JP2016150369A

JP2016150369A - 人工砂及び鋳型用粘結剤含有砂

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Publication number: JP2016150369A
Application number: JP2015029943A
Authority: JP
Inventors: 範彦金本; Norihiko Kanemoto; 隆之俵田; Takayuki Tawarada; 叔且西田; Yoshikatsu Nishida; 外美竹田; Sotomi Takeda; 竜也小楠; Tatsuya Ogusu
Original assignee: Yamakawa Sangyo Co Ltd
Current assignee: Yamakawa Sangyo Co Ltd
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-22
Anticipated expiration: 2035-02-18
Also published as: MY187755A; CN107206470A; CN107206470B; JP5819551B1; WO2016132408A1

Abstract

【課題】鋳造に繰り返し使用しても鋳型強度の低減が抑制された人工砂を提供することを課題とする。【解決手段】鋳型用粘結剤含有砂の原料として使用される人工砂であって、前記人工砂が、アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライト及び／又は合成コランダムを主とし、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ２／ｃｍ３）を有し、かつ６０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するカルシウムイオン溶出濃度を示すことを特徴とする人工砂により上記課題を解決する。【選択図】図３

Description

本発明は、人工砂及び鋳型用粘結剤含有砂に関する。更に詳しくは、本発明は、鋳造に繰り返し使用しても鋳型強度の低減が抑制された人工砂及び鋳型用粘結剤含有砂に関する。

鋳物工業において鋳型を作る造形法の一つとして、例えばシェルモールド法がある。この方法は、樹脂を被覆した砂（レジンコーテッドサンド：ＲＣＳ、鋳型用粘結剤含有砂）を予熱した金型に充填し、焼成して鋳型を作る方法である。
鋳型用粘結剤含有砂は、骨材と、粘結剤と、滑剤とを含んでいる。ここで、粘結剤には、例えば、熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂）を硬化剤（例えば、ヘキサメチレンテトラミン）で硬化させた樹脂が使用されている。また、滑剤は、鋳型用粘結剤含有砂を所望の鋳型の形状に成形しやすく(流動性の向上)又は、製品のブロッキング(団粒子化)防止のために用いられ、鋳型の分野ではステアリン酸カルシウムが一般的に使用されている。
更に、粘結剤量の低減、鋳造後の鋳型の崩壊容易性の向上を目的として、球形に近く、表面が平滑な人工砂を骨材として使用することが、例えば特開２００３−２５１４３４号公報（特許文献１）で提案されている。特許文献１では、滑剤としてステアリン酸カルシウムが例示されている。

特開２００３−２５１４３４号公報

鋳物工業の分野においても、資源枯渇や産廃物規制の問題から、一旦鋳造に使用された鋳型廃砂を再生して、再度、鋳造に使用することで、廃棄される鋳型廃砂量を減少させることが検討されている。
鋳型廃砂には、鋳造時に鋳型用粘結剤含有砂を所定の形状に成型するために使用される滑剤や粘結剤成分に由来する炭化物が含まれている。鋳型廃砂を再生するには、炭化物を除去することが必要となるが、炭化物が除去された鋳型用粘結剤含有砂を用いて再度鋳型を製造しても、十分な鋳型強度が得られなかった。そのため、再生しても十分な鋳型強度を示し得る鋳型用粘結剤含有砂を提供することが望まれていた。

本発明の発明者等は、再生された鋳型用粘結剤含有砂により鋳型強度が低下する原因を検討したところ、炭化物が除去されかつ粘結剤と混合前の人工砂から水へのカルシウムイオン溶出濃度と鋳型強度との間に一定の関係が存在することを見い出した。具体的には、カルシウムイオン溶出濃度が大きいほど、鋳型強度が低下するとの知見から、カルシウムイオン溶出濃度が一定値以下の人工砂を骨材として含むことで、鋳型強度の低下が抑制可能であることを見い出し、発明者等は本発明に至った。

かくして本発明によれば、鋳型用粘結剤含有砂の原料として使用される人工砂であって、
前記人工砂が、アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライト及び／又は合成コランダムを主とし、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ^２／ｃｍ^３）を有し、かつ６０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するカルシウムイオン溶出濃度を示すことを特徴とする人工砂が提供される。
また、本発明によれば、人工砂を主とする骨材と、粘結剤と、滑剤とを含む鋳型用骨材であって、前記人工砂が上記人工砂であることを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂が提供される。

本発明の再生方法によれば、再生しても十分な鋳型強度を示し得る鋳型用粘結剤含有砂及びそれに使用できる人工砂を提供できる。なお、発明者等は、鋳型工業の分野において、カルシウムイオンが鋳型強度の低減と関係していることが意外なことであると認識している。

