JP2022034338A - Artificial sand formed by melt air-granulation method, and production method thereof - Google Patents

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Abstract

To provide artificial sand in the foundry industry formed by a melt air-granulation method serving as foundry sand with high grain strength that can be used semi-permanently without being crushed by stress received in a foundry process.SOLUTION: The grain strength of ceramic artificial sand is increased by controlling macroscopic internal pore defects and microscopic structural heterogeneity, which dominate fractures of the ceramic artificial sand. The artificial sand with composition of an SiO2-Al2O3 based equilibrium diagram with the primary crystal being mullite is controlled macroscopically such that the number of grains including pore defects of 10 μm or more in the cross section of the artificial sand is 25% or less, and microscopically such that the matrix has no recognizable grain boundary and no recognizable gap of 1 μm or more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は鋳造製品の製造に用いられる鋳物砂である溶融風砕法人工砂の製造方法に係わる。 The present invention relates to a method for producing artificial sand by a melt wind crushing method, which is a cast sand used for producing a cast product.

鋳造製品は世界で約1億t/年製造され、日本では約500万t/年製造されている。鋳造製品の大部分は鉄系鋳物であり、次いでアルミニウム合金鋳物である。鋳物砂に粘結剤などを添加した鋳型砂は、鋳造製品を製造するために鉄系鋳物では3~10倍の量が必要であり、アルミニウム合金鋳物では中子用などにおよそ等倍の量が必要である。鋳型砂は再生して繰り返し使用するが、鋳仕上げ工程で製品に付着したものがショット処理で粉砕されたり、鋳型砂の粘結剤を除去する再生工程で破砕されたりして、造型プロセスにより5~30%がダストとなる。これらは産業廃棄物として廃棄される。破砕が原因の産業廃棄物発生を低減するために、従来、使用されている石英(モース硬度7)が主成分の硅砂から、破砕されにくいムライト(モース硬度7.5)系やコランダム(モース硬度9)系の人工砂(セラミックサンドとも呼ばれている)が開発されてきた。
しかしながら、人工砂はセラミックスの製法によるもので、セラミックスは内部に欠陥や不均質があるとその部位が破壊の起点となり、破砕されやすいものとなる。既に上市されている人工砂は、これらの欠陥や不均質が多く必ずしも硅砂より硬いとは限らない。そこで、これらの内部欠陥や不均質を改善することが鋳造業界では急務の課題となっている。
Casting products are manufactured around 100 million tons / year in the world and about 5 million tons / year in Japan. The majority of cast products are iron-based castings, followed by aluminum alloy castings. Mold sand, which is made by adding a binder to casting sand, requires 3 to 10 times the amount of iron-based castings to manufacture cast products, and about the same amount of aluminum alloy castings for cores. is necessary. The mold sand is regenerated and used repeatedly, but what adheres to the product in the casting finishing process is crushed by the shot process or crushed in the regenerating process that removes the binder of the mold sand. ~ 30% is dust. These are disposed of as industrial waste. In order to reduce the generation of industrial waste caused by crushing, it is difficult to crush mullite (Mohs hardness 7.5) or corundum (Mohs hardness 9) from the conventionally used quartz (Mohs hardness 7) -based silica sand. Artificial sand of the system (also called ceramic sand) has been developed.
However, artificial sand is produced by a method of manufacturing ceramics, and if there are defects or inhomogeneities inside the ceramics, the site becomes the starting point of fracture and is easily crushed. Artificial sand already on the market has many of these defects and inhomogeneities and is not always harder than silica sand. Therefore, it is an urgent task in the casting industry to improve these internal defects and inhomogeneities.

鋳物砂は粒子集合体であることから任意の形状である鋳型に成型できること、溶湯を鋳型に注湯する際に鋳型内の空気やガスを排出する通気性を有すること、溶湯の熱に耐えうる耐火度を有すること、各種の溶湯成分に対して化学反応による焼付き欠陥が生じないこと、鋳物砂を鋳型とするための粘結剤量が少なくできる粒形(真球が望ましい)などの特性を有すること、繰り返し再生して使用して環境負荷を低減できる粒子強度であること、鋳造時に鋳型の膨張が低く変形の問題が生じないこと、鋳型から鋳造製品の取り出しが容易なこと、などの特性が鋳物砂には必要である。 Since the casting sand is an aggregate of particles, it can be molded into a mold of any shape, it has air permeability to discharge the air and gas in the mold when pouring the molten metal into the mold, and it can withstand the heat of the molten metal. Characteristics such as having fire resistance, not causing seizure defects due to chemical reactions to various molten metal components, and having a grain shape (preferably a true sphere) that can reduce the amount of binder for using cast sand as a mold. It has a particle strength that can be repeatedly regenerated and used to reduce the environmental load, the mold has low expansion during casting and does not cause deformation problems, and the cast product can be easily taken out from the mold. Properties are required for foundry sand.

鋳型は金型と砂型に大別され、鋳物砂は砂型用である。鋳鋼、鋳鉄、銅合金などの高融点金属の鋳造は鋳物砂による砂型が殆どである。鋳造製品の大部分は砂型で生産されている。低融点合金であるアルミニウム合金ではダイカストや重力鋳造と称される金型鋳造で主であるが、砂型である中子が使用される。 Molds are roughly divided into molds and sand molds, and casting sand is for sand molds. Most of the casting of refractory metals such as cast steel, cast iron, and copper alloys are sand molds made of cast sand. Most of the castings are produced in sand molds. Aluminum alloys, which are low melting point alloys, are mainly used for die casting and die casting called gravity casting, but sand mold cores are used.

本発明は生産量が大規模である砂型用の鋳物砂に係わる。鋳物砂は、砂型の名称の由来である硅砂が最も多く使用される。硅砂は石英(シリカ、SiO2)が主な鉱物組成である。二次鉱物組成として、Al2O3-SiO2系の鉱物である長石、雲母、粘土鉱物など)である。その他、硅砂以外の鋳物砂として、オリビンサンド、ジルコンサンド、クロマイトサンド、アルミナサンド(粉砕タイプ)、カーボンサンド、鉄鋼ショット玉、炭化珪素砂、スラグサンド(フェロニッケル系、フェロクロム系、高炉スラグ系、など)、最近開発された人工砂(ムライト系、アルミナ系、ジルコンミックス系、など)などが使用されている。 The present invention relates to cast sand for sand molds, which has a large production volume. As the foundry sand, silica sand, which is the origin of the name of the sand mold, is most often used. Quartz (silica, SiO 2 ) is the main mineral composition of silica sand. The secondary mineral composition is feldspar, mica, clay mineral, etc., which are Al 2 O 3 -SiO 2 series minerals. In addition, as casting sand other than silica sand, olivine sand, zircon sand, chromate sand, alumina sand (crushed type), carbon sand, steel shot ball, silicon carbide sand, slag sand (ferronick, ferrochrome, blast furnace slag), , Etc.), recently developed artificial sand (Murite type, Alumina type, Zircon mix type, etc.) are used.

鋳物砂は鋳造品を製造するための鋳型材料であり、機能として鋳造時に鋳造欠陥がなく、その結果、鋳造留まりが高くなる特性が要求される。鋳造欠陥は代表的なものが3つあり、ガス欠陥、膨張系欠陥、焼付き欠陥である。1990年頃に人工砂が開発され、石英系の硅砂と比較して、これらの欠陥は解消されてきた。すなわち、人工砂の粒形改善により粘結剤が低減でき、鋳型砂からのガス発生量が下がることで、ガス欠陥は減少した。人工砂は線膨張係数が低いことから、鋳型砂の膨張が極めて低く、膨張系欠陥は減少した。人工砂は溶湯との反応性が硅砂より低い場合が多く、焼付き欠陥は減少した。
また、環境適応型の社会実現が急務なことから、省資源性が高いことが望まれる。鋳造工程、後処理工程、砂回収処理工程などで、鋳物砂が破砕することなく、繰り返し永久的に使用できる高強度粒子の鋳物砂が望まれ、これに応えて人工砂が開発された。
更には、石英が含まれる硅砂使用に伴う人体に悪影響な遊離珪酸の発生が生じないことも望まれ、これに応えて石英の含まれない人工砂が開発された。
Casting sand is a mold material for manufacturing a cast product, and as a function, there is no casting defect at the time of casting, and as a result, a characteristic that the casting retention is high is required. There are three typical casting defects: gas defects, expansion system defects, and seizure defects. Artificial sand was developed around 1990, and these defects have been eliminated compared to quartz-based silica sand. That is, the binder could be reduced by improving the grain shape of the artificial sand, and the amount of gas generated from the mold sand was reduced, so that the gas defects were reduced. Since the linear expansion coefficient of the artificial sand is low, the expansion of the mold sand is extremely low, and the expansion system defects are reduced. Artificial sand is often less reactive with molten metal than silica sand, reducing seizure defects.
In addition, since there is an urgent need to realize an environment-adaptive society, it is desirable to have high resource conservation. In the casting process, post-treatment process, sand recovery process, etc., there is a demand for high-strength particle casting sand that can be used repeatedly and permanently without crushing the casting sand, and artificial sand has been developed in response to this.
Furthermore, it is also desired that the generation of free silicic acid, which is harmful to the human body, does not occur due to the use of quartz-containing silica sand, and in response to this, quartz-free artificial sand has been developed.

