JP2019107676A - 鋳型用粘結剤含有砂、その製造用の原料砂、鋳型及び原料砂の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋳型強度の低減が抑制された鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料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製造用の原料砂であって、前記原料砂が、１４０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するナトリウムイオン溶出濃度を示し、前記原料砂が、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する人工砂及び／又は天然砂であることを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂により上記課題を解決する。【選択図】図３

Description

本発明は、鋳型用粘結剤含有砂、その製造用の原料砂、鋳型及び原料砂の製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、鋳型強度の低減が抑制された鋳型用粘結剤含有砂、その製造用の原料砂、鋳型及び原料砂の製造方法に関する。

鋳物工業において鋳型を作る造型法の一つとして、例えばシェルモールド法のような有機系造型法がある。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（砂）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、滑剤には、ステアリン酸カルシウムが一般的に使用されている。
シェルモールド法では、粘結剤と硬化剤とに臭気の強い有機物が使用される。この臭気は、作業環境及び工場周辺の環境に好ましくない影響を与えることがあった。

有機系造型法以外に、粘結剤にケイ酸ソーダ（所謂、水ガラス）を使用する無機系造型法がある。無機系造型法は、臭気の少ない粘結剤を使用するため、作業環境等を良好に保つことが可能である。
ところで、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から原料砂を再生して、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。
無機系造型法に使用された鋳型廃砂は、再生することが困難であるとされていた。しかし、鋳型用粘結剤含有砂の製造時及び造型時の臭気を低減することが近年強く求められるようになり、再生技術の提案がなされるようになってきている（例えば、特表２０１０−５１９０４２号公報：特許文献１、特開２０１５−５１４４６号公報：特許文献２）。
特許文献１の実施例では、粉砕と熱処理により、特許文献２の実施例では、水中での攪拌により、鋳型廃砂から原料砂への再生が行われている。

特表２０１０−５１９０４２号公報 特開２０１５−５１４４６号公報

本発明の発明者等は、特許文献１及び２の技術を想定した実験を行ってみた。しかし、その想定実験により再生された原料砂から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、再生された原料砂から製造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、原料砂から０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液へのナトリ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、ナトリ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、ナトリウムイオン溶出濃度が一定値の範囲内の原料砂を鋳型用粘結剤含有砂が含むことで、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製造用の原料砂であって、
前記原料砂が、１４０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するナトリウムイオン溶出濃度を示し、
前記原料砂が、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する人工砂及び／又は天然砂であることを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂が提供される。
また、本発明によれば、骨材と、粘結剤とを含む鋳型用粘結剤含有砂であって、前記骨材が上記原料砂を含み、前記粘結剤が無機酸のナトリウム塩を含むことを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂が提供される。

更に、本発明によれば、上記鋳型用粘結剤含有砂に由来し、鋳物の形状に対応する空間を囲う骨材と前記骨材を互いに固着する粘結剤とから構成されることを特徴とする鋳型が提供される。
また、本発明によれば、上記鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂の製造方法であって、鋳造後に生じる鋳型廃砂を、乾式磨鉱工程、湿式磨鉱工程及び焙焼工程の順に付すことで原料砂に再生することを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂の製造方法が提供される。

本発明によれば、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の製造用の原料砂を提供できる。なお、発明者等は、鋳型工業の分野において、ナトリ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の製造用の原料砂を提供できる。
（ａ）鋳型廃砂が、無機酸のナトリウム塩を含む粘結剤を使用した鋳型用粘結剤含有砂に由来する。
（ｂ）粘結剤が、ケイ酸ソーダを含む。
（ｃ）ナトリウムイオン溶出濃度が、５０〜１３０ｍｇ／Ｌである。
（ｄ）原料砂が、１．３５以下の粒形係数を有する
更に、無機酸のナトリウム塩が、ケイ酸ソーダであり、原料砂１００質量部に対して、０．８〜２質量部含まれる場合、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。