また、以下のいずれかの場合、再生しても十分な鋳型強度をより示し得る鋳型用粘結剤含有砂に使用される人工砂を提供できる。
（ａ）人工砂が、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する人工砂である。
（ｂ）人工砂が、１．２以下の粒形係数を有する。
更に、以下のいずれかの場合、再生しても十分な鋳型強度をより示し得る鋳型用粘結剤含有砂を提供できる。
（１）粘結剤が、フラン樹脂、フェノール樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、アルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダー及びベントナイトから選択され、滑剤がステアリン酸カルシウムである。
（２）粘結剤が、前記骨材１００重量部に対して、０．４〜３重量部含まれ、前記滑剤が、前記骨材と粘結剤の合計１００重量部に対して、０．０１〜０．２重量部含まれる。

実施例に使用した焙焼炉の概略説明図である。実施例に使用したトラフ摩鉱機の概略説明図である。実施例１の鋳型用粘結剤含有砂の曲げ強度及びカルシウムイオン溶出濃度との関係を示すグラフである。実施例２の鋳型用粘結剤含有砂の再生繰り返し数と、曲げ強度及びカルシウムイオン溶出濃度との関係を示すグラフである。

（人工砂）
人工砂は、骨材と、粘結剤と、滑剤とを含む鋳型用粘結剤含有砂の原料として使用される。
人工砂は、以下の組成、構造及び物性を有する。
・アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライト及び／又は合成コランダムを主とする。
・３０〜１１８０μｍの粒度分布を有する。
・６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ^２／ｃｍ^３）を有する。
・６０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するカルシウムイオン溶出濃度を示す。

（１）組成
人工砂は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）４０〜９０重量％、シリカ（ＳｉＯ_２）６０〜１０重量％の合成ムライト及び／又は合成コランダムを含む砂からなる。アルミナとシリカの割合は、それぞれ６０〜９０重量％と４０〜１０重量％とすることができる。人工砂には、アルミナ及びシリカ以外に、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、ＣｒＯ_２、ＭｇＯ、ＣａＯ、Ｋ_２Ｏ、ＴｉＯ_２等の他の成分が含まれていてもよい。人工砂に占める合成ムライト及び／又は合成コランダムの割合は、５０重量％以上とすることができる。

（２）構造
人工砂は、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有している。３０μｍより小さい場合、鋳型の通気性が低下することがある。１１８０μｍより大きい場合、鋳物の表面が荒れることがある。好ましい粒度分布は、２１２〜１１８０μｍ（ＪＩＳ１０と１４号相当）、１５０〜８２０μｍ（ＪＩＳ２０と２８号相当）、１０６〜６００μｍ（ＪＩＳ３５と４８号相当）、７５〜４２５μｍ（ＪＩＳ６５と１００号相当）、５３〜３００μｍ（ＪＩＳ１５０と２００号相当）が挙げられる。これら粒度分布は、例えば鋳鉄又は鋳鋼品の種類（鋳鉄品、普通鋳鋼品、ステンレス鋳鋼品、高Ｍｎ鋼品、アルミ合金品、銅合金品等）、鋳物の大きさ、鋳物の肉厚等の鋳造条件に応じて適宜選択できる。人工砂は、３０μｍ未満の砂を発明の効果が阻害されない範囲（例えば、２５重量％以下）で含んでいてもよい。
粒度分布は、ＪＩＳの鋳物砂の粒度試験方法（Ｚ２６０１）に準じて測定した値をいう。この方法を概略説明すると、例えば、ふるいの呼び寸法が３０μｍのふるいの上に１１８０μｍのふるいを重ね、１１８０μｍのふるいの上に原料を載せ、ロータップ型ふるい機のようなふるい分け機械を使用し、２つのふるい間に残ったものを、粒度分布３０〜１１８０μｍの砂と称する。

更に、人工砂は、６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ^２／ｃｍ^３）を有する。例えば、３００〜４２５μｍの範囲の人工砂を例として説明する。この人工砂の平均粒子径は３００μｍと４２５μｍの中間の３６２．５μｍであると仮定すると、表面積は１６５．５〜４９６５．５ｃｍ^２／ｃｍ^３の範囲となる。ここで、表面積が１８０万／ｄ（ｃｍ^２／ｃｍ^３）以上の場合、人工砂表面の凹凸が大きくなり、人工砂相互の接触により人工砂が破砕することによる廃棄物の発生量が増えることがある。この表面積は、比表面積測定器（ＢＥＬＳＯＲＰ２８ＳＡＡＵＴＯＭＡＴＩＣＧＡＳＡＤＳＯＲＰＴＩＯＮＡＰＰＡＲＡＴＵＳ：日本ベル社製）を用いて単位ｇあたりの比表面積を測定し、その比表面積に真密度を積算することで得られた値である。単位体積あたりの表面積は、１６０万／ｄ以下が好ましく、１４５万／ｄ以下がより好ましく、１３０万／ｄ以下が更に好ましく、１１０万／ｄ以下が特に好ましい。