特許文献1では、「[請求項1]非晶化度が70~100%であり、且つ表面の粗さRaが0.20以下である鋳物砂。[請求項2]球形度が0.95以上である請求項1 記載の鋳物砂。[請求項3]Al2O3およびSiO2を主成分として含有してなり、Al2O3/SiO2重量比率が1~15である請求項1又は2 項記載の鋳物砂。」と記載されている。本発明では非晶化度については重要な要素ではなく、特に言及していないが、「非晶化度が70~100%」については、本発明の冷却の制御のみの場合は該当する場合がある。ところが、本発明に係る鋳物砂の製造過程中に冷却の制御に加えて、焼き戻しを行うことで、該当しないものになると考える。
また、特許文献1では明細書段落0032において、「冷却方法は、空冷や水冷によって行うことができ、急冷することが好ましい。冷却速度は、鋳物砂の組成や粒径によって異なるので、それぞれの処方について鋳物砂の非晶化度が50~100%になるよう適宜調整される。」との記載がある。本発明の冷却の制御に近い考えであるが、具体的な冷却開始温度や冷却開始時の粒子の状態については記載がない。
更に、特許文献1においては、粒子強度を高くするための気泡欠陥の抑制、マトリックスの均質化の概念が存在しない。従って、本発明の要旨となる技術思想が欠落しており、本発明とは異なる発想に基づく発明であることが明らかである。
In Patent Document 1, "[Claim 1] Casting sand having an amorphous degree of 70 to 100% and a surface roughness Ra of 0.20 or less. [Claim 2] A claim having a spherical degree of 0.95 or more. The casting sand according to claim 1. [Claim 3] The claim 1 or 2 which contains Al 2 O 3 and SiO 2 as main components and has an Al 2 O 3 / SiO 2 weight ratio of 1 to 15. Casting sand. " In the present invention, the degree of amorphousness is not an important factor and is not particularly mentioned, but "the degree of amorphousness is 70 to 100%" may be applicable only in the case of cooling control of the present invention. be. However, it is considered that this is not the case by performing tempering in addition to controlling cooling during the manufacturing process of the cast sand according to the present invention.
Further, in Patent Document 1, in paragraph 0032 of the specification, "The cooling method can be performed by air cooling or water cooling, and it is preferable to perform rapid cooling. Since the cooling rate varies depending on the composition and particle size of the cast sand, each formulation is used. Is appropriately adjusted so that the degree of non-crystallization of the casting sand is 50 to 100%. " Although the idea is close to the cooling control of the present invention, there is no description about the specific cooling start temperature and the state of the particles at the start of cooling.
Further, in Patent Document 1, there is no concept of suppressing bubble defects and homogenizing the matrix in order to increase the particle strength. Therefore, it is clear that the technical idea which is the gist of the present invention is lacking, and the invention is based on an idea different from the present invention.

特許文献2では、請求項4において「前記球状砂が、1600~2200℃の溶融温度及び80~120m/secのエアー速度の条件下で、原料の溶融物にエアーを吹き付けることにより得られた砂である・・・」との記載がある。特許文献2は、本発明と同様な溶融風砕法である。
ところが特許文献2では、吹き付けるエアーについては詳細な記述があるが、具体的な冷却開始温度や冷却開始時の粒子の状態については記載がない。
更に、特許文献2においては、粒子強度を高くするための気泡欠陥の抑制、マトリックスの均質化の概念が存在しない。従って、本発明の要旨となる技術思想が欠落しており、本発明とは異なる発想に基づく発明であることが明らかである。
In Patent Document 2, claim 4 states that "the sand obtained by blowing air onto the raw material melt under the conditions of the melting temperature of 1600 to 2200 ° C. and the air speed of 80 to 120 m / sec. It is ... ". Patent Document 2 is a melt wind crushing method similar to that of the present invention.
However, in Patent Document 2, although there is a detailed description about the air to be blown, there is no description about the specific cooling start temperature and the state of the particles at the start of cooling.
Further, in Patent Document 2, there is no concept of suppressing bubble defects and homogenizing the matrix in order to increase the particle strength. Therefore, it is clear that the technical idea which is the gist of the present invention is lacking, and the invention is based on an idea different from the present invention.

特許文献3では、その明細書段落0025に「この実施形態では、高圧空気で飛散された溶融物が大気中を移動する間に自然冷却するように構成してあるが、上記の鋳型砂製造装置(1)は、冷却水などを用いた強制冷却手段を備えていてもよい。」との記載がある。特許文献3は、本発明と同様な溶融風砕法である。
ところが、特許文献3では、溶融物の冷却法については記述があるが、具体的な冷却開始温度や冷却開始時の粒子の状態については記載がない。
更に、特許文献3においては、粒子強度を高くするための気泡欠陥の抑制、マトリックスの均質化の概念が存在しない。従って、本発明の要旨となる技術思想が欠落しており、本発明とは異なる発想に基づく発明であることが明らかである。
In Patent Document 3, paragraph 0025 of the specification states, "In this embodiment, the melt scattered by the high-pressure air is configured to be naturally cooled while moving in the atmosphere. (1) may be provided with a forced cooling means using cooling water or the like. " Patent Document 3 is a melt wind crushing method similar to that of the present invention.
However, in Patent Document 3, although there is a description about the cooling method of the melt, there is no description about the specific cooling start temperature and the state of the particles at the start of cooling.
Further, in Patent Document 3, there is no concept of suppressing bubble defects and homogenizing the matrix in order to increase the particle strength. Therefore, it is clear that the technical idea which is the gist of the present invention is lacking, and the invention is based on an idea different from the present invention.

特許文献4では、その請求項1において「Al2O3とSiO2とを原料として含み、前記原料中の夾雑物として含有される低融点組成とを含有した焼結人工砂において、Al2O3-SiO2系相平衡状態図において、初晶としてムライト結晶が晶出する組成において、前記低融点組成としてのK2Oが0.20%以下であり、前記ムライト結晶の間に結晶の重なり合いの隙間が存する結晶間構造を備え、かさ比重1.6g/cm3未満、アスペクト比が0.85以上であり、Al2O3-SiO2系相平衡状態図において液相線よりマイナス50℃以内の耐火度を示すものであることを特徴とする焼結人工砂。」と記載されている。「Al2O3-SiO2系相平衡状態図において、初晶としてムライト結晶が晶出する組成」については、本発明と同一の組成である。
しかしながら、特許文献4では、「ムライト結晶の間に結晶の重なり合いの隙間が存する結晶間構造」としているが、本発明は緻密構造であり、結晶間に隙間は存在しないことから、本特許とは明らかに異なる発明であると認められる。
In Patent Document 4, in claim 1, "Al 2 O 3 and SiO 2 are contained as raw materials, and Al 2 O is contained in a sintered artificial sand containing a low melting point composition contained as a contaminant in the raw materials. In the 3 -SiO 2 phase equilibrium diagram, in the composition in which mullite crystals are crystallized as primary crystals, K2O as the low melting point composition is 0.20% or less, and there are gaps in the overlapping of crystals between the mullite crystals. It has an intercrystal structure, a bulk specific gravity of less than 1.6 g / cm 3 , an aspect ratio of 0.85 or more, and an Al 2 O 3 -SiO 2 phase phase diagram showing a fire resistance within -50 ° C from the liquidus line. It is characterized by being a sintered artificial sand. " The "composition in which mullite crystals crystallize as primary crystals in the Al 2 O 3 -SiO 2 phase equilibrium diagram" is the same composition as that of the present invention.
However, in Patent Document 4, although it is described as "an intercrystal structure in which there are gaps between overlapping crystals between Murite crystals", the present invention has a dense structure and there are no gaps between crystals. It is recognized as a clearly different invention.

特許文献5では、その請求項9において「請求項1~8のいずれかに記載の鋳型用骨材粒子を溶融物から粒子化して製造することを特徴とする鋳型用骨材粒子の製造方法。」との記載がある。また、明細書段落0053では「圧縮空気と共に一定量の水をノズルに同時に流し込むことによって、高圧水を作り、圧縮エアーと同時に吹付けると、細粒化と同時に粒子の温度を低下し、その後の取り扱いを容易にするため好ましい。充分に粒子を冷却するために、冷却水量は1L/分以上が好ましく、2L/分以上が更に好ましい。」とも記載されている。特許文献5に係る鋳物砂は、Al2O3、ZrO2、SiO2系組成であることから、本発明に係る鋳物砂とは組成が異なる。ただし、溶融物を圧縮空気で風砕するところは同一である。
しかしながら、特許文献5においては、高圧水と共に圧縮エアーで風砕するのみであり、本発明における冷却開始温度や冷却開始時の粒子の状態についての制御の概念がない。更に、更に、特許文献5においては、粒子強度を高くするための気泡欠陥の抑制、マトリックスの均質化の概念が存在しない。従って、本発明とは明らかに異なる発明であると認められる。
In Patent Document 5, a method for producing mold aggregate particles according to claim 9, wherein the mold aggregate particles according to any one of claims 1 to 8 are made into particles from a melt and produced. There is a description. Further, in paragraph 0053 of the specification, "when a certain amount of water is simultaneously poured into a nozzle together with compressed air to create high-pressure water and sprayed at the same time as compressed air, the temperature of the particles is lowered at the same time as the granulation, and thereafter. It is preferable because it is easy to handle. In order to sufficiently cool the particles, the amount of cooling water is preferably 1 L / min or more, and more preferably 2 L / min or more. " Since the foundry sand according to Patent Document 5 has an Al 2 O 3 , ZrO 2 , and SiO 2 composition, the composition is different from that of the foundry sand according to the present invention. However, the place where the melt is air-crushed with compressed air is the same.
However, in Patent Document 5, only air crushing is performed with compressed air together with high-pressure water, and there is no concept of controlling the cooling start temperature and the state of particles at the start of cooling in the present invention. Furthermore, in Patent Document 5, there is no concept of suppressing bubble defects and homogenizing the matrix in order to increase the particle strength. Therefore, it is recognized that the invention is clearly different from the present invention.

特許第4615370号公報Japanese Patent No. 4615370 特許第3878496号公報Japanese Patent No. 3878496 特許第4448945号公報Japanese Patent No. 4448945 特許第6367451号公報Japanese Patent No. 6376451 特許第5507262号公報Japanese Patent No. 5507262

本発明は、初晶がムライトであるSiO2-Al2O3系平衡状態図の組成とした溶融風砕法人工砂において、製法に由来する気泡欠陥を僅かとし、かつ、粒子内部のマトリックスを均質とすることで、粒子強度を高くし、鋳造業界で半永久的に使用できる鋳物砂を提供することを課題とする。また、溶融風砕法人工砂としては軽量であり、粒形も良い鋳物砂を提供することを課題とする。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, in molten wind-crushed artificial sand having the composition of the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram in which the primary crystal is mullite, the bubble defects derived from the manufacturing method are minimized and the matrix inside the particles is homogeneous. The challenge is to increase the particle strength and provide cast sand that can be used semi-permanently in the casting industry. Another object of the present invention is to provide cast sand which is lightweight as a molten wind crushing artificial sand and has a good grain shape.

本発明は、更に他の目的は、粒形を良くすることで、粘結剤の添加量を低減させ、環境適応、省資源、鋳造欠陥低減を図ることである。 Still another object of the present invention is to reduce the amount of the binder added by improving the grain shape, and to achieve environmental adaptation, resource saving, and reduction of casting defects.