実施例１に使用した焙焼炉の概略説明図である。 実施例１に使用したトラフ磨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ナトリウムイオン溶出濃度との関係を示すグラフである。

（原料砂）
原料砂は、骨材と、粘結剤とを含む鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料として使用される。加えて、原料砂は、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する人工砂及び／又は天然砂である。つまり、本明細書での原料砂は、再生砂であるともいえる。
原料砂は、１４０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するナトリウムイオン溶出濃度を示す。このナトリ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、ナトリウムイオン溶出濃度が１４０ｍｇ／Ｌより多いことは、粘結剤由来成分が再生された原料砂の表面に多く残存していることを意味している。そのため、原料砂の凹凸が粘結剤由来成分により多くかつ大きくなる。この原料砂を用いて鋳型を作製した場合、骨材（原料砂由来）間の粘結剤の膜厚が薄くなる。その結果、鋳型強度が低下することになる。また、原料砂の凹凸が多くかつ大きくなることにより、骨材の充填性も低下することになる。
原料砂のナトリウムイオンは、主として粘結剤（特に、ケイ酸ソーダ）に由来するため、鋳型廃砂から再生により原料砂を得る際の経済的な観点から、その溶出濃度は５０ｍｇ／Ｌ以上であることが好ましい。５０ｍｇ／Ｌ以上とすることで、過再生による原料砂の割れのような変形に由来する骨材の充填密度の低下及び鋳型強度の低下を抑制できる。
ナトリウムイオン溶出濃度は、５０〜１３０ｍｇ／Ｌであることが好ましく、６０〜１２０ｍｇ／Ｌであることがより好ましく、７０〜１１０ｍｇ／Ｌであることが更に好ましく、８０〜１００ｍｇ／Ｌであることが特に好ましい。

原料砂は、廃棄される鋳型廃砂量を減少させる観点から、通常、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する砂である。
原料砂は、人工砂及び／又は天然砂である。人工砂及び天然砂は、特に限定されず、アルミナ砂、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。アルミナ砂には、Ａｌ_２Ｏ_３以外にＳｉＯ_２、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。
特に、人工砂は、天然砂より価格が高く、より再生が望まれているため、原料砂は鋳型廃砂に由来する人工砂であることが望まれる。人工砂の中でも、Ａｌ_２Ｏ_３とＳｉＯ_２とを含む合成ムライト及び／又は合成コランダムを含むアルミナ砂としての人工砂であってもよい。合成ムライト及び合成コランダムは、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）４０〜９０質量％、シリカ（ＳｉＯ_２）６０〜１０質量％から構成されていてもよい。またアルミナとシリカの割合は、それぞれ４０〜９０質量％と６０〜１０質量％であってもよい。合成ムライト及び合成コランダムには、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質量％以上とすることができる。

原料砂は、３０〜１１８０μｍの粒度分布を有することが好ましい。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。より好ましい粒度分布は、２１２〜１１８０μｍ、１５０〜８２０μｍ、１０６〜６００μｍ、７５〜４２５μｍ、５３〜３００μｍ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質量％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。

また、原料砂は、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１．３５以下であることが好ましく、１．２以下であることがより好ましく、１．１以下であることが更に好ましい。１．３５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、原料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、原料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。

更に、原料砂は、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）を有することが好ましい。例えば、３００〜４２５μｍの範囲の原料砂を例として説明する。この原料砂の平均粒子径は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、原料砂表面の凹凸が大きくなり、原料砂相互の接触により原料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（ＢＥＬＳＯＲＰ ２８ＳＡ ＡＵＴＯＭＡＴＩＣ ＧＡＳ ＡＤＳＯＲＰＴＩＯＮ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ：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以下がより好ましく、１４５万／ｄ以下が更に好ましく、１３０万／ｄ以下が特に好ましく、１１０万／ｄ以下が格別好ましい。

人工砂は、種々の方法で製造できる。例えば、アルミナ砂の場合、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。