また、人工砂は、丸い粒形を有することが好ましい。具体的には、丸さの指標である粒形係数が１．２以下であることが好ましく、１．１以下であることがより好ましい。１．２以下の場合、鋳型用粘結剤含有砂の鋳型への充填率が向上し、かつ鋳型の通気性が向上する。更に、球に近い形状のため、人工砂相互の接触により生じる廃棄物の発生量を減らすことができる。
なお、上記粒形係数は、砂表面積測定器（ジョージ・フィッシャー社製）を用いて算出した値を意味する。すなわち、粒形係数とは１ｇ当たりの実際の砂粒の表面積を理論表面積で割った値を意味する。理論表面積とは、砂がすべて球であると仮定した場合の表面積をいう。従って、粒形係数が１に近いほど球に近い形状であることを表している。
なお、人工砂と鋳型用粘結剤含有砂の単位体積あたりの表面積、粒形係数及び粒度分布は、ほぼ同じである。

（３）物性
人工砂は、６０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するカルシウムイオン溶出濃度を示す。このカルシウムイオン溶出濃度では、鋳型強度の低下を抑制できる。その理由について、次のように発明者等は推測している。即ち、粘結剤は、樹脂を硬化剤により硬化させることにより得られる。しかし、溶出したカルシウムイオンは、樹脂と結合したり、硬化剤を消費したりすることで樹脂の硬化を妨げている。従って、カルシウムイオン溶出濃度を下げれば、樹脂の硬化が妨げられないので、所定の鋳型強度を実現できる。カルシウムイオン溶出濃度は、できるだけ少ないことが望ましく、４０ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、３０ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましく、２０ｍｇ／Ｌ以下であることが更に好ましく、１０ｍｇ／Ｌ以下であることが特に好ましい。

（４）人工砂の製造方法
上記組成、構成及び物性を有する人工砂は、アルミナとシリカを含む合成ムライト及び／又は合成コランダムの原料を溶融させ、溶融物にエアーを吹き付けることで得ることができる。つまり、溶融物はエアーを吹き付けられることで所定の粒度分布の粒子に溶融状態で風砕され、風砕後、溶融粒子自体の表面張力によって、所定の組成、構成及び物性を有する人工砂となる。溶融方法は特に限定されず、アーク炉、るつぼ炉、誘導電気炉（高周波炉、低周波炉等）、抵抗式電気炉、反射炉、回転炉、真空溶解炉、キュポラ炉等が挙げられる。この内、操作が比較的簡便なアーク炉が好ましい。所定の組成、構成及び物性の調整は、合成ムライトの原料の組成、溶融温度、エアー吹き付け時のエアー速度、溶融物とエアーとの接触角度で調整できる。ここで、溶融温度は、１６００〜２２００℃の範囲であることが好ましく、エアー速度は、８０〜１２０ｍ／ｓｅｃであることが好ましく、接触角度は、６０〜９０°であることが好ましい。なお、エアー吹き付け後、水冷することが好ましい。

人工砂は、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する人工砂でもよい。
鋳造後に生じる鋳型廃砂由来の人工砂は、例えば以下の焙焼工程と磨鉱工程を経ることで得ることができる。
（ｉ）焙焼工程
焙焼工程は、４００〜１０００℃の範囲の温度下で行うことができる。鋳型廃砂を焙焼工程に付すことで、鋳型廃砂に含まれる滑剤及び粘結剤に由来する成分が炭化すると共に一部焼失する。有機物を炭化させることで、次の磨鉱工程で、炭化物を容易に除去して人工砂を得ることができる。
焙焼工程の温度が４００℃より低い場合、十分に炭化できないことがあり、その結果、再生された鋳型用粘結剤含有砂（再生砂）による鋳型強度が低下することがある。また、１０００℃より高い場合、炭化は十分行えるが、再生砂を構成する無機成分の種類によっては、再生砂の表面が溶融することで砂同士が凝集することがある。より好ましい温度範囲は４００〜８００℃、更に好ましい温度範囲は５００〜８００℃である。

焙焼時間は、例えば、０．５〜２．５時間とすることができる。焙焼時間が、０．５時間未満の場合、十分に炭化できないことがあり、その結果、再生砂による鋳型強度が低下することがある。ここで、焙焼時間の上限を２．５時間とした理由は、それ以上の長時間鋳型廃砂を焙焼しても、焙焼による効果を期待できず、燃料の消費により再生コストが掛かることがあるからである。より好ましい焙焼時間は１．５〜２．５時間であり、更に好ましい焙焼時間は１．７５〜２．２５時間である。
焙焼工程の雰囲気は、鋳型廃砂に含まれる粘結剤を炭化できさえすれば、特に限定されず、通常、酸素を含有する雰囲気中（例えば、空気中）で行われる。