本発明は、初晶がムライトであるSiO2-Al2O3系平衡状態図の組成を有する溶融風砕法人工砂において、粒子断面に、内部に最大長さ10μm以上の気泡欠陥のある粒子の存在が25%以下である鋳物砂を提供する。
本発明の実施の形態に係る溶融風砕法人工砂によれば、前記粒子断面において、前記気泡欠陥の存在しない視野を10000倍で観察した際に、結晶粒界及び内部に最大長さ1μm以上の間隙が認められない。前期の気泡欠陥が少ないことに加えて、結晶粒界及び1μm以上間隙が認められないことにより、粒子強度の平均が2500MPa以上である。
また、アスペクト比は0.90以上あることが適当である。
本発明は、上記の溶融風砕法人工砂を含有する鋳物砂を提供する。
また、本発明は、上記の溶融風砕法人工砂を含有する鋳型を提供する。
また、本発明は、溶融風砕法人工砂を製造する方法を提供するもので、その要旨とするところは、初晶がムライトであるSiO2-Al2O3系平衡状態図の組成を含む原料を溶融し、風砕により溶融風砕法人工砂を製造する方法において、風砕工程中に冷却の制御を行うと共に、必要により焼き戻しを行うことで、気泡欠陥減少やミクロオーダーの不均質、更にはアスペクト比や粒子表面を改善する製造方法を提供する。
The present invention relates to molten wind-crushed artificial sand having the composition of the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram in which the primary crystal is mullite, in which particles having bubble defects with a maximum length of 10 μm or more are contained in the particle cross section. Provides cast sand with an abundance of 25% or less.
According to the melt-air crushing artificial sand according to the embodiment of the present invention, when the field of view in which the bubble defect does not exist is observed at 10000 times in the particle cross section, the maximum length is 1 μm or more in the grain boundary and inside. No gap is found. The average particle intensity is 2500 MPa or more because there are few bubble defects in the first half and no grain boundaries and gaps of 1 μm or more are observed.
Moreover, it is appropriate that the aspect ratio is 0.90 or more.
The present invention provides cast sand containing the above-mentioned molten wind crushing artificial sand.
The present invention also provides a mold containing the above-mentioned molten wind crushing artificial sand.
The present invention also provides a method for producing artificial sand by a molten wind crushing method, the gist of which is a raw material containing a composition of a SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram in which the primary crystal is mullite. In the method of producing artificial sand by melting and wind-crushing by melting and wind-crushing, cooling is controlled during the wind-crushing process, and if necessary, tempering is performed to reduce bubble defects, micro-order inhomogeneity, and further. Provides a manufacturing method that improves the aspect ratio and the particle surface.

本発明は、人工砂の中でも人工砂の内部に欠陥や不均質が存在しない極めて硬い球状の溶融風砕法人工砂を提供することができたものである。また、粒形が良く、その表面がなだらかである。更に、溶融風砕法人工砂としては軽量である。具体的には、SiO2-Al2O3系平衡状態図において、初晶がムライトである組成を溶解後に風砕する。風砕の時間は、溶融物がその粒子が表面張力により球状となる時までに制御し、球状であり、かつ、良好な粒子表面となった時点で急冷して、その形状を保持したまま凝固させる。
これにより、鋳造工程で発生する応力では、破砕することなく、繰り返し用できるものであり、いわば半永久的に使用することが可能となる。
また、粘結剤の添加量を低減できることで、省資源となり、鋳造欠陥が減少する。
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has been able to provide an extremely hard spherical molten wind crushing artificial sand in which there are no defects or inhomogeneities inside the artificial sand among the artificial sands. In addition, the grain shape is good and the surface is smooth. Furthermore, it is lightweight as a molten wind crushing artificial sand. Specifically, in the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram, the composition in which the primary crystal is mullite is melted and then air-crushed. The time of wind crushing is controlled until the particles become spherical due to surface tension, and when the particles are spherical and have a good particle surface, they are rapidly cooled and solidified while maintaining their shape. Let me.
As a result, the stress generated in the casting process can be used repeatedly without being crushed, and can be used semi-permanently.
In addition, since the amount of the binder added can be reduced, resources can be saved and casting defects can be reduced.

よって本発明は、省資源性が高い鋳物砂であると共に、鋳物を製造する際に消費されるエネルギーを削減することができるものである。
更に、本発明は、上記のように高い耐破砕性や良好な粒形や粒子表面形状を有することは勿論、その比重が比較的小さな溶融人工砂であり、ハンドリング性に優れ、重筋作業を低減できる溶融人工砂を提供することができたものである。
Therefore, the present invention is a casting sand with high resource saving and can reduce the energy consumed when manufacturing the casting.
Further, the present invention is a molten artificial sand having a high crush resistance, a good grain shape and a particle surface shape as described above, and a relatively small specific gravity thereof, and is excellent in handleability and heavy reinforcement work. It was possible to provide molten artificial sand that can be reduced.

SiO2-Al2O3系平衡状態図と人工砂(実施例、比較例)SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram and artificial sand (Example, Comparative example) 粒子空隙率と粒子強度の関係を示すグラフGraph showing the relationship between particle porosity and particle strength 人工砂のアスペクト比の比較を示すグラフGraph showing comparison of aspect ratios of artificial sand 人工砂のかさ比重の比較を示すグラフGraph showing comparison of bulk specific density of artificial sand 粒子強度測定方法の概念図Conceptual diagram of particle strength measurement method 実施例、比較例の基準化応力の確率密度曲線を示すグラフGraph showing probability density curves of standardized stress in Examples and Comparative Examples 鋳物砂の微粉化率を表す面積に係るグラフGraph related to the area showing the pulverization rate of foundry sand

本発明の課題を解決するためには、以下の4点に対して検討を加える必要がある。
(1)粘結剤の添加量の要因となる鋳物砂の比重
(2)粒子強度を低下させる要因となる人工砂内部の気泡欠陥
(3)粒子強度を低下させる要因となる人工砂内部のマトリックス不均質
(4)鋳型強度を律する人工砂の粒形及びその粒子表面の滑らかさ
SiO2-Al2O3系平衡状態図による溶融風砕法人工砂の比重低減については、SiO2は比重が2.65であり、Al2O3は比重が3.98であることから、SiO2側で製造すれば良いと言える。しかしながら、本発明では鋳物砂として使用するためには、粒形を球状とする必要がある。SiO2-Al2O3系では、それぞれの組成の溶融粘度の違いから、風砕した際にSiO2側ではファイバー状となりやすく、Al2O3側では球状となりやすい。これは溶融粘度がSiO2は高く、Al2O3は低いための現象である。ファイバー状は鋳物砂としては使用できない。
図1に、SiO2-Al2O3系平衡状態図と、その組成で製造された人工砂(実施例、比較例)で示す。Al2O3側の実施例1~3、比較例3及び5が溶融風砕法で製造された球状人工砂である。SiO2側の比較例6~8は、造粒・焼結法で製造された球状人工砂である。造粒・焼結法は、事前に微粉末とした原料を造粒して球状とし、その後に焼成してセラミックスとする製造法である。本発明の溶融風砕法は、原料をアーク炉などで溶融し、風砕により、溶融物の表面張力で球状とする製法である。
溶融風砕法では、ファイバー状と球状が組成によって、ある比率で発生する。たとえ、SiO2が100%近くの組成であっても球状のものは得られるが、ほとんどがファイバーであり、鋳物砂用としては歩留まりが悪い。図1の実施例、比較例は鋳物砂向けに製造されたものであるので、歩留まりを考慮した上で、工業的に成り立つ組成である。図1の組成を見ると、溶融風砕法はAl2O3約60%が歩留まり的には適当である限界であると言える。
本発明では、Al2O3が多くなると、比重が重くなることから、初晶がムライトとなるAl2O3約75%を限界としている。また、下限は歩留まりが著しく悪くなる、初晶シリカの組成は除いた初晶ムライトの晶出するAl2O3値を下限としている。
In order to solve the problem of the present invention, it is necessary to consider the following four points.
(1) Specific gravity of cast sand, which is a factor in the amount of binder added (2) Bubble defects inside artificial sand, which is a factor that reduces particle strength (3) Matrix inside artificial sand, which is a factor that reduces particle strength Heterogeneity (4) Grain shape of artificial sand that regulates mold strength and smoothness of the particle surface
Melt wind crushing method based on the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram Regarding the reduction of the specific density of artificial sand, SiO 2 has a specific density of 2.65 and Al 2 O 3 has a specific density of 3.98, so it is manufactured on the SiO 2 side. It can be said that it should be done. However, in the present invention, in order to use it as casting sand, it is necessary to make the grain shape spherical. In the SiO 2 -Al 2 O 3 system, due to the difference in the melt viscosity of each composition, when wind-crushed, it tends to be fibrous on the SiO 2 side and spherical on the Al 2 O 3 side. This is a phenomenon because the melt viscosity is high for SiO 2 and low for Al 2 O 3 . The fibrous form cannot be used as casting sand.
FIG. 1 shows a SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram and artificial sand (Examples and Comparative Examples) produced with the composition. Examples 1 to 3 and Comparative Examples 3 and 5 on the Al 2 O 3 side are spherical artificial sands produced by the melt wind crushing method. Comparative Examples 6 to 8 on the SiO 2 side are spherical artificial sands produced by a granulation / sintering method. The granulation / sintering method is a manufacturing method in which a raw material made into fine powder is granulated in advance to form a spherical shape, and then fired to form ceramics. The melt wind crushing method of the present invention is a manufacturing method in which a raw material is melted in an arc furnace or the like and the surface tension of the melt is made spherical by wind crushing.
In the melt wind crushing method, fibrous and spherical shapes are generated in a certain ratio depending on the composition. Even if SiO 2 has a composition close to 100%, spherical ones can be obtained, but most of them are fibers, and the yield is poor for casting sand. Since the examples and comparative examples of FIG. 1 are manufactured for cast sand, the composition is industrially viable in consideration of the yield. Looking at the composition of FIG. 1, it can be said that in the molten wind crushing method, Al 2 O 3 is the limit at which about 60% is appropriate in terms of yield.
In the present invention, since the specific gravity becomes heavier as the amount of Al 2 O 3 increases, the limit is about 75% of Al 2 O 3 in which the primary crystal becomes mullite. In addition, the lower limit is the Al 2 O 3 value crystallized by the primary crystal mullite excluding the composition of the primary crystal silica, which significantly deteriorates the yield.

