、ホウ素、銅等の物質が排出されることを抑制する鋳物砂の再生処理方法を提供することにある。

本発明に係る鋳物砂の再生処理方法は、鋳造後回収された鋳物砂を機械式再生装置により再生処理する鋳物砂の再生処理方法において、前記鋳物砂に研磨剤として微細粉体を添加して再生処理し、前記鋳物砂は、その主成分がムライト、アルミナ、ステアタイト、アルミナシリケートのうち少なくとも一つであり、前記微細粉体は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、カルシウムアルミネートのうち少なくとも一つを主成分とする。

本発明は、再生処理の際にカドミウム、六価クロム、鉛、フッ素、ホウ素、銅等の物質が排出されることを抑制するとともに、人工的に作られた鋳物砂を高品質に再生処理することを実現する。

機械式再生装置の一例を示す断面図である。

以下、本発明を適用した鋳物砂の再生処理方法（以下、「再生処理方法」ともいう。）について説明する。該再生処理方法は、バインダーを用いて鋳物砂を硬化させる自硬性鋳造法で用いられる鋳物砂の再生処理に適したものである。

該再生処理方法は、鋳造後回収された鋳物砂を機械式再生装置により再生処理する鋳物砂の再生処理方法において、鋳物砂に研磨剤として微細粉体を添加して再生処理し、鋳物砂は、その主成分がムライト、アルミナ、ステアタイト、アルミナシリケートのうち少なくとも一つであり、微細粉体は、カドミウム、六価クロム、鉛、フッ素、ホウ素、銅のうち少なくとも一つの溶出量を抑制させることが可能な粉体状の不溶化剤である。

この再生処理方法は、鋳造工程内で循環使用される鋳物砂の再生処理をする際に、研磨効果と有害物質固定化効果の両方の機能を有する微細粉体を添加することを特徴とする。また、研磨剤としての微細粉体の添加は、例えば、機械式再生装置へ鋳物砂を投入する際に行われる。

また、該再生処理方法において、前記微細粉体（不溶化剤）は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、カルシウムアルミネートのうち少なくとも一つを主成分とし、平均粒径が１μｍ〜５０μｍである。一方で、鋳物砂の粒子径は、１００〜５００μｍである。さらに、該再生処理方法において、前記機械式再生装置は、回転ドラム式であり、ドラムの回転数が４００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍである。上述の再生処理方法に用いられる機械式再生装置として、例えば、新東工業株式会社製の機械式再生装置（ＵＳＲ−ＩＩ型、ＵＳＲ−ＩＩＩ型）等がある。

ここで、粉体状の不溶化剤を、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、カルシウムアルミネートのうち少なくとも一つを主成分としている理由は、鋳物砂の再生処理をする際に、高い研摩効果を得るためには、鋳物砂より硬い粉体材料で、且つ、有害物質の固定化効果を併せ持つ必要があるからである。また、再生処理した鋳物砂に混在した場合にも硬化を阻害しないからである。さらに、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、カルシウムアルミネートのうち少なくとも一つを主成分とすることで、研磨剤自体にフッ素やホウ素等（従来の研磨剤にはフッ素やホウ素を含む可能性があった）を含むことを低減できる。

一般的に、不溶化剤として用いられる材料として、例えば、塩化マグネシウム、塩化第二鉄等の塩化物を用いた材料がある。これらの材料を再生処理に用いた場合には、再生処理後の鋳物砂中に残留し、鋳造工程中で生ずる金属溶湯からの熱に曝されることにより、人体に有害な塩素ガスが発生するおそれがある。そのため、塩化物を用いた不溶化剤は、再生処理用の微細粉体として用いることができない。また、発生したガスが鋳物の表面欠陥の原因となるおそれがあるという問題もある。

また一般的に、不溶化剤として用いられる材料として、酸化鉄を用いた材料がある。これらの材料を再生処理に用いた場合には、再生処理後の鋳物砂中に残留し、金属溶湯からの熱に曝されることにより、軟化温度の低い酸化鉄が鋳物製品に焼き付き、鋳物の表面欠陥となるおそれがある。そのため、酸化鉄を用いた不溶化剤も、再生処理用の微細粉体として用いることができない。

次に、不溶化剤の平均粒径の範囲について説明する。不溶化剤の平均粒径を１μｍ以上の粉体とする理由は、平均粒径１μｍ以下の不溶化剤の流動性が悪いため、機械装置での鋳物砂への定量添加が困難となるからである。また、平均粒径５０μｍ以下の粉体とする理由は、平均粒径５０μｍを超えると、再生処理工程での鋳物砂と不溶化剤との分離が困難となるからであり、さらに、有害物質の不溶化を促進するための不溶化剤の反応表面積が小さくなってしまうからである。尚、「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法で算出した体積分布における粉体の小さい側からの積算値５０％での粒子径を意味するものとする。

次に、機械式再生装置のドラムの回転数の範囲について説明する。ドラムの回転数が４００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍである理由は、回転数が４００ｒｐｍ未満であるとき十分な再生効果が得られず、回転数が３０００ｒｐｍを越えると再生効率の向上よりも装置の発熱や部品の消耗の方が著しくなるからである。