焙焼装置は、鋳型廃砂を焙焼できさえすれば、その構成は特に限定されない。焙焼装置内の鋳型廃砂は、流動していてもしていなくてもよいが、均一に焙焼された焙焼砂を得るために、流動していることが好ましい。焙焼装置は、バッチ式でも、連続式でもよい。処理効率を考慮すると、連続式の流動焙焼装置を使用することが好ましい。
連続式の流動焙焼装置には、種々の構成の装置が知られている。例えば、砂が流れる方向と砂を流動させるための空気が流れる方向とが交差する構成の装置、両方向が対向しかつ平行な構成の装置が挙げられる。この内、熱効率を考慮すると後者の装置が好ましい。特に、砂が流れる方向が重力の方向と同じであり、空気が流れる方向が重力の方向と逆方向である構成の装置は、熱効率が高く、焙焼用の燃料を低減できるため好ましい。

砂が流れる方向が重力の方向と同じである上記の装置では、装置上部から鋳型廃砂が投入され、装置内部を落下する。落下した砂は、装置下部から吹き上げる空気により一定位置に流動層として一定時間保持される。一定位置に保持された砂は、バーナーのような加熱手段により一定時間焙焼される。流動層の下部に位置する砂は、流動層の上部に供給される砂により、徐々に位置が下がり、装置底部に焙焼砂として落下することになる。この装置では、流動層内で、既に焙焼された砂の熱を、新たに投入される鋳型廃砂の加熱に使用できるので、熱効率が高いという特徴を有する。

（ｉｉ）磨鉱工程
焙焼工程で得られた焙焼砂は、磨鉱工程に付される。磨鉱工程により、焙焼砂の表面に存在する炭化物を除去することで鋳型廃砂を鋳型用原料としての人工砂に再生できる。
磨鉱は、乾式磨鉱でも、湿式磨鉱でも、両磨鉱を組み合わせてもよい。
乾式法には、砂を高速気流により装置内で上昇させ、衝突板に衝突させることによって、砂粒相互の衝突と摩擦により磨鉱処理するサンドリクレーマー、高速回転するロータ上に砂を投入し、その遠心力で生ずる投射砂と落下する投入砂との間で起こる衝突と摩擦によって磨鉱処理する高速回転するロータリーリクレーマー、砂粒同士の摩擦を利用して磨鉱処理するアジテーターミル等を用いた方法が挙げられる。
一方、湿式法には、例えば、羽を回転させたトラフ内の砂粒相互の摩擦によって磨鉱処理するトラフ磨鉱機を用いた方法が挙げられる。

磨鉱は湿式であることが好ましい。湿式であることで、再生された人工砂からのカルシウムイオン溶出濃度を４０ｍｇ／Ｌ以下に容易に抑制できる。
ところで、滑剤としてステアリン酸カルシウムを使用した従来の鋳型用粘結剤含有砂では、乾式で磨鉱する場合、鋳型廃砂から鋳型用粘結剤含有砂への再生を繰り返すと、鋳型強度が低下するという課題があった。発明者等は、再生を繰り返した人工砂のカルシウムイオン溶出濃度を測定したところ、再生を繰り返すごとに、カルシウムイオン溶出濃度が増加しており、カルシウムイオン溶出濃度と鋳型強度との間に一定の関係が存在することを見い出した。そこで、発明者等は、カルシウムイオンを湿式磨鉱で除去、再生された人工砂へのカルシウムの蓄積を抑制できるので、鋳型強度の低下を防止できることを見い出している。

（ｉｉｉ）その他
（１）焙焼工程に付す前に鋳型廃砂を粉砕機にかけてもよい。粉砕機にかけることで、廃砂の凝集体を解砕できるので、鋳型廃砂から再生砂を取り出す収量を増やすことができる。
（２）焙焼工程に付す前に鋳型廃砂を磁気選別機（マグネットセパレータ）にかけてもよい。磁気選別機にかけることで、廃砂に含まれる鋳造残渣を除去できるので、鋳型廃砂から再生砂を取り出す収量を増やすことができる。

（３）焙焼工程から得られた焙焼砂は、磨鉱工程に付す前に、冷却工程に付すことが好ましい。冷却工程に付すことで、急激な温度変化により、焙焼砂の割れを防ぐことができるので、鋳型廃砂から再生砂を取り出す収量を増やすことができる。冷却工程は、焙焼砂を流動させつつ行うことで、焙焼砂の冷却を均一に行うことができる。
（４）磨鉱工程に付された砂を、分級工程に付すことで、所望の粒度分布の再生砂に分級してもよい。

（鋳型用骨材）
鋳型用骨材は、骨材と、粘結剤と、滑剤とを含む。
（１）骨材
骨材は、上記人工砂を主として含む。人工砂の含有割合は、５０重量％以上であることが好ましく、７０重量％以上であることがより好ましく、９０重量％以上であることが更に好ましい。
上記人工砂以外に含みうる砂としては、例えば、ケイ砂、ジルコン砂、クロマイト砂、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２系砂、及びこれら砂の混合砂等が挙げられる。