溶融風砕法人工砂の気泡欠陥とは、風砕時に原料中の揮発分がガスして気泡となったり、エアーが巻き込まれて気泡やキズとなったりしたものである。気泡欠陥を防止するためには、溶解中に十分に脱ガスを行うことと、風砕中のガス巻き込みを防止することを工程に組み込む必要がある。具体的には、本発明ではアーク炉中で、1時間以上の時間をかけてて溶解し、高温保持して脱気している。また、風砕時間が長いとガス巻き込みを生じることから、溶融物が球状となり表面が凝固した半凝固の時点で急冷することで、ガス巻き込みを防止している。
なお、造粒・焼結法人工砂においても気泡欠陥が存在し、これは主には微粉末を造粒した際の微粉末間隙のエアーが焼成時に抜けきらなかったものである。
表1に人工砂のSEM(走査型電子顕微鏡)及びFE-SEM(電界放出型走査電子顕微鏡)での断面観察結果と、人工砂の粒子強度、アスペクト比、かさ比重の測定結果を示す。
Foam defects in artificial sand by the molten wind crushing method are those in which the volatile components in the raw material become gas and become bubbles during wind crushing, or air is caught in and becomes bubbles or scratches. In order to prevent bubble defects, it is necessary to incorporate sufficient degassing during melting and prevention of gas entrainment during wind crushing into the process. Specifically, in the present invention, it is melted in an arc furnace over a period of 1 hour or more, kept at a high temperature, and degassed. Further, since gas entrainment occurs when the wind crushing time is long, gas entrainment is prevented by quenching at the time of semi-solidification when the melt becomes spherical and the surface solidifies.
It should be noted that there is also a bubble defect in the artificial sand obtained by the granulation / sintering method, which is mainly due to the fact that the air in the gap between the fine powders when the fine powder was granulated was not completely removed during firing.
Table 1 shows the cross-sectional observation results of artificial sand with SEM (scanning electron microscope) and FE-SEM (field emission scanning electron microscope), and the measurement results of particle strength, aspect ratio, and bulk specific gravity of artificial sand.

Figure 2022034338000002
表1 人工砂のSEM及びFE-SEM断面観察と、粒子強度、アスペクト比、かさ比重
Figure 2022034338000002
Table 1 SEM and FE-SEM cross-sectional observation of artificial sand, particle strength, aspect ratio, bulk specific gravity

図2に、粒子空隙率と粒子強度の関係を図示した。粒子空隙率が大きくなるほど、粒子強度が低下する傾向が認められ、図中に示す対数曲線で近似できる。セラミックスの破壊は内部欠陥に律されることが知られているが、同様な結果が得られている。しかしながら、図2中に、実線の丸で囲った3点は空隙率が低いにもかかわらず粒子強度が低い傾向にある。これは比較例-1、比較例-3、比較例-4である。また、破線の丸で囲った1点は粒子空隙率が高いにもかかわらず粒子強度が高い。これは比較例-5である。 Figure 2 illustrates the relationship between particle porosity and particle strength. As the particle porosity increases, the particle strength tends to decrease, which can be approximated by the logarithmic curve shown in the figure. It is known that the fracture of ceramics is regulated by internal defects, but similar results have been obtained. However, in FIG. 2, the three points circled by the solid line tend to have low particle strength even though the porosity is low. This is Comparative Example-1, Comparative Example-3, and Comparative Example-4. In addition, the one point circled by the broken line has high particle strength even though the particle porosity is high. This is Comparative Example-5.

表1の粒子断面のFE-SEM観察では、10000倍で粒子の基地(マトリックス)を観察している。これにより、μmオーダーやサブμmのマトリックスを調べることができる。これによると、空隙率が低いにもかかわらず粒子強度の低い比較例-1、比較例-3、比較例-4では、それぞれ、μmオーダーの間隙がある、樹枝状晶が明瞭に晶出している、1μm前後の微細な結晶があって組成像にコントラスト(元素分布が不均一)である。従って、これらの粒子はマトリックスが不均質であると言え、これにより粒子強度が低下していると考えられる。
これに対して、空隙率は高いが粒子強度の高い比較例-5では、空隙率が低く粒子強度の高い実施例-1~4と同様にマトリックスは均質であると言える。従って、比較例-5では空隙率が高いにもかかわらず、マトリックスの均質により粒子強度が比較的高くなっていると言える。
また、上記以外である比較例-2はμmオーダーのスジや空洞、比較例-6、7はμmオーダーの丸みを帯びた隙間、比較例-9、10では粗大なムライト結晶の晶出が認められ、不均質であるので、粒子強度が低下していると考えられる。
In the FE-SEM observation of the particle cross section in Table 1, the particle matrix is observed at 10000 times. This makes it possible to examine μm-order and sub-μm matrices. According to this, in Comparative Example 1, Comparative Example 3, and Comparative Example 4 in which the porosity is low but the particle strength is low, dendritic crystals having gaps on the order of μm are clearly crystallized. There are fine crystals of about 1 μm, and the composition image has contrast (elemental distribution is non-uniform). Therefore, it can be said that these particles have an inhomogeneous matrix, which is considered to reduce the particle strength.
On the other hand, in Comparative Example 5 having a high porosity but high particle strength, it can be said that the matrix is homogeneous as in Examples-1 to 4 having a low porosity and high particle strength. Therefore, it can be said that the particle strength is relatively high due to the homogeneity of the matrix in Comparative Example 5 even though the porosity is high.
In addition, in Comparative Example 2 other than the above, streaks and cavities on the order of μm were observed, in Comparative Examples 6 and 7, rounded gaps on the order of μm were observed, and in Comparative Examples 9 and 10, coarse mullite crystals were observed. It is considered that the particle strength is reduced because it is inhomogeneous.

[鋳型強度とアスペクト比]
[アスペクト比]
表1中のアスペクト比(短径/長径)を各人工砂ごとに対比して図3に示す。実施例-1~4、比較例-1~5が溶融法である。比較例-6~10は焼結法である。溶融法は焼結法と比較してアスペクト比が1に近く、粒形が良いと言える。実施例-1~4は溶融法の中でもアスペクト比が良好である。
風砕時に溶融物は次第にその表面張力により球となるが、風砕時間(溶融物が空気中を移動する時間)が長いと球が崩れていく。そこで、本発明では風砕時間を制御し、かつ、球となった時点でその形状が保たれるように冷却を開始している。また、冷却速度も急冷となるように制御している。その方法は、熱伝導性の良いステンレス製の板、ベルトや円筒など(以下、ステンレス容器)に粒子を接触させることによる急冷である。ステンレス容器に放熱板を付けたり、水冷ジャケットを付けても良い。なお、水焼き入れでも良いが、水と接触して割れる粒子が発生し、歩留まりは悪化する。これを避けるために水を噴霧して冷却しても良い。これらの風砕時間や冷却の制御が、実施例-1~4でアスペクト比の良い理由である。
[Cast strength and aspect ratio]
[aspect ratio]
The aspect ratios (minor axis / major axis) in Table 1 are shown in Fig. 3 in comparison for each artificial sand. Examples -1 to 4 and Comparative Examples -1 to 5 are melting methods. Comparative Examples 6 to 10 are sintering methods. It can be said that the melting method has an aspect ratio closer to 1 than the sintering method and has a good grain shape. Examples -1 to 4 have a good aspect ratio among the melting methods.
During wind crushing, the melt gradually becomes a sphere due to its surface tension, but if the wind crushing time (time for the melt to move in the air) is long, the sphere will collapse. Therefore, in the present invention, cooling is started so that the wind crushing time is controlled and the shape is maintained when the ball becomes a sphere. In addition, the cooling rate is also controlled to be rapidly cooled. The method is quenching by bringing particles into contact with a stainless steel plate, belt, cylinder, etc. (hereinafter referred to as a stainless steel container) having good thermal conductivity. A heat sink may be attached to the stainless steel container, or a water-cooled jacket may be attached. It may be water-quenched, but particles that break when in contact with water are generated, and the yield deteriorates. To avoid this, water may be sprayed and cooled. These control of wind crushing time and cooling are the reasons why the aspect ratio is good in Examples-1 to 4.

[粒子表面の滑らかさ]
上記の風砕時間を制御した結果として、表2に示すように粒子表面が滑らかとなる効果が認められる。表2では、実施例-2、比較例-3、比較例-5を抜粋して示した。実施例-2では風砕時間を制御している。比較例-3は制御しておらず、放物線を描いて空気中を移動し、その間に冷却して固体となった後に落下する。比較例-5は火炎内溶融法であり、下向きの火炎であることから溶融物は重力方向に冷却しながら落下する。
風砕時間を制御した結果、実施例-2の粒子表面は滑らかになっているが、比較例-3では空気の抵抗により生じた凹みや、空気中で冷却したために晶出した結晶が粒子表面に現れ、粒子表面が滑らかではなくなっている。また、比較例-5では滑らかな粒子と、粒子表面に晶出した結晶のために滑らかでは無い粒子とが混在している。
[Smoothness of particle surface]
As a result of controlling the above-mentioned wind crushing time, the effect of smoothing the particle surface is recognized as shown in Table 2. Table 2 shows excerpts of Example-2, Comparative Example-3, and Comparative Example-5. In Example 2, the wind crushing time is controlled. Comparative Example 3 is not controlled and moves in the air in a parabolic manner, during which it cools to a solid and then falls. Comparative Example-5 is an in-flame melting method, and since it is a downward flame, the melt falls while cooling in the direction of gravity.
As a result of controlling the wind crushing time, the particle surface of Example 2 is smooth, but in Comparative Example 3, dents caused by air resistance and crystals crystallized due to cooling in air are on the particle surface. The particle surface is not smooth. Further, in Comparative Example 5, smooth particles and particles that are not smooth due to crystals crystallized on the particle surface are mixed.

Figure 2022034338000003
表2 粒子の表面状態
Figure 2022034338000003
Table 2 Surface state of particles

[かさ比重]
図4に人工砂のかさ比重の比較を示す。実施例-1~4は溶融法人工砂としては、かさ比重が軽い特徴がある。前述した様に、焼結法は比重の軽いSiO2の比率を増やすことで、かさ比重を軽くすることができる。しかし、溶融法ではSiO2を増やすとファイバー状となる。本発明では球状の状態で冷却を開始すし、形状を球に留めているので、SiO2を増加することができる。その結果、溶融法人工砂の中では軽量となる。
[Umbrella density]
Figure 4 shows a comparison of the bulk specific densities of artificial sand. Examples -1 to 4 have a characteristic that the bulk specific density is light as the melt method artificial sand. As described above, in the sintering method, the bulk specific density can be reduced by increasing the ratio of SiO 2 having a light specific gravity. However, in the melting method, when SiO 2 is increased, it becomes fibrous. In the present invention, cooling is started in a spherical state and the shape is kept in a spherical state, so that SiO 2 can be increased. As a result, it is lighter in the molten artificial sand.