次に、上述の再生処理方法に用いられるのに適した機械式再生装置の一例について図１を用いて説明する。図１に示す機械式再生装置１０は、鋳造後回収された鋳物砂を供給する鋳物砂供給部１１と、微細粉体を供給する微細粉体供給部１２と、これらから供給された鋳物砂及び微細粉体が混在した状態で装置本体１３に投入する投入口１４とを有している。鋳物砂供給部１１には、鋳物砂の供給量を調整する鋳物砂ホッパーゲート１１ａが設けられている。微細粉体供給部１２には、微細粉体の供給量を調整する微細粉体ホッパーゲート１２ａが設けられている。

また、機械式再生装置１０は、回転体（「回転ドラム」ともいう。）１５と、ローラ（「スクイジングローラ」ともいう。）１６とを有している。回転体１５は、該投入口１４の下方において水平回転自在に設けられる。また、回転体１５は、円形の底板１５ａと、該底板１５ａの周端から斜め上外側に延びる傾斜周壁１５ｂと、該傾斜周壁１５ｂの上端から内側に張り出す堰１５ｃとが連結されて構成されている。ローラ１６は、該回転体１５内において、傾斜周壁１５ｂに対して若干の隙間を設けて直角に配置されている。ここでは、ローラ１６は、２個設けられているが、個数はこれに限られない。

投入口１４は、円筒部１７及びその下部の円錐筒部１８を連結した機械式再生装置１０の装置本体１３の上端部に漏斗状に形成される。投入口１４の下部には、一定流量の砂を回転体１５に供給する砂落とし口１９が設けられている。

回転体１５の底板１５ａの下面中央部には、回転軸２１が固定されている。この回転軸２１は、支持フレーム２２上に取り付けられた軸受２３を介して回転自在に支持されている。回転軸２１の下端には、Ｖプーリ２４が取り付けられ、モータ２５の回転軸２６にＶベルト２７及びＶプーリ２８を介して連結されている。

上述した２個のローラ１６の上面中央部には、回転支持軸２９が設けられている。回転支持軸２９の上端には、支持アーム３０が設けられている。また、機械式再生装置１０は、この２個のローラ１６を傾斜周壁１５ｂの方向に一定圧力により押し付けるローラ加圧機構を有している。ローラ加圧機構は、図示しないシリンダや、ばね部材等により、加圧力伝達部３１、支持アーム２９を介して２個のローラ１６を傾斜周壁１５ｂ側に押し付ける。ローラ加圧機構は、鋳型砂への付勢力を変えることがでる。機械式再生装置１０において、常時、ローラ１６に対し傾斜周壁１５ｂ方向に一定圧力がかけられた状態とされている。

以上のような機械式再生装置１０には、モータ２５を駆動させて回転体１５を回転させた状態で投入口１４に鋳物砂及び微細粉体が供給される。供給された鋳物砂及び微細粉体は、回転体１５の遠心力により外方向へ移動され、さらに傾斜周壁１５ｂの内面に遠心力により押え付けられながら堆積し、その厚みを増して砂層３２を形成する。この砂層３２の厚みが傾斜周壁１５ｂとローラ１６との隙間より厚くなると、ローラ１６は、鋳型砂との摩擦力で回転を始める。さらに、砂層３２の厚みが増すと鋳型砂は、堰１５ｃを乗り越える。

この状態で、砂層３２は、回転体１５とともに回転し、ローラ１６の位置にくると、ローラ１６と回転体１５の傾斜周壁１５ｂとの間に挟まれて加圧力を受ける。それとともに、砂内部に剪断作用を生じ、これにより砂表面の付着物は、隔離、除去され砂再生がなされる。この砂再生は、加圧された状態での剪断作用により行われるので効率よく付着物が剥離される。再生された砂は、堰１５ｃを乗り越えて、機械式再生装置１０の装置本体１３外側に排出される。このように回転体１５内への鋳型砂の供給、回転体１５内での砂再生及び排出が連続して行われる。

以上のような本発明を適用した鋳物砂の再生処理方法によれば、次のような効果を有する。すなわち、該再生処理方法は、機械式再生装置を用いて鋳造後回収された鋳物砂を再生処理する際に、鋳物砂の研磨効果と有害物質固定化効果の両方の機能を併せ持つ特別な材料で且つ特別な粒径サイズの微細粉体を添加することにより、人工的に作られた鋳物砂を高品質に再生処理できると同時に、鋳物砂の再生工程から排出される有害物質を含む集塵ダストを無害化することを実現する。

また、該再生処理方法によれば、鋳物砂中に残留した微細粉体が鋳造工程中で生ずる金属溶湯からの熱に曝されても、人体に有害なガスが発生することを防止でき、さらに、鋳物の欠陥や品質の低下を起こすことも防止できる。

よって、該再生処理方法は、高度な砂再生が必要とされる人工的に作られた鋳物砂の砂再生処理を、大型の砂再生設備装置や複雑な処理工程を用いることなく、更に砂再生工程から排出される廃棄物中の有害物質の無害化処理を目的とした設備装置を必要とすることなく、鋳物砂の砂再生処理をすることを実現でき、且つ、環境浄化等の社会的責任を満足に果たすことを実現できる。