（２）粘結剤
粘結剤は、特に限定されず、フラン樹脂、フェノール樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、アルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダー、ベントナイト等が挙げられる。粘結剤は、その種類に応じた硬化剤で硬化できる。フラン樹脂用の硬化剤としては、硫酸、リン酸、リン酸エステル、ピロリン酸等の無機酸、キシレンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸等の有機酸等が挙げられる。アルカリフェノール樹脂用の硬化剤としては、ラクトン類（例えば、プロピオンラクトン）、ギ酸エチル、ギ酸メチル、トリアセチン等の有機エステル等が挙げられる。フェノール樹脂用の硬化剤としては、ヘキサメチレンテトラミン等が挙げられる。フェノールウレタン樹脂用の硬化剤としては、トリエチルアミン、ピリジン系化合物等が挙げられる。ケイ酸ソーダー用の硬化剤としては、炭酸ガス、ダイカルシウムシリケート、有機エステル等が挙げられる。

粘結剤は、骨材１００重量部あたり、０．４〜３重量部含まれていることが好ましい。含有量が０．４重量部未満の場合、骨材間の結合が十分でないため、鋳型強度が低下することがある。含有量が３重量部より多い場合、鋳物の表面に粘結剤由来成分が付着したり、鋳型廃砂から鋳型用粘結剤含有砂の再生に時間がかかったりすることがある。より好ましい含有量は０．４〜２重量部であり、更に好ましい含有量は０．４〜１．５重量部である。
上記表面積を有する人工砂は、天然砂より粘結剤量を少なくすることができる。粘結剤量が少ない場合、カルシウムイオンが鋳型強度を低下させる影響がより大きくなるため、特に本発明の適用が有効である。

（３）滑剤
滑剤は、特に限定されず、当該分野で汎用されているものをいずれも使用できる。例えば、炭素数１０〜２４の高級脂肪酸の金属塩が挙げられる。一般的には、入手容易性、価格等の観点からステアリン酸カルシウムを使用できる。
滑剤は、骨材と粘結剤の合計１００重量部あたり、０．０１〜０．２重量部含まれていることが好ましい。含有量が０．０１重量部未満の場合、鋳型製造の際の鋳型用粘結剤含有砂の流動性が十分でないため、鋳型の製造に時間がかかったり、鋳物の表面に荒れが生じたりすることがある。また、鋳型用粘結剤含有砂が、製品を保存するフレコンバッグ等の内部でブロッキングしてしまう可能性が高くなる。含有量が０．２重量部より多い場合、鋳型強度の低下が生じたり、鋳型廃砂から鋳型用粘結剤含有砂の再生に時間がかかったりすることがある。より好ましい含有量は０．０２〜０．１６重量部、更に好ましい含有量は０．０３〜０．１２重量部、特に好ましい含有量は０．０６〜０．１０重量部である。
なお、鋳型用粘結剤含有砂を構成する滑剤量は、適当な溶剤を用いて滑剤を単離し、単離物を、赤外分光分析法、ガスクロマトグラフィ法、液体クロマトグラフィ法、ＮＭＲ法等の公知の方法で分析することで測定することができる。

（４）鋳型用粘結剤含有砂の製造方法
鋳型用粘結剤含有砂は、公知の方法で製造できる。例えば、骨材となる人工砂をミキサー中で加温及び混合しつつ、ミキサー内に粘結剤を投入することにより、粘結剤と骨材との混合物を得る。ここで、粘結剤が硬化性樹脂を硬化剤で硬化させることで得られる場合、最初に硬化性樹脂をミキサー内に投入し、その後、硬化剤を投入して硬化性樹脂を硬化させることで粘結剤を得ることができる。次いで、ミキサー内に滑剤を投入することにより、粘結剤と骨材との混合物を滑剤と混合できる。なお、粘結剤は、骨材の全表面又は一部表面を被覆していると考えられる。また、滑剤は、粘結剤で被覆された骨材の全表面又は一部表面を被覆していると考えられる。

実施例１
（１）鋳型用骨材の製造
骨材となる人工砂として、エスパール＃６０（山川産業社製：単位体積当たりの表面積３３００ｃｍ^２／ｃｍ^３、粒度分布５３〜６００μｍ、粒形係数１．０３、アルミナとシリカを合計で９４重量％（アルミナ７７重量％及びシリカ２３重量％）含み、合成ムライトを４０重量％、合成コランダムを１０重量％含む）を使用した。この再生に付されていない人工砂を新砂と称する。人工砂を１６０℃に加熱した後、ミキサー（遠州鉄鋼社製ＮＳＣ−１型）に入れ、人工砂の温度を１５０℃に保持した。人工砂１００重量部に対して０．８重量部の樹脂（日立化成社製ノボラック系フェノール樹脂）を添加しつつ人工砂を攪拌することで、樹脂と骨材の混合物を得た。次に、混合物を攪拌しつつ、樹脂１００重量部に対して２０重量部のヘキサメチレンテトラミン（硬化剤）と、骨材１００重量部に対して１．３重量部の水（硬化剤の分散媒）とを添加することで、樹脂を硬化させて粘結剤と骨材との混合物を得た。硬化剤の添加約２０秒後、冷却を開始し、冷却を約２０秒行った。次いで、粘結剤と骨材との混合物を攪拌しつつ、粘結剤と骨材との混合物１００重量部に対して０．０６重量部の滑剤（ステアリン酸カルシウム成分９５重量％以上含有、９５％以上が７５μｍ以下の粒子径を有する：川村化成工業社製）を添加して、約１５秒間攪拌することで、鋳型用粘結剤含有砂（ＲＣＳ）を得た。なお、得られた鋳型用粘結剤含有砂は、目開き１１８０μｍのふるいを使ってダマを除去した。
得られた鋳型用粘結剤含有砂を用いて、以下の手順で曲げ強度を測定した。曲げ強度は、鋳型強度を示す指標とした。