(粒子強度の必要性)
鉱物は物質毎にモース硬度で表される硬さの指標を持っている。例えば、鋳物砂の代表的な鉱物を以下に挙げる。正長石KAlSi3O8(モース硬度6前後)、酸化鉄Fe2O3(モース硬度6前後)、酸化マグネシウムMgO (モース硬度6.5前後)、酸化クロムCr2O3 (モース硬度6~7)、酸化ジルコニウムZrO2 (モース硬度6~7)、石英SiO2(モース硬度7前後)、溶融石英SiO2(モース硬度7前後)、ムライト3Al2O3・2SiO2(モース硬度7.5)、アルミナ・コランダムAl2O3(モース硬度8~9)である。
(Necessity of particle strength)
Minerals have an index of hardness expressed by Mohs hardness for each substance. For example, typical minerals of cast sand are listed below. Corundum KAlSi 3 O 8 (Mohs hardness around 6), Iron Fe 2 O 3 (Mohs hardness around 6), Magnesium oxide MgO (Mohs hardness around 6.5), Chromium oxide Cr 2 O 3 (Mohs hardness 6-7), ZyrOx oxide ZrO 2 (Mohs hardness 6-7), quartz SiO 2 (Mohs hardness around 7), fused quartz SiO 2 (Mohs hardness around 7), Murite 3 Al 2 O 3.2SiO 2 (Mohs hardness 7.5), alumina corundum Al 2 O 3 (Mohs hardness 8-9).

代表的な鋳物砂は硅砂であり、石英と長石からなることから、モース硬度は6前後~7前後である。酸化ジルコンからなるジルコンサンド、酸化クロムからなるクロマイトサンドは、鋳造業界では硅砂と比較して、硬いとされているが、モース硬度は石英よりも低い。また人工砂の代表的なムライトは石英より硬くモース硬度7.5程度であり、アルミナはモース硬度8~9であり、更に石英より硬い。ムライトやアルミナは鋳造の製造時に鋳物砂が受ける応力よりも粒子強度が高いことから、破砕し難い鋳物砂であり環境適応型と言える。一方、硅砂は、再生工程での歩留まりから5%~30%は破砕すると考えられ、環境適応型ではない。 A typical casting sand is silica sand, which is composed of quartz and feldspar, and has a Mohs hardness of around 6 to 7. Zircon sand made of zircon oxide and chromite sand made of chromium oxide are considered to be harder than silica sand in the casting industry, but their Mohs hardness is lower than that of quartz. Mullite, which is a typical artificial sand, is harder than quartz and has a Mohs hardness of about 7.5, and alumina has a Mohs hardness of 8 to 9, which is harder than quartz. Mullite and alumina have higher particle strength than the stress applied to the foundry sand during the production of casting, so they are hard to crush and can be said to be environmentally adaptable. On the other hand, silica sand is considered to be crushed by 5% to 30% from the yield in the regeneration process, and is not an environmentally adaptable type.

このように、ムライトやアルミナは、SiO2-Al2O3系平衡状態図に含まれることから、この状態図に従って人工砂を製造することで、破砕されにくい環境適応型の人工砂とすることができる。 In this way, mullite and alumina are included in the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram. Therefore, by producing artificial sand according to this phase diagram, it is possible to make environmentally adaptable artificial sand that is not easily crushed. Can be done.

ただし、鉱物の内部に欠陥などがあり、均質で無いと上記のモース硬度とはならない。例え、ムライトやアルミナであっても欠陥があると、そこを起点に破壊が生じるので、本来のモース硬度とならず、硅砂を下回ることもある。そこで本発明では、欠陥の無いムライト系人工砂を提供するものである。 However, if there is a defect inside the mineral and it is not homogeneous, the Mohs hardness will not be obtained. Even if it is mullite or alumina, if there is a defect, it will be destroyed from that point, so it will not reach the original Mohs hardness and may be lower than that of silica sand. Therefore, the present invention provides a defect-free mullite-based artificial sand.

(人工砂の製法)
表3に人工砂の製法について示す。
(Manufacturing method of artificial sand)
Table 3 shows the manufacturing method of artificial sand.

Figure 2022034338000004
表3 鋳造用人工砂の製法と主な鉱物成分
Figure 2022034338000004
Table 3 Manufacturing method of artificial sand for casting and main mineral components

(1)造粒焼結法
およそ5万t/年の生産量で、日本とアメリカで生産されているムライト系人工砂の製法である。燃料バーナーによりロータリーキルン内を1400℃~1700℃に加熱する。加熱温度は組成により異なる。夾雑物のアルカリ成分を少なくしたSiO2とAl2O3原料をムライト化する比率(3Al2O3・2SiO2で配合し、微粉末とした粒子を鋳物砂のサイズに造粒したものをロータリーキルン内で焼結する。造粒方法は表3に示す様に3種類あり、それぞれ粒子の緻密性や表面状態が異なる。ロータリーキルン中ではムライトの融点(約1850℃)以下でムライトを合成する。工業的な制約のために、合成時に原料の全てがムライトにはならず非晶質として存在する。メーカによりムライトの含有量やその他の成分や非晶質の量が異なる。ムライトを85%以上とすることと、緻密な粒子とすることが望ましい。
焼結法では、造粒した粒子からムライト結晶を析出させる。析出させる温度はムライトの融点以下である。
焼結する際に、原料中の揮発分や原料中の空気がガスとなり空洞が生じやすい。また、結晶が析出する際に、結晶に隙間が生じやすい。
(1) Granulation sintering method This is a method for producing mullite-based artificial sand produced in Japan and the United States with a production volume of approximately 50,000 tons / year. The inside of the rotary kiln is heated to 1400 ° C to 1700 ° C with a fuel burner. The heating temperature depends on the composition. A ratio of SiO 2 with less alkaline components and Al 2 O 3 raw materials to mullite (3 Al 2 O 3・ 2SiO 2 ), and fine powder particles are granulated to the size of casting sand. As shown in Table 3, there are three types of granulation methods, each of which has a different particle density and surface condition. In a rotary kiln, mullite is synthesized at a temperature below the melting point of mullite (about 1850 ° C). Due to specific restrictions, not all of the raw materials become mullite during synthesis and exist as amorphous. The content of mullite and other components and the amount of amorphous differ depending on the manufacturer. Mullite is 85% or more. It is desirable to do this and to make the particles dense.
In the sintering method, mullite crystals are precipitated from the granulated particles. The precipitation temperature is below the melting point of mullite.
At the time of sintering, the volatile matter in the raw material and the air in the raw material become gas and cavities are likely to occur. In addition, when the crystals are deposited, gaps are likely to occur in the crystals.

(2)溶融風砕法
溶融風砕法の黒鉛電極接触溶融法は最も生産量の多い人工砂の製法である。溶融風砕法は単に溶融法とも呼ばれる。現在約10万t/年が主に中国で製造されている。この鉱物組成はムライト+コランダムである。溶融法であることから、図1における液層温度で原料を溶解する必要があり、高温度が得られるアーク炉を用いている。ばん土けつ岩(Alum Shale :Al2O3を75%前後含む中国産ボーキサイト)が原料である。原料を黒鉛電極の上に投入し、ジュール熱により溶解する。また、プラズマアークも発生しているのでこのアーク熱によっても原料は溶解される。溶融温度は2000℃以上である。溶湯は黒鉛電極の下方に流れ落ち、オリフィスから排出され、直後に風砕し、放物線を描き、空中にて液体の表面張力により球状粒子となり、大気中で冷却され、土間などに落下し、自然冷却されて人工砂となる。
風砕時に空気を巻き込んで、気泡欠陥が生じやすい。また、結晶が析出する際に、粒界や転移による不均質が生じやすい。
(2) Melt wind crushing method The graphite electrode contact melting method of the melt wind crushing method is a method for producing artificial sand with the highest production volume. The melt wind crushing method is also simply called the melt method. Currently, about 100,000 tons / year is mainly manufactured in China. This mineral composition is mullite + corundum. Since it is a melting method, it is necessary to melt the raw material at the liquid layer temperature shown in Fig. 1, and an arc furnace that can obtain a high temperature is used. The raw material is alum shale (Chinese bauxite containing around 75% of Al 2 O 3 ). The raw material is placed on a graphite electrode and melted by Joule heat. In addition, since a plasma arc is also generated, the raw material is also melted by this arc heat. The melting temperature is 2000 ° C or higher. The molten metal flows down below the graphite electrode, is discharged from the orifice, is immediately air-crushed, draws a parabola, becomes spherical particles due to the surface tension of the liquid in the air, is cooled in the atmosphere, falls into the soil, etc., and is naturally cooled. It becomes artificial sand.
Air is entrained during wind crushing, and bubble defects are likely to occur. In addition, when crystals are precipitated, inhomogeneity due to grain boundaries and transitions is likely to occur.

アーク炉溶融法は炉中に原料をチャージし、黒鉛電極間のアーク放電によるアーク熱で原料を溶解して溶湯とする。出湯の直後に風砕し、粒子は放物線を描き、空冷されて人工砂粒子となる。炉の耐火物はセルフライニングとすることが多く、耐火物の融点の影響を受けず高耐火度原料が溶解可能である。炉中で成分調整が可能であることから、Al2O3が80%、ZrO2が10%と言った高耐火度人工砂の製法に用いられる。既に上市されているものは、中国で製造されており、生産量は約0.5万t/年と思われる。なお、この上市されているものは、冷却速度は制御しておらず、自然冷却である。
本発明は、このアーク炉溶解法を用いており、初晶がムライトとなる原料をアーク炉中で溶湯成分した後に、風砕し、放物線を描き、冷却開始温度並びに冷却速度を制御したものである。また、必要により、焼き戻しなどの熱処理を行って、粒子の結晶構造を制御している。これにより、空気の巻き込みの防止、マトリックスの均質化を図っている。
In the arc furnace melting method, the raw material is charged in the furnace, and the raw material is melted by the arc heat generated by the arc discharge between the graphite electrodes to form a molten metal. Immediately after the hot water is discharged, it is air-crushed, and the particles draw a parabola and are air-cooled to become artificial sand particles. The refractory material of the furnace is often self-lining, and the high refractory raw material can be melted without being affected by the melting point of the refractory material. Since the composition can be adjusted in the furnace, it is used in the manufacturing method of high refractory artificial sand with 80% Al 2 O 3 and 10% Zr O 2 . Those already on the market are manufactured in China, and the production volume is estimated to be about 5,000 tons / year. It should be noted that the one on the market does not control the cooling rate and is naturally cooled.
The present invention uses this arc furnace melting method, in which a raw material whose primary crystals are murite is melted in an arc furnace, then air-crushed, a parabolic drawing is drawn, and the cooling start temperature and cooling rate are controlled. be. Further, if necessary, heat treatment such as tempering is performed to control the crystal structure of the particles. As a result, the entrainment of air is prevented and the matrix is homogenized.