鋳造後に生じる鋳型廃砂由来の原料砂の製造方法は、所定の範囲のナトリウムイオン溶出濃度の原料砂を得ることができさえすれば特に限定されない。例えば以下の磨鉱工程と焙焼工程を経ることで得ることができる。
（ｉ）磨鉱工程
磨鉱工程により、鋳型廃砂の表面に存在する粘結剤（例えば、水ガラス）由来成分を除去する。
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ー上に砂を投入し、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。
磨鉱は乾式と湿式とをこの順で組み合わせることが好ましい。組み合わせることで、再生された砂からのナトリウムイオン溶出濃度を所定範囲に容易に調整できる。磨鉱時間は、例えば５分〜２時間とし得る。

（ｉｉ）焙焼工程
磨鉱工程で得られた磨鉱砂は、焙焼工程に付される。
焙焼工程は、４００〜１０００℃の範囲の温度下で行うことができる。磨鉱砂を焙焼工程に付すことで、磨鉱砂に含まれる粘結剤に由来する成分を硬化できる。硬化させることで、ナトリウムイオンの溶出が抑制された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、十分に硬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、硬化は十分行えるが、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、十分に硬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、それ以上の長時間磨鉱砂を焙焼しても、焙焼による効果の向上を期待できず、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、磨鉱砂に含まれる粘結剤を硬化できさえすれば、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、磨鉱砂を焙焼できさえすれば、その構成は特に限定されない。焙焼装置内の磨鉱砂は、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、装置上部から磨鉱砂が投入され、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、新たに投入される磨鉱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。

（ｉｉｉ）その他
（１）磨鉱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）磨鉱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）焙焼工程に付された砂（焙焼砂）を、冷却工程に付すことが好ましい。
（４）焙焼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、粘結剤とを含む。
（１）骨材
骨材は、上記原料砂を主として含む。原料砂の含有割合は、５０質量％以上であることが好ましく、７０質量％以上であることがより好ましく、９０質量％以上であることが更に好ましい。
上記原料砂以外に含みうる砂としては、新砂や、ナトリウムイオン溶出濃度未調整の砂が挙げられる。

（２）粘結剤
粘結剤は、無機酸のナトリウム塩を含むことが好ましい。粘結剤は、無機酸のナトリウム塩以外に、粘土、シリカゾルや、ナトリウム塩以外の硫酸塩、リン酸塩、硝酸塩等を含んでいてもよい。粘着剤は、無機酸のナトリウム塩を５０質量％以上含むことが好ましく、無機酸のナトリウム塩のみからなることがより好ましい。
無機酸のナトリウム塩としては、ケイ酸ソーダ（水ガラス）が好ましい。ケイ酸ソーダは、一般式：Ｎａ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂（ｎは０．５〜４．０を表す。）で表される。具体的には、ケイ酸ソーダとしては、ナトリウム酸化物と二酸化ケイ素とのモル比（上記一般式におけるｎの値）によって、分類され、オルトケイ酸ソーダ［Ｎａ_４ＳｉＯ_４（Ｎａ_２Ｏ・０．５ＳｉＯ_２：ｎ＝０．５）］、メタケイ酸ソーダ［Ｎａ_２ＳｉＯ_３（Ｎａ_２Ｏ・ＳｉＯ_２：ｎ＝１）］、ケイ酸ソーダ１号［Ｎａ_２Ｓｉ_２Ｏ_５（Ｎａ_２Ｏ・２ＳｉＯ_２：ｎ＝２）］、ケイ酸ナトリウム２号［Ｎａ_４Ｓｉ_５Ｏ_１２（Ｎａ_２Ｏ・２．５ＳｉＯ_２：ｎ＝２．５）］、ケイ酸ソーダ３号［Ｎａ_２Ｓｉ_３Ｏ_７（Ｎａ_２Ｏ・３ＳｉＯ_２：ｎ＝３）］、ケイ酸ソーダ４号［Ｎａ_２Ｓｉ_４Ｏ_９（Ｎａ_２Ｏ・４ＳｉＯ_２：ｎ＝４）］等が挙げられる。