（２）曲げ強度の測定
（ａ）測定用テストピースの作製
ＪＡＣＴ試験法ＳＭ−１曲げ強さ試験法（ＪＩＳＫ６９１０対応）に準じて、テストピースの曲げ強度を測定した。具体的な測定条件を下記する。
深さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ及び長さ６０ｍｍの凹部を５つ有する下金型と、その蓋としての上金型を用意した。下金型と上金型とを２５０℃±３℃に加熱した後、凹部を約５０ｇの鋳型用粘結剤含有砂で満たした。凹部を満たした鋳型用粘結剤含有砂の上面は、平になるように試料かきとり板で均した。この後、下金型と上金型とを合わせて、６０秒間焼成した。焼成後、上金型を取り、下金型の上面に焼成物の上面が合うように、平やすりで焼成物を削った。この後、焼成物を下金型から取り出すことによりテストピースを得た。なお、上金型を開いて、下金型からテストピースを取り出すまでの時間を３０秒とした。
得られたテストピースは、デシケーター内で室温（約２５℃）まで温度を下げ、曲げ強度の測定時までそのままにした。
上記テストピースの作製を３回行ない、１種類の鋳型用粘結剤含有砂につき計１５本のテストピースを得た。

（ｂ）曲げ強度測定
６０°の先端角度、１．５Ｒの最先端の曲率、長さ１０ｍｍ以上の１対の凸部を、長さ方向が平行であり、間隔が５０ｍｍになるように配置したテストピース載置台に、テストピースを載置した。なお、テストピースは、載置台側及びその対向面（上面）側に、平やすりで削った面が位置しないように載置した。
テストピースの上面の中央に、６０°の先端角度及び１．５Ｒの最先端の曲率を有する加圧クサビを用いて荷重を加えた。荷重を加えることで、テストピースが折れた時点の荷重値を記録した。この荷重試験を１５本のテストピース毎に行った。

得られた荷重値から、以下の式により曲げ荷重を算出した。
σｆｂ＝３×ｌ×Ｐ／２×Ｗ×ｈ^２
（式中、σｆｂは曲げ荷重（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、ｌはテストピース載置台の１対の凸部の間隔（５ｃｍ）、Ｐは荷重値（ｋｇｆ）、Ｗはテストピースの幅（１ｃｍ）、ｈはテストピースの高さ（１ｃｍ）である）
曲げ強度（ｋｇｆ／ｃｍ^２）は、１５本の曲げ荷重の平均値とした。

（３）鋳型用粘結剤含有砂の再生
上記曲げ強度を測定したテストピースを粉砕した後、粉砕物をｎ１〜ｎ１０の１０個に分けた。１０個の粉砕物をそれぞれ鋳型用粘結剤含有砂に再生した。再生は、ｎ１〜ｎ５及びｎ９〜ｎ１０について焙焼工程のみとし、ｎ６〜ｎ８について焙焼工程と湿式磨鉱工程の併用とし、再生後に曲げ強度を測定した。但し、各焙焼工程前に１０重量％の新砂を追加した。
なお、焙焼工程は、図１に示すＪＦＥ継手焙焼炉（ＪＦＥ継手社製ＪＴＲ−Ｇ−１型）を使用し、焙焼温度を６００℃、焙焼炉内流動差圧を４．５ＭＰａ、砂投入量を２．５ｔ／時間の条件で行った。なお、この条件では、鋳型廃砂の実処理時間は約１時間であった。図１中、１は焙焼炉、２は粉砕物投入口、３はバーナー、４は流動床、５は熱交換器、６は砂流動用空気入口、７は冷却用空気入口、８は流動クーラー、９は砂排出バルブ、１０は空気ノズル、１１は流動差圧計、１２は排ガス出口を意味する。
湿式磨鉱工程は、図２に示すトラフ磨鉱機（直径６０９．４ｍｍ×長さ１５１７ｍｍ、８枚の攪拌羽根（インペラー）、山川産業社製）を使用し、負荷電流を１３０Ａ、砂投入量を５ｔ／時間、投入砂に対する水分量を５〜１０重量％、攪拌羽根の回転数を８６ｒｐｍ／分、攪拌羽根の取り付け角度を４５°、攪拌羽根１枚の面積を４９１００ｍｍ^２とする条件で行った。この条件では、焙焼砂の実処理時間は１０〜２０分間である。図２中、２１はトラフ磨鉱機、２２はトラフ、２３は攪拌羽根、２４は焙焼砂投入口、２５は再生砂排出口、２６はバネ、２７は蓋、２６はモーター、２８は継手、２９は回転軸、３０は減速機を意味する。