(3)火炎内溶融法
これも主に中国で生産されており、生産量は約0.5万t/年と思われる。火炎内溶融法は、溶融風砕法同様に単に溶融法とも呼ばれる。純酸素燃焼バーナーを用いおよそ3000℃の火炎の中に、あらかじめ造粒あるいは所定のサイズに粉砕した原料粒子を燃料噴霧方向から火炎中に投入し、火炎内で粒子を溶融させて表面張力により球状粒子とし、火炎通過後の冷却中に結晶化させて球状人工砂とする製造方法である。ムライト、アルミナ、ムライト+クリストバライトなどの人工砂が製造されている。火炎の中の滞留状態や通過後の冷却状態などにより、結晶化や非晶質化が異なる。上市されているものは重力方向に噴霧しており、大気中での冷却時間が短いことから、どちらかと言うと非晶質が多い。これを利用して、耐火度の高く安定相である非晶質シリカを製造することもできる。
火炎内を噴霧するために、エアーの巻き込みで気泡が生じやすいが、重力方向への風砕であるために風砕時間が短く、この結果、凝固開始が速くなることで冷却速度が上り、マトリックスが均質化している。
(3) In-flame melting method This is also mainly produced in China, and the production volume is thought to be about 5,000 tons / year. The in-flame melting method is also simply called the melting method as well as the melting air crushing method. In a flame of about 3000 ° C using a pure oxygen combustion burner, raw material particles that have been granulated or crushed to a predetermined size in advance are put into the flame from the fuel spraying direction, and the particles are melted in the flame and spherical due to surface tension. This is a manufacturing method in which particles are formed and crystallized during cooling after passing through a flame to form spherical artificial sand. Artificial sand such as mullite, alumina, mullite + cristobalite is manufactured. Crystallization and amorphization differ depending on the state of retention in the flame and the state of cooling after passing. Those on the market are sprayed in the direction of gravity, and because the cooling time in the atmosphere is short, they are rather amorphous. Utilizing this, amorphous silica having a high refractory and a stable phase can also be produced.
Since the inside of the flame is sprayed, air bubbles are likely to be generated due to the entrainment of air, but the wind crushing time is short because it is wind crushing in the direction of gravity. Is homogenized.

(粒子の粒度調整)
本発明は鋳物砂に係わるものであることから、20から1200μmの粒子径からなる粒度範囲の粒子に調整することが望ましい。一般的に、106~600μmが鋳物砂として使用される。生型で生産される比較的小物の量産鋳物は150~300μmの鋳物砂が主体である。自硬性鋳型などで生産される比較的大物鋳物は300~600μmの鋳物砂が主体である。Vプロセスは106μm前後である。なお、20~106μmは微砂と称して鋳物砂の補助的な粒度調整などの添加剤として使用される。850~1200μmはバックアップ用や裏砂として使用される。この様に鋳物砂は造型プロセスにより使用する粒度が異なる。
(Adjusting particle size)
Since the present invention relates to cast sand, it is desirable to adjust the particles to a particle size range of 20 to 1200 μm. Generally, 106-600 μm is used as casting sand. The relatively small mass-produced castings produced in the green mold are mainly cast sand of 150 to 300 μm. Relatively large castings produced by self-hardening molds are mainly composed of 300-600 μm casting sand. The V process is around 106 μm. In addition, 20 to 106 μm is called fine sand and is used as an additive for auxiliary particle size adjustment of casting sand. 850-1200 μm is used for backup and back sand. In this way, the grain size of cast sand differs depending on the molding process.

(鋳物砂と鋳型)
本発明に係る焼結人工砂は鋳造用に使用される鋳物砂であり、粘結剤などの他の物質を常法に従って添加することにより鋳型砂を得ることができる。そして、得られた鋳型砂を造型して鋳型を製造することができ、種々の金属の鋳造に使用される。例外的に減圧や凍結などの粘結剤を添加しない鋳型砂及び鋳型もあるが、これらにも本発明に係る焼結人工砂は適用することができる。
(Casting sand and mold)
The sintered artificial sand according to the present invention is cast sand used for casting, and mold sand can be obtained by adding other substances such as a binder according to a conventional method. Then, the obtained mold sand can be molded to manufacture a mold, which is used for casting various metals. Exceptionally, there are mold sands and molds to which a binder such as depressurization or freezing is not added, but the sintered artificial sand according to the present invention can also be applied to these.

(気泡粒子率の測定方法)
人工砂を篩い分け、目開き212μm(70mesh)の単一粒子とする。この粒子を水平面に並べ、樹脂埋めする。湿式研磨機を用いて、この水平面より106μmまで研磨(最終は鏡面研磨)して、粒子を断面とする。断面を清浄に洗浄・乾燥してSEM観察用試験片とする。試料は非導電性であり、これが観察できる低真空モードでSEM観察した。
40倍で粒子の断面を撮影し、目視で認められる気泡やキズのある粒子をカウントし、全体の個数で除して百分率とし、気泡粒子率(A)とする。
(空隙率の測定方法)
空隙率とは、粒子の中から平均的なものを選び、その粒子を250倍から300倍で観察視野にその粒子のみが入るように表示し、その画像を白黒の二値化処理を行い、粒子断面積の中の気泡やキズである黒色部の面積を体積百分率(B)としたものである。空隙率とは、平均的な粒子断面の空隙の体積百分率である。
(粒子空隙率の測定方法)
これらA,Bを用いて、全ての粒子の空隙率をA×B/100により推定し、これを粒子空隙率とした。粒子空隙率とは、全ての粒子に存在する空隙率の平均である。
(マトリックスの状態の判定方法)
FE-SEMはSEMよりも高倍率で高解像度の画像が得られるので、10000倍で、粒子断面のマトリックスの状態を観察した。試料はシングルμm単位での凹凸を観察するためにナイタール溶液で20分腐食して粒界が観察しやすいようにした。その後、洗浄・乾燥した後に、高解像度観察できるように白金蒸着を行ってFE-SEM観察用試料とした。可能な限り気泡やキズ部を避けて、代表的な箇所を選び分析視野とした。分析後に得られたSEM像は、全般的にコントラストが同様で粒界などは、薄く写っていたので、画像処理の平滑化を行った。ここで行った平滑化は、画像のコントラストを程良く強調して今まで見えづらかった部分を明瞭にする画像処理である。
(Measurement method of bubble particle ratio)
Sift the artificial sand into single particles with an opening of 212 μm (70 mesh). The particles are arranged on a horizontal plane and filled with resin. Using a wet polishing machine, the particles are polished to 106 μm from this horizontal plane (finally mirror polishing) to form a cross section. Clean and dry the cross section to make a test piece for SEM observation. The sample was non-conductive and was SEM observed in a low vacuum mode where this could be observed.
The cross section of the particles is photographed at 40 times, and the visually recognized bubbles and scratched particles are counted and divided by the total number to obtain a percentage, which is used as the bubble particle ratio (A).
(Measuring method of porosity)
The porosity is the average of the particles selected, the particles are displayed at 250 to 300 times so that only the particles are in the observation field, and the image is binarized in black and white. The area of the black part, which is a bubble or a scratch in the particle cross-sectional area, is defined as the volume percentage (B). The porosity is the volume percentage of the voids in the average particle cross section.
(Measurement method of particle porosity)
Using these A and B, the porosity of all particles was estimated by A × B / 100, and this was taken as the particle porosity. The particle porosity is the average of the porosities present in all particles.
(Method of determining the state of the matrix)
Since FE-SEM can obtain high-resolution images at higher magnification than SEM, the state of the matrix of the particle cross section was observed at 10000 times. The sample was corroded with a nital solution for 20 minutes in order to observe the unevenness in single μm units so that the grain boundaries could be easily observed. Then, after washing and drying, platinum vapor deposition was performed so that high-resolution observation could be performed to prepare a sample for FE-SEM observation. Avoiding air bubbles and scratches as much as possible, we selected representative points and used them as the analysis field of view. The SEM image obtained after the analysis had the same contrast in general, and the grain boundaries and the like were faint, so the image processing was smoothed. The smoothing performed here is an image process that moderately emphasizes the contrast of the image and makes the part that was difficult to see until now clear.

(粒子強度の測定方法)
図5に微小強度試験機の外観と粒子強度測定の概念図を示す。用いた試験機は電磁力式微小強度試験機(以下、微小強度試験機)である。最大荷重容量が50Nであり、一定変位速度1mm/分の条件で負荷を加えた。粒子強度は試料一粒毎に顕微鏡で撮影して長径と短径を求めた後、微小強度試験機を用いて最大破壊荷重を測定した。
(Measurement method of particle strength)
Figure 5 shows the appearance of the micro-strength tester and the conceptual diagram of particle strength measurement. The testing machine used is an electromagnetic force type micro-strength testing machine (hereinafter referred to as a micro-strength testing machine). The maximum load capacity was 50 N, and the load was applied under the condition of constant displacement speed of 1 mm / min. The particle strength was determined by photographing each sample with a microscope to determine the major axis and the minor axis, and then the maximum fracture load was measured using a microintensity tester.