粘結剤は、骨材１００質量部あたり、０．５〜７質量部含まれていることが好ましい。含有量が０．５質量部未満の場合、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７質量部より多い場合、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０．８〜５質量部であり、更に好ましい含有量は０．８〜２．５質量部である。
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。そのため、ナトリウムイオン溶出濃度を上記範囲に容易に調整できる。
特に、粘結剤が無機酸のナトリウム塩としてのケイ酸ソーダである場合、粘結剤は、原料砂１００質量部に対して、０．８〜２質量部含まれることが好ましい。含有量は、１〜１．５質量部であることがより好ましく、１．１〜１．４質量部であることが更に好ましい。

（３）促進剤
鋳型用粘結剤含有砂は、無機酸のナトリウム塩の硬化を促進させるための促進剤を含んでいてもよい。例えば、ケイ酸ソーダ用の促進剤としては、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化亜鉛等が挙げられる。これら促進剤は、ケイ酸ソーダを構成するシラノール基と反応することで、ケイ酸ソーダの硬化を促進すると考えられる。
促進剤は、効果促進の効率を高めるために、微粒子状であることが好ましい。その粒径は、例えば、３００μｍ以下としてもよい。
（４）硬化剤
鋳型用粘結剤含有砂は、無機酸のナトリウム塩を硬化させるための硬化剤を含んでいてもよい。例えば、ケイ酸ソーダ用の硬化剤としては、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。
なお、ケイ酸ソーダ用の硬化剤としては、炭酸ガスも使用でき、炭酸ガスを使用する場合は、鋳型用粘結剤含有砂は予め硬化剤を含まなくてもよい。

（５）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、鋳型用粘結剤含有砂が促進剤及び／又は硬化剤を含む場合、最初に促進剤及び／又は硬化剤をミキサー内に投入し、その後、粘結剤を投入することができる。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。
粘結剤は、溶液の形態でミキサー中に投入されてもよい。粘結剤が、例えば、ケイ酸ソーダである場合は、水溶液の形態を取り得る。水溶液中には、吸湿剤としてナトリウム含有物が含まれていてもよく、シリコンオイルのような界面活性剤が含まれていてもよい。

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質量％（アルミナ７７質量％及びシリカ２３質量％）含み、合成ムライトを４０質量％、合成コランダムを１０質量％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。人工砂をケンウッドミキサーに入れ、人工砂１００質量部に対して０．６５質量部の促進剤（ＡＳＫケミカルズ社製プロモーターＴＣ５０００：粉体）を添加し人工砂を攪拌(ミキサー回転１００ｒｐｍ、攪拌時間４５秒)することで、促進剤と骨材の混合物を得た。次に骨材１００質量部に対して１．２質量部の粘結剤（ＡＳＫケミカルズ社製イノテックＨＣ２０００：液状）を添加し人工砂を攪拌（ミキサー回転１００ｒｐｍ、攪拌時間４５秒）することで促進剤と粘結剤と骨材の混合物（鋳型用粘結剤含有砂）を得た。
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（試験片）の作製
ＪＡＣＴ試験法ＳＭ−１曲げ強さ試験法（ＪＩＳ Ｋ ６９１０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２５．４ｍｍ、幅２５．４ｍｍ及び長さ１３０ｍｍの凹部を２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１１０℃±３℃に加熱した後、凹部を約１８０ｇの鋳型用粘結剤含有砂で満たした。ホットエアーブロー（温度２００℃、圧力０．３ＭＰａ×４０秒）により、２個の曲げ強度試験用のテストピースを作製し、１時間後に各測定法でその強度を測定して、個々のテストピースの曲げ強度を得た。