（４）再生された鋳型用粘結剤含有砂からの曲げ強度の測定
工程（１）と同様にして鋳型用粘結剤含有砂を製造し、工程（２）と同様にして曲げ強度を測定した。得られた曲げ強度を表１に示す。
また、表１には、新砂及び再生された人工砂のカルシウムイオン溶出濃度を併せて示す。カルシウムイオン溶出濃度の測定は、以下の手順で行った。
なお、単位体積当たりの表面積、粒度分布、粒形係数、アルミナとシリカの含有割合は、再生された骨材と新砂とでほぼ同じであった。

（イオン溶出濃度）
（１）内標準溶液及び標準溶液の作製
・内標準溶液（Ｙ：５０ｍｇ／Ｌ）
関東化学社製イットリウム標準原液（Ｙ：１０００ｍｇ／Ｌ、原子吸光分析用）２５ｍＬを全量フラスコ５００ｍＬにとり、精製水を標線まで加えた。
・標準溶液（Ｃａ：１００ｍｇ／Ｌ）
関東化学社製ＩＣＰ発光分光分析用標準溶液ＩＶ（Ｃａ：１０００ｍｇ／Ｌ）１０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、精製水を標線まで加えた。
・標準溶液（Ｃａ：１０ｍｇ／Ｌ）
標準溶液（Ｃａ：１００ｍｇ／Ｌ）１０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、精製水を標線まで加えた。
・標準溶液（Ｃａ：１ｍｇ／Ｌ）
標準溶液（Ｃａ：１０ｍｇ／Ｌ）１０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、精製水を標線まで加えた。
・標準溶液（Ｃａ：０．１ｍｇ／Ｌ）
標準溶液（Ｃａ：１ｍｇ／Ｌ）１０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、精製水を標線まで加えた。
・標準溶液（Ｃａ：０．０１ｍｇ／Ｌ）
標準溶液（Ｃａ：０．１ｍｇ／Ｌ）１０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、精製水を標線まで加えた。

（２）検量線の作成（測定範囲Ｃａ：０〜１０ｍｇ／Ｌ）
内標準溶液（Ｙ：５０ｍｇ／Ｌ）２０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、標準溶液（Ｃａ：１０ｍｇ／Ｌ）、標準溶液（Ｃａ：１ｍｇ／Ｌ）、標準溶液（Ｃａ：０．１ｍｇ／Ｌ）、標準溶液（Ｃａ：０．０１ｍｇ／Ｌ）をそれぞれ標線まで加えた。併せて、別に空試験として内標準溶液（Ｙ：５０ｍｇ／Ｌ）２０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、精製水を標線まで加えた標準溶液を調整した。これらを島津製作所社製ＩＣＰ発光分析装置（ＩＣＰＳ−８１００）にて測定し、カルシウムイオン濃度と指示値との関係線（検量線）を作成した。

（３）試料溶液の調整
供試砂５０ｇを３００ｍＬポリエチレン製ビーカーにとり、精製水５０ｍＬ及び０．１ｍｏｌ／Ｌ塩酸溶液５０ｍＬを加えマグネチックスターラーにて１時間攪拌する。攪拌後、ＪＩＳＰ３８０１ろ紙（化学分析用）に規定されたガラス繊維ろ紙によりろ過した。ろ過後、溶液を再度、ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製メンブランフィルター（孔径０．４５μｍ）にて吸引ろ過し、試料溶液（原液）とした。併せて、別に空試験として３００ｍＬポリエチレン製ビーカーに精製水５０ｍＬ及び０．１ｍｏｌ／Ｌ塩酸溶液５０ｍＬをとり、同様の操作を行った。

（４）試料溶液の測定
内標準溶液（Ｙ：５０ｍｇ／Ｌ）１０ｍＬを全量フラスコ５０ｍＬにとり、試料溶液（原液）を標線まで加え、島津製作所社製ＩＣＰ発光分析装置（ＩＣＰＳ−８１００）にて測定した。得られたカルシウムイオン濃度と空試験の濃度の差をカルシウムイオン溶出濃度とした。なお、カルシウムイオン濃度が検量線の測定範囲を超える場合には、測定範囲内となるように試料溶液（原液）を精製水にて希釈、調整し、試料溶液（希釈液）を得、内標準溶液（Ｙ：５０ｍｇ／Ｌ）１０ｍＬを全量フラスコ５０ｍＬにとり、試料溶液（希釈液）を標線まで加え、再度、島津製作所社製ＩＣＰ発光分析装置（ＩＣＰＳ−８１００）にて測定し、カルシウムイオン濃度を得た。試料溶液（希釈液）を測定した場合には、得られたカルシウムイオン濃度と希釈率の積より空試験の濃度を差し引いた値をカルシウムイオン溶出濃度とした。