(粒子強度の測定方法)
人工砂の粒子の圧縮強度は、図5に示す電磁力式微小強度試験機を用い、粒子1粒ごとに破壊試験を行い、最大破壊荷重を求めた。
最大破壊荷重から粒子強度を求めるには試料粒子の断面積を知る必要である。ここで言う断面積とは圧縮試験時の加圧板と試料粒子の接触面積である。しかしながら、試料粒子は不整形粒子であるためにその接触面積は必ずしも一定で無い。そこで、不整形粒子の圧縮強度計算式として、幾つか提案されている中から、以下の福本の計算式を用いて、圧縮強度を測定した。
圧縮強度(Pa)の算出
Pa=P/(A×B/8)
ここに,P:最大破壊荷重、A:試料長径、B:試料短径
文献) 福本武明,原健夫:土木工学会論文集,596/III-43(1996),91
(Measurement method of particle strength)
For the compressive strength of the artificial sand particles, a fracture test was conducted for each particle using the electromagnetic force type micro-strength tester shown in FIG. 5, and the maximum fracture load was determined.
To obtain the particle strength from the maximum fracture load, it is necessary to know the cross-sectional area of the sample particles. The cross-sectional area referred to here is the contact area between the pressure plate and the sample particles during the compression test. However, since the sample particles are irregular particles, their contact area is not always constant. Therefore, the compressive strength was measured using the following Fukumoto's formula from among several proposed formulas for calculating the compressive strength of irregular particles.
Calculation of compressive strength (Pa)
Pa = P / (A × B / 8)
Here, P: maximum fracture load, A: sample major axis, B: sample minor axis literature) Takeaki Fukumoto, Takeo Hara: Proceedings of the Civil Engineering Society, 596 / III-43 (1996), 91

(アスペクト比の測定方法)
アスペクト比は長径と短径から計算されるが、業界によって長径/短径であったり、短径/長径であったりする。本発明では、短径/長径で測定している。すなわち、本発明におけるアスペクト比は1以下であり、1に近いほど真円に近くなる。
アスペクト比は産業会で一般に使用され、現在は長径/短径が主流となっている。しかし、鋳造業界においては、長径/短径の比率は粒形係数として定義されている。これは、日本鋳物協会東海支部無機砂型研究部会が1982年に定めたTIKS-302「生型用けい砂の粒形試験方法」に記載されている。このために、アスペクト比を長径/短径の比率とすると、粒形係数と同義となることから、アスペクト比を短径/長径とすることが鋳造業界でこの時より永らく広まっている。
文献) 日本鋳物協会東海支部無機砂型研究部会:日本鋳物協会東海支部無機砂型研究部会報告書(II)(日本鋳物協会東海支部)(1982)95-176
(Aspect ratio measurement method)
The aspect ratio is calculated from the major axis and the minor axis, but depending on the industry, it may be major axis / minor axis or minor axis / major axis. In the present invention, the measurement is performed on the minor axis / major axis. That is, the aspect ratio in the present invention is 1 or less, and the closer it is to 1, the closer it is to a perfect circle.
The aspect ratio is generally used by industry associations, and currently the major axis / minor axis is the mainstream. However, in the foundry industry, the major / minor axis ratio is defined as the grain size factor. This is described in TIKS-302 "Grain Shape Test Method for Raw Mold Sand" established in 1982 by the Tokai Branch Inorganic Sand Mold Research Subcommittee of the Japan Foundry Association. For this reason, if the aspect ratio is the major axis / minor axis ratio, it is synonymous with the grain size coefficient. Therefore, the aspect ratio of the minor axis / major axis has been widespread in the casting industry for a long time.
(Reference) Japan Foundry Association Tokai Branch Inorganic Sand Mold Research Subcommittee: Japan Foundry Association Tokai Branch Inorganic Sand Mold Research Subcommittee Report (II) (Japan Foundry Association Tokai Branch) (1982) 95-176

(かさ比重の測定方法)
かさ比重の測定は、中小企業事業団が平成11年5月に発行した「鋳型および鋳型材料に関する試験方法」に規定される「S-10鋳物砂の充填性(かさ比重)試験法」に準じて測定した。異なる点は投入容器であり、これは「S-5鋳物砂の流動度試験法」に定められたフォードカップ♯4を用いた。つまり、かさ比重と流動度の同時測定である。
かさ比重にあっては、空隙の構造とは無関係に結晶構造由来の隙間と焼結時の空隙の両者を含む空隙が多いほど、かさ比重が小さくなる傾向を示す。
(Measuring method of bulk specific density)
The bulk specific gravity is measured according to the "S-10 Casting Sand Fillability (Bulk Specific Gravity) Test Method" specified in the "Test Method for Molds and Mold Materials" issued by the Small and Medium-sized Enterprises Corporation in May 1999. Was measured. The difference is the charging container, which uses the Ford Cup # 4 specified in "S-5 Casting Sand Fluidity Test Method". That is, it is a simultaneous measurement of bulk specific gravity and fluidity.
Regarding the bulk specific density, the larger the number of voids including both the gaps derived from the crystal structure and the voids at the time of sintering, regardless of the structure of the voids, the smaller the bulk specific gravity tends to be.

(気泡のある粒子の比率,粒子の空隙率, マトリックスの状態, 粒子強度,アスペクト比,かさ比重)
本発明の溶融風砕法人工砂が他の人工砂と比較して、粒子強度が高く良好なこと、アスペクト比が1に近く真円に近いこと、かさ比重が溶融法人工砂の中では軽量であることを表1より述べる。
(Ratio of particles with bubbles, porosity of particles, matrix state, particle strength, aspect ratio, bulk specific gravity)
Compared with other artificial sands, the molten wind crushing artificial sand of the present invention has high particle strength and is good, the aspect ratio is close to 1 and close to a perfect circle, and the bulk specific gravity is lighter than the molten artificial sand. It is described from Table 1 that there is.

本発明の実施の形態に係る溶融風砕法人工砂は、粒子内部に気泡欠陥が無く、マトリックスが均質であり、粒形や粒子表面が良好である。これにより、粒子が破砕することなく産業廃棄物が減でき、粘結剤を低減することによる鋳造欠陥が減少することから製品歩留りが向上し、粘結剤の分解が少なくなることで環境適合となり、軽量であることから重筋作業の低減、などの種々の利点を有するものであり、これを本発明の実施例と比較例とを挙げて以下説明するが、本発明はこれらの実施例に限定して理解されるべきではない。 The molten wind crushing artificial sand according to the embodiment of the present invention has no bubble defects inside the particles, has a uniform matrix, and has a good particle shape and particle surface. As a result, industrial waste can be reduced without crushing the particles, casting defects due to the reduction of the binder are reduced, so that the product yield is improved and the decomposition of the binder is reduced, which makes it environmentally friendly. Since it is lightweight, it has various advantages such as reduction of heavy-duty work, and this will be described below with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention. It should not be understood in a limited way.

(実施例-1)
実施例-1は、原料はシリカ源とアルミナ源であり、これらをアーク炉に投入し、およそ2100℃で溶解した。炉体を傾斜して出湯し、圧力を調整したエアーをノズルから流れ落ちる溶湯に吹き付け、放物線を描くように風砕した。風砕時に球状となった時点でステンレス容器に受けて冷却を開始させ、乾燥後に篩い分けを行い、製品とした。実施例-1の主な化学成分はSiO2:40.3%、Al2O3:53.6%であり、他はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。粒子を冷却させる温度は、図1中の初晶がムライトとなる液相線温度から共晶温度1587℃±10℃付近の範囲としている。「付近」と記したのは高温から低温に移行する際の反応は、目的の温度を下回ることが反応論的には一般である。つまり、急激に温度が低下する場合は、共晶温度の1587℃±10℃以下の温度においても効果がある。ただし、共晶温度である1587℃±10℃を大きく下回ると本発明の効果は無い。
実施例-1は、気泡粒子率は19.4%、空隙率は0.01vol%であることから、粒子空隙率は0.002vol%である。また、マトリックスの状態は均質である。この結果、粒子強度は3263MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えている。また、アスペクト比は0.956であり、上市されている比較例-3~10の0.820~0.941を上回っている。更には、かさ比重は1.656g/cm3であり、上市されている溶融法人工砂である比較例-3~5の1.680~1.942g/cm3より軽量である。
(Example-1)
In Example-1, the raw materials were a silica source and an alumina source, which were put into an arc furnace and melted at about 2100 ° C. The hot water was discharged by tilting the furnace body, and the air whose pressure was adjusted was blown onto the molten metal flowing down from the nozzle, and the air was crushed in a parabolic manner. When it became spherical during wind crushing, it was received in a stainless steel container to start cooling, and after drying, it was sieved to obtain a product. The main chemical components of Example-1 are SiO 2 : 40.3%, Al 2 O 3 : 53.6%, and the others consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O, etc. .. The temperature at which the particles are cooled is in the range of the eutectic temperature of 1587 ° C ± 10 ° C from the liquidus temperature at which the primary crystal becomes mullite in Fig. 1. The term "nearby" refers to the fact that the reaction at the transition from high temperature to low temperature is generally below the target temperature. That is, when the temperature drops sharply, it is effective even at a temperature of 1587 ° C ± 10 ° C or less, which is the eutectic temperature. However, if the temperature is far below the eutectic temperature of 1587 ° C ± 10 ° C, the present invention has no effect.
In Example-1, since the bubble particle ratio is 19.4% and the porosity is 0.01 vol%, the particle porosity is 0.002 vol%. Also, the state of the matrix is homogeneous. As a result, the particle strength is 3263 MPa, which exceeds 2500 MPa, which is the object of the present invention. In addition, the aspect ratio is 0.956, which exceeds 0.820 to 0.941 of Comparative Examples-3 to 10 on the market. Furthermore, the bulk specific gravity is 1.656 g / cm 3 , which is lighter than 1.680 to 1.942 g / cm 3 of Comparative Examples 3 to 5 which are the artificial sands of the molten method on the market.

(実施例-2)
実施例-2は、実施例-1と同様な製法で成分が異なる。実施例-2の主な化学成分はSiO2:34.9%、Al2O3:55.7%であり、他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
実施例-2は、気泡粒子率は21.1%、空隙率は0.01vol%であることから、粒子空隙率は0.002vol%である。また、マトリックスの状態は均質である。この結果、粒子強度は2732MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えている。また、アスペクト比は0.965であり、上市されている比較例-3~10の0.820~0.941を上回っている。更には、かさ比重は1.662g/cm3であり、上市されている溶融法人工砂である比較例-3~5の1.680~1.942g/cm3より軽量である。
(Example-2)
Example-2 has the same manufacturing method as Example-1 but different components. The main chemical components of Example-2 are SiO 2 : 34.9%, Al 2 O 3 : 55.7%, and the other components are TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O, etc. Consists of.
In Example 2, since the bubble particle ratio is 21.1% and the porosity is 0.01 vol%, the particle porosity is 0.002 vol%. Also, the state of the matrix is homogeneous. As a result, the particle strength is 2732 MPa, which exceeds 2500 MPa, which is the object of the present invention. In addition, the aspect ratio is 0.965, which exceeds 0.820 to 0.941 of Comparative Examples-3 to 10 on the market. Furthermore, the bulk specific gravity is 1.662 g / cm 3 , which is lighter than 1.680 to 1.942 g / cm 3 of Comparative Examples 3 to 5 which are the artificial sands of the molten method on the market.