（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１００ｍｍ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。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２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（ＭＰａ）、Ｌはテストピース載置台の１対の凸部の間隔（１０ｃｍ）、Ｐは荷重値（Ｎ）、Ｗはテストピースの幅（２．５４ｃｍ）、ｈはテストピースの高さ（２．５４ｃｍ）である）
曲げ強度（ＭＰａ）は、２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
再生は、乾式磨鉱工程、湿式磨鉱工程、焙焼工程を表１に記載のように組み合わせて行った。
乾式磨鉱工程は流動層を具備した乾式鋳物砂再生装置（日本鋳造社製ハイブリッドサンドマスター形式ＨＳＭ１３４０）を使用し、砂投入量で３００ｋｇのバッチ処理、ローター２１２の回転数２４００ｒｐｍの条件で行った。
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４５０〜５５０℃、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。図中、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質量％、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。図中、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、２８は継手、２９は回転軸、３０は減速機、３１はモーターを意味する。

（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、未再生砂（鋳型廃砂）、新砂及び再生された人工砂のナトリウムイオン溶出濃度を併せて示す。ナトリウムイオン溶出濃度の測定は、以下の手順で行った。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、再生された人工砂と新砂とでほぼ同じであった。
なお、鋳型廃砂は、実際に鋳物の製造に使用した廃砂ではなく、その製造を想定した模擬砂を使用した。模擬砂は、以下のようにして得た。
まず、上記（１）鋳型用骨材の製造と同様にして、新砂から鋳型用粘結剤含有砂を得た。この鋳型用粘結剤含有砂を用い、上記（２）（ａ）測定用テストピース（試験片）の作製と同様にして、テストピースを得た。このテストピースを上記（３）鋳型用粘結剤含有砂の再生と同様に乾式磨鉱工程、湿式磨鉱工程、焙焼工程に付して再生砂（この再生砂を再生砂１と称する）を得た。なお、乾式磨鉱時間は１５分、焙焼温度は３００℃とした。
次に、再生砂１を、上記新砂と同様にして、鋳型用骨材の製造、テストピース作製、鋳型用粘結剤含有砂の再生を８回繰り返すことで、再生砂９を得た。
更に、再生砂９を、上記新砂と同様にして、鋳型用骨材の製造、テストピース作製に付し、得られたテストピースを約３ｍｍ以下の径の解砕片になるまで解砕することで、模擬砂を得た。

（ナトリウムイオン溶出濃度）
（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（Ｎａ：１００ｍｇ／Ｌ）
関東化学社製ＩＣＰ発光分光分析用標準溶液ＩＶ（Ｎａ：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（Ｎａ：２０ｍｇ／Ｌ）
標準溶液（Ｎａ：１００ｍｇ／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（Ｎａ：１０ｍｇ／Ｌ）
標準溶液（Ｎａ：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（Ｎａ：１ｍｇ／Ｌ）
標準溶液（Ｎａ：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。

（２）検量線の作成（測定範囲Ｎａ：０〜２０ｍｇ／Ｌ）
内標準液（Ｙ：５０ｍｇ／Ｌ）２０ｍＬを全量フラスコ１００ｍＬにとり、標準溶液（Ｎａ：２０ｍｇ／Ｌ）、標準溶液（Ｎａ：１０ｍｇ／Ｌ)、標準溶液（Ｎａ：１ｍｇ／Ｌ）をそれぞれ標線まで加えた。併せて、別に空実験として内標準液（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。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発光分光装置（ＩＣＰＳ−８１００）にて測定し、ナトリウムイオン溶出濃度と指示値との関係線（検量線）を作成した。

（３）試料溶液の調製
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、ＪＩＳ Ｐ ３８０１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。得られたナトリウムイオン濃度と空試験の濃度の差をナトリウムイオン溶出濃度とした。なお、ナトリウムイオン溶出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、ナトリウムイオン溶出濃度を得た。試料溶液（希釈液）を測定した場合には、得られたナトリ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ナトリウムイオン溶出濃度とした。
上記測定により得られた結果を表１に示す。また、表１の結果を図３にも示す。

表１及び図３から、ナトリウムイオン溶出濃度と曲げ強度に一定の関係が示され、ナトリウムイオン溶出濃度が２３〜１４０ｍｇ／Ｌで、鋳型の適正曲げ強度である３．８ＭＰａ以上を得られる傾向が確認された。このことより、ナトリウムイオン溶出濃度の減少は、鋳型廃砂表面に残留している粘結剤が一定量剥離され、良好な再生砂が得られることを表している。