表１に基づいた曲げ強度とカルシウムイオン溶出濃度（対０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液）との関係を、図３に示す。
表１及び図３から、曲げ強度は、カルシウムイオン溶出濃度の増加と共に低下しているが、溶出量が６０ｍｇ／Ｌ以下で一定となる傾向がみられる。そのため、カルシウムイオンは、粘結剤製造時の樹脂の硬化に何らかの悪影響（例えば、硬化剤のこれらイオンでの消費、樹脂の硬化部位へのこれらイオンのキレート反応による樹脂の高分子量化）を与えていることが推察される。

実施例２
再生を繰り返した人工砂のカルシウムイオン溶出濃度と曲げ強度との関係を調べた。具体的には、再生を焙焼のみとした場合と焙焼後、湿式磨鉱とした場合について、それぞれ人工砂のカルシウムイオン溶出濃度を実施例１と同様にして測定し、鋳型用粘結剤含有砂の曲げ強度を実施例１と同様にして測定した。結果を表２に示す。表２には新砂のカルシウムイオン溶出濃度と鋳型用粘結剤含有砂の曲げ強度を併せて示す。焙焼及び湿式磨鉱の条件、鋳型用粘結剤含有砂の製造条件は実施例１と同様とした。

表２に基づいて、曲げ強度及びカルシウムイオン溶出濃度（対０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液）（縦軸）と再生繰り返し数（横軸）との関係を、図４に示す。図４の棒グラフの縦軸は曲げ強度を表し、各再生回数における左側の棒グラフが焙焼のみで再生した鋳型用粘結剤含有砂の、右側の棒グラフが焙焼と湿式磨鉱で再生した鋳型用粘結剤含有砂の曲げ強度を意味する。また、折れ線グラフはカルシウムイオン溶出濃度を表し、△のプロットが焙焼のみで再生した人工砂の、○のプロットが焙焼と湿式磨鉱で再生した人工砂のカルシウムイオン溶出濃度を意味する。
図４から曲げ強度は、カルシウムイオン溶出濃度の増加と共に低下しているが、溶出量が６０ｍｇ／Ｌ以下で一定となる傾向がみられる。溶出量が６０ｍｇ／Ｌ以下に維持するには、鋳型用粘結剤含有砂の再生工程に湿式磨鉱が含まれることが好適であることが判る。

１焙焼炉、２粉砕物投入口、３バーナー、４流動床、５熱交換器、６砂流動用空気入口、７冷却用空気入口、８流動クーラー、９砂排出バルブ、１０空気ノズル、１１流動差圧計、１２排ガス出口、２１トラフ磨鉱機、２２トラフ、２３攪拌羽根、２４焙焼砂投入口、２５再生砂排出口、２６バネ、２７蓋、２８継手、２９回転軸、３０減速機、３１モーター

かくして本発明によれば、鋳型用粘結剤含有砂の原料として使用される人工砂であって、
前記人工砂が、アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライト及び／又は合成コランダムを主とし、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ²／ｃｍ³）を有し、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来し、かつ０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液中で１時間撹拌させた後の溶液において６０ｍｇ／Ｌ以下のカルシウムイオン溶出濃度を示すように調整されてなることを特徴とする人工砂が提供される。
また、本発明によれば、人工砂を主とする骨材と、粘結剤と、滑剤とを含む鋳型用骨材であって、前記人工砂が上記人工砂であることを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂が提供される。

Claims

鋳型用粘結剤含有砂の原料として使用される人工砂であって、
前記人工砂が、アルミナ４０〜９０重量％、シリカ６０〜１０重量％の合成ムライト及び／又は合成コランダムを主とし、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有し、６万／ｄ〜１８０万／ｄ（ｄは球状物の平均粒子径（μｍ））の範囲の単位体積あたりの表面積（ｃｍ^２／ｃｍ^３）を有し、かつ６０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するカルシウムイオン溶出濃度を示すことを特徴とする人工砂。
前記人工砂が、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する人工砂である請求項１に記載の人工砂。
前記人工砂が、１．２以下の粒形係数を有する請求項１又は２に記載の人工砂。
人工砂を主とする骨材と、粘結剤と、滑剤とを含む鋳型用粘結剤含有砂であって、前記人工砂が請求項１〜３のいずれか１つに記載の人工砂であることを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂。
前記粘結剤が、フラン樹脂、フェノール樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、アルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダー及びベントナイトから選択され、前記滑剤がステアリン酸カルシウムである請求項４に記載の鋳型用粘結剤含有砂。
前記粘結剤が、前記骨材１００重量部に対して、０．４〜３重量部含まれ、前記滑剤が、前記骨材と粘結剤の合計１００重量部に対して、０．０１〜０．２重量部含まれる請求項５に記載の鋳型用粘結剤含有砂。