次に、本発明の実施例を比較例とともに説明する。表１に、実施例１及び比較例１〜３のそれぞれの再生処理前の鋳物砂の重量と、これに添加する微細粉体の材料（種類）と、微細粉体の重量とを示す。ここで、再生処理前の鋳物砂には、花王クエーカー株式会社製のアルカリフェノール樹脂バインダーを用いた自硬性鋳造プロセスで鋳造を行った後に回収された鋳物砂を用いた。鋳物砂の種類は、伊藤忠セラテック（株）製ナイガイセラビーズ（ムライト）である。

表１に示した再生処理前の鋳物砂と、微細粉体とを、新東工業株式会社製の回転ドラム式機械式再生装置（ＵＳＲ−ＩＩ型）に投入して再生処理を実施した。再生処理後の再生砂の評価結果を表２に示す。

表２に示す１０００℃強熱減量は、砂再生処理後のバインダーの残留量を示している。０．８％を超えると鋳物砂を再使用した場合に鋳型の圧縮強度が低下するという問題や、金属溶湯からの熱に曝される鋳造時にガスが発生して鋳物製品の表面に欠陥を生ずるといった悪影響がある。比較例３は、強熱減量が０．８％を超えており、不良である。

表２に示す鋳型の圧縮強度は、作成した各再生砂に、花王クエーカー株式会社製のアルカリフェノール樹脂バインダーＳＬ−６０１０型を再生砂重量比１．３％添加するとともに、硬化剤ＤＨ−１５型をアルカリフェノール樹脂バインダー比２０％添加した後に、２４時間常温で放置して硬化させて測定した値である。一般に、圧縮強度２０ｋg／ｃｍ^２以下では、鋳造工程での鋳型のハンドリングや鋳造した金属溶湯の凝固収縮応力に耐えることができないとされている。比較例３は、鋳型の圧縮強度が不良である。

表２に示す鋳物のガス欠陥は、実際に製品を鋳造してその鋳物の表面にガス欠陥が認められたか否かを判定したものである。ガス欠陥が認められた場合は、「あり」とし、ガス欠陥が認められない場合は、「なし」とした。比較例３は、鋳物表面にガス欠陥が認められており、不良である。

表２に示す有害ガスの発生は、実際に製品を鋳造して有害ガスが発生したか否かを判定したものである。有害ガスが発生した場合は、「あり」とし、有害ガスが認められない場合は、「なし」とした。比較例２は、劇物である塩化水素が発生し、不良である。

表２に示す再生砂の評価は、実用上問題のある不良がある物を「×」とし、問題がない物を「◎」とした。

表２で評価した上述の再生処理後の再生砂を、環境基本法（平成５年法律第９１号）第１６条１項の規定に基づく土壌の汚染に関わる環境基準（環境庁告示第４６号）に準拠したフッ素溶出量の測定を実施した。その結果を表３に示す。

表３に示す有害物質溶出量の評価は、実用上有害物質溶出量を押さえる難易度が高いフッ素溶出量が、環境基準値の０．８ｍｇ／Ｌを超える物を不良である「×」とし、環境基準値以下である０．８ｍｇ／Ｌ未満０．４ｍｇ／Ｌ以上を「○」とし、環境基準値以下で且つ、著しく溶出量が少ない０．４ｍｇ／Ｌ未満の物を「◎」とした。

表３に示す総合評価は、再生砂の評価および有害物質溶出量の評価の両方が◎又は○であるものを、産業界において極めて有用であると判定し、「◎」とし、実用上問題がある評価とされる×の判定が一つでもあるものは産業上の利用価値が低いか、従来技術と同等であると判定し、「×」とした。

上述の実施例に示すように、本発明を適用した再生処理方法によれば、人工的に作られた鋳物砂を高品質に再生処理すると同時に、鋳物砂の再生工程から排出される有害物質を含む集塵ダストを無害化することが可能である。さらに、機械式再生装置と不溶化剤の混合装置、研磨剤と不溶化剤のそれぞれを兼用することが可能な処理方法である。よって、余分な設備コストや消耗品コストをかけることもなく、極めて安価な砂再生処理を実現でき、産業上の利用価値が極めて高い。

Claims (3)

1. 鋳造後回収された鋳物砂を機械式再生装置により再生処理する鋳物砂の再生処理方法において、
   前記鋳物砂に研磨剤として微細粉体を添加して再生処理し、
   前記鋳物砂は、その主成分がムライト、アルミナ、ステアタイト、アルミナシリケートのうち少なくとも一つであり、
   前記微細粉体は、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、カルシウムアルミネートのうち少なくとも一つを主成分とする鋳物砂の再生処理方法。
2. 前記微細粉体は、平均粒径が１μｍ〜５０μｍである請求項１記載の鋳物砂の再生処理方法。
3. 前記機械式再生装置は、回転ドラム式であり、ドラムの回転数が４００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍである請求項１又は請求項２記載の鋳物砂の再生処理方法。