実施例２
促進剤を使用しないこと以外は実施例１と同様にして鋳型用粘結剤含有砂を得た。得られた鋳型用粘結剤含有砂を用いて、実施例１と同様にして、テストピースを作製し、このテストピースを用いて新砂の曲げ強度を測定した。測定後、テストピースを実施例１と同様にして再生に付した（再生条件：乾式磨鉱３０ｍｉｎ＋湿式磨鉱＋焙焼５５０℃）。再生された人工砂を用いて、実施例１と同様にして曲げ強度を測定した。また、実施例１と同様にして、新砂と再生された人工砂のナトリウムイオン溶出濃度を測定した。上記測定により得られた結果を表２に示す。

表２から、実施例１と同様に、ナトリウムイオン溶出濃度が２３〜１４０ｍｇ／Ｌで、鋳型の適正曲げ強度である３．８ＭＰａ以上を得られる傾向が確認された。

実施例３
粘結剤を１．５質量部の東曹産業社製１号ケイ酸ソーダＮ２に変更し、促進剤を使用しないこと以外は実施例１と同様にして鋳型用粘結剤含有砂を得た。得られた鋳型用粘結剤含有砂を用いて、実施例１と同様にして、テストピースを作製し、このテストピースを用いて新砂の曲げ強度を測定した。測定後、テストピースを実施例１と同様にして再生に付した（再生条件：乾式磨鉱３０ｍｉｎ＋湿式磨鉱＋焙焼５５０℃）。再生された人工砂を用いて、実施例１と同様にして曲げ強度を測定した。また、実施例１と同様にして、新砂と再生された人工砂のナトリウムイオン溶出濃度を測定した。上記測定により得られた結果を表３に示す。

表３から、実施例１と同様に、ナトリウムイオン溶出濃度が２３〜１４０ｍｇ／Ｌで、鋳型の適正曲げ強度である３．８ＭＰａ以上を得られる傾向が確認された。

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

Claims (9)

1. 鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂であって、
   前記原料砂が、１４０ｍｇ／Ｌ以下の０．０５Ｍ−ＨＣｌ水溶液に対するナトリウムイオン溶出濃度を示し、
   前記原料砂が、鋳造後に生じる鋳型廃砂に由来する人工砂及び／又は天然砂であることを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂。
2. 前記鋳型廃砂が、無機酸のナトリウム塩を含む粘結剤を使用した鋳型用粘結剤含有砂に由来する請求項１に記載の鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂。
3. 前記粘結剤が、ケイ酸ソーダを含む請求項１又は２に記載の鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂。
4. 前記ナトリウムイオン溶出濃度が、５０〜１３０ｍｇ／Ｌである請求項１〜３のいずれか１つに記載の鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂。
5. 前記原料砂が、１．３５以下の粒形係数を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂。
6. 骨材と、粘結剤とを含む鋳型用粘結剤含有砂であって、前記骨材が請求項１〜５のいずれか１つに記載の原料砂を含み、前記粘結剤が無機酸のナトリウム塩を含むことを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂。
7. 前記無機酸のナトリウム塩が、ケイ酸ソーダであり、前記原料砂１００質量部に対して、０．８〜２質量部含まれる請求項６に記載の鋳型用粘結剤含有砂。
8. 請求項６又は７に記載の鋳型用粘結剤含有砂に由来し、鋳物の形状に対応する空間を囲う骨材と前記骨材を互いに固着する粘結剤とから構成されることを特徴とする鋳型。
9. 請求項１〜６のいずれか１つに記載の鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂の製造方法であって、鋳造後に生じる鋳型廃砂を、乾式磨鉱工程、湿式磨鉱工程及び焙焼工程の順に付すことで原料砂に再生することを特徴とする鋳型用粘結剤含有砂の製造用の原料砂の製造方法。

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