(実施例-3)
実施例-3は、実施例-1、2と同様な製法で成分が異なる。実施例-3の主な化学成分はSiO2:29.8%、Al2O3:61.8%であり、他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
実施例-3は、気泡粒子率は16.3%、空隙率は0.08vol%であることから、粒子空隙率は0.013vol%である。また、マトリックスの状態は均質である。この結果、粒子強度は2716MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えている。また、アスペクト比は0.959であり、上市されている比較例-3~10の0.820~0.941を上回っている。更には、かさ比重は1.760g/cm3であり、上市されている溶融法人工砂である比較例-3~5の1.680~1.942g/cm3比較すると、これらの中では軽量側である。
(Example-3)
Example 3 has the same manufacturing method as Examples 1 and 2, but the components are different. The main chemical components of Example-3 are SiO 2 : 29.8%, Al 2 O 3 : 61.8%, and the other components are TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O, etc. Consists of.
In Example 3, since the bubble particle ratio is 16.3% and the porosity is 0.08 vol%, the particle porosity is 0.013 vol%. Also, the state of the matrix is homogeneous. As a result, the particle strength is 2716 MPa, which exceeds 2500 MPa, which is the object of the present invention. In addition, the aspect ratio is 0.959, which exceeds 0.820 to 0.941 of Comparative Examples-3 to 10 on the market. Furthermore, the bulk specific gravity is 1.760 g / cm 3, which is the lighter weight side among these compared to 1.680 to 1.942 g / cm 3 of Comparative Examples 3 to 5 which are the artificial sands of the molten method on the market.

(実施例-4)
実施例-4は、実施例-1と原料配合が同一であり、同様に製造した後に、およそ1200℃で1時間、焼き戻しを行った。この焼き戻し温度は図1中のシリカとムライトの共晶温度である1587℃±10℃以下であれば良く、温度が下がるにしたがって、焼き戻し時間を長くする必要がある。実施例-4の化学成分はSiO2:39.6%、Al2O3:51.4%であり、他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
実施例-4は、気泡粒子率は11.4%、空隙率は0.04vol%であることから、粒子空隙率は0.005vol%である。また、マトリックスの状態は均質である。この結果、粒子強度は4074MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えている。また、アスペクト比は0.968であり、上市されている比較例-3~10の0.820~0.941を上回っている。更には、かさ比重は1.749g/cm3であり、上市されている溶融法人工砂である比較例-3~5の1.680~1.942g/cm3比較すると、これらの中では軽量側である。
実施例-4は実施例-1を焼き戻ししたが、粒子強度は実施例-1の3263MPaから4074MPaに増加している。これは、実施例-4はSiO2が相対的に多い配合であることから、焼き戻し時に析出するシリカ(SiO2比重2.65)とムライト(3Al2O3・2SiO2比重3.16)の2種の鉱物の内、比重の軽いシリカが多く析出することで、粒子内部のnm単位で存在する隙間を埋めて緻密な粒子になることが理由である。
(Example-4)
Example-4 had the same raw material composition as Example-1, and after being produced in the same manner, tempered at about 1200 ° C. for 1 hour. This tempering temperature may be 1587 ° C ± 10 ° C or less, which is the eutectic temperature of silica and mullite in FIG. 1, and it is necessary to lengthen the tempering time as the temperature decreases. The chemical composition of Example-4 is SiO 2 : 39.6%, Al 2 O 3 : 51.4%, and the other components are TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O, etc. ..
In Example-4, since the bubble particle ratio is 11.4% and the porosity is 0.04 vol%, the particle porosity is 0.005 vol%. Also, the state of the matrix is homogeneous. As a result, the particle strength is 4074 MPa, which exceeds 2500 MPa, which is the object of the present invention. In addition, the aspect ratio is 0.968, which exceeds 0.820 to 0.941 of Comparative Examples-3 to 10 on the market. Furthermore, the bulk specific gravity is 1.479 g / cm 3 , which is the lighter weight side among these compared to 1.680 to 1.942 g / cm 3 of Comparative Examples 3 to 5 which are the artificial sands of the molten method on the market.
Example-4 tempered Example-1, but the particle strength increased from 3263 MPa in Example-1 to 4074 MPa. This is because Example-4 has a relatively large amount of SiO 2 , so there are two types of silica (SiO 2 specific gravity 2.65) and mullite (3 Al 2 O 3・ 2SiO 2 specific gravity 3.16) that precipitate during rewinding. The reason is that a large amount of silica, which has a light specific gravity, is deposited among the minerals to fill the gaps existing in the nm unit inside the particles and become dense particles.

(比較例-1、2)
比較例-1は、実施例-2と原料配合が同一であり、同様に製造した後に、およそ1200℃で1時間、焼き戻しを行った。比較例-1の化学成分はSiO2:30.3%、Al2O3:57.8%であり、他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-1は、実施例-4と同様に焼き戻しを行ったが、実施例-4と比較するとAl2O3の多い成分である。
比較例-1は、気泡粒子率は38.5%、空隙率は1.01vol%であることから、粒子空隙率は0.39vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、μmオーダーのスジ状の隙間が存在する。この結果、粒子強度は1472MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。
実施例-2は本発明の目的を満たしていたが、焼き戻しした比較例-1は満たしていない。また、同様に焼き戻しした実施例-4は粒子強度が更に増加したが、比較例-1では低下している。これらの理由は、比較例-1は焼き戻し時に析出する鉱物は比重の重いムライトが相対的に多いためであると考えられる。その結果、粒子内部に隙間が生じ、マクロ的には気泡粒子率が増加し、ミクロ的にはマトリックスにスジが生成したために、粒子の構造が弱くなったためであると考えられる。
(Comparative Examples-1, 2)
Comparative Example-1 had the same raw material composition as Example-2, and after being produced in the same manner, tempered at about 1200 ° C. for 1 hour. The chemical composition of Comparative Example-1 is SiO 2 : 30.3%, Al 2 O 3 : 57.8%, and the other components are TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O, etc. ..
Comparative Example-1 was tempered in the same manner as in Example 4, but had a large amount of Al 2 O 3 as compared with Example 4.
In Comparative Example-1, since the bubble particle ratio is 38.5% and the porosity is 1.01 vol%, the particle porosity is 0.39 vol%. The state of the matrix is inhomogeneous, and there are streak-like gaps on the order of μm. As a result, the particle strength is 1472 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention.
Example-2 satisfied the object of the present invention, but tempered Comparative Example-1 did not. In addition, the particle strength of Example 4 tempered in the same manner was further increased, but decreased in Comparative Example-1. It is considered that these reasons are that the minerals precipitated during tempering in Comparative Example 1 have a relatively large amount of mullite having a heavy specific density. As a result, it is considered that the structure of the particles is weakened due to the formation of gaps inside the particles, the increase in the bubble particle ratio on the macro scale, and the formation of streaks on the matrix on the micro scale.

比較例-2は、実施例-3と原料配合が同一であり、同様に製造した後に、およそ1200℃で1時間、焼き戻しを行った。比較例-2の化学成分はSiO2:29.2%、Al2O3:61.0%であり、他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-2は、実施例-4と同様に焼き戻しを行ったが、実施例-4及び比較例-2と比較するとAl2O3の多い成分である。
比較例-2は、気泡粒子率は31.2%、空隙率は9.72vol%であることから、粒子空隙率は3.03vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、μmオーダーのスジ状の隙間や空洞が存在する。この結果、粒子強度は1329MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。焼き戻しにより、粒子強度が低下した理由は、比較例-1と同様である。なお、比較例-2はAl2O3が更に多いのでムライトが多く析出し、粒子内の空洞を大きくすることで、粒子強度を更に低下させている。
Comparative Example-2 had the same raw material composition as Example-3, and after being produced in the same manner, tempered at about 1200 ° C. for 1 hour. The chemical composition of Comparative Example-2 is SiO 2 : 29.2%, Al 2 O 3 : 61.0%, and the other components are TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O, etc. ..
Comparative Example-2 was tempered in the same manner as in Example 4, but had a large amount of Al 2 O 3 as compared with Example 4 and Comparative Example 2.
In Comparative Example-2, the bubble particle ratio is 31.2% and the porosity is 9.72 vol%, so that the particle porosity is 3.03 vol%. The state of the matrix is inhomogeneous, and there are streak-like gaps and cavities on the order of μm. As a result, the particle strength is 1329 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The reason why the particle strength decreased due to tempering is the same as in Comparative Example-1. In Comparative Example-2, since the amount of Al 2 O 3 is further increased, a large amount of mullite is deposited, and the cavity in the particle is enlarged to further reduce the particle strength.

(比較例-3、4)
比較例-3は、上市されている溶融風砕法(黒鉛電極接触溶融法)で製造されたムライト+アルミナ系溶融人工砂である。原料を黒鉛電極に接触して、瞬時に溶解して溶け落ちた溶湯にエアーをノズルで吹き付け、放物線を描くように風砕し、土間などに落下した粒子を自然冷却して製品としたものである。比較例-3の化学成分はSiO2:29.8%、Al2O3:61.8%である。他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-3は、気泡粒子率は46.2%、空隙率は0.05vol%であることから、粒子空隙率は0.024vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、樹枝状晶が認められる。この結果、粒子強度は1433MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子数が高いのと、マトリックスに樹枝状晶が存在することが、粒子強度低下の原因であろう。
(Comparative Examples-3, 4)
Comparative Example 3 is mullite + alumina-based molten artificial sand produced by the molten air crushing method (graphite electrode contact melting method) on the market. The raw material comes into contact with the graphite electrode, and air is blown to the molten metal that has melted down instantly with a nozzle, and the particles are air-crushed in a parabolic manner, and the particles that have fallen into the soil are naturally cooled to make a product. be. The chemical composition of Comparative Example-3 is SiO 2 : 29.8% and Al 2 O 3 : 61.8%. Other components consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O and the like.
In Comparative Example 3, since the bubble particle ratio is 46.2% and the porosity is 0.05 vol%, the particle porosity is 0.024 vol%. The state of the matrix is inhomogeneous and dendritic crystals are observed. As a result, the particle strength is 1433 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The high number of bubble particles and the presence of dendritic crystals in the matrix may be the cause of the decrease in particle strength.

比較例-4は、比較例-3と同一の製法で製造された上市されている溶融風砕法(黒鉛電極接触溶融法)人工砂である。比較例-3より夾雑物が多い。化学成分はSiO2:18.4%、Al2O3:68.6%である。SiO2とAl2O3の合計が比較例-3では90.5%に対して、比較例-4では87.0%である。
比較例-4は、気泡粒子率は35.2%、空隙率は0.01vol%であることから、粒子空隙率は0.004vol%である。マトリックスの状態は均質である。この結果、粒子強度は1425MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子率が高いことが粒子強度を阻害している原因であろう。
Comparative Example 4 is a commercially available molten wind crushing method (graphite electrode contact melting method) artificial sand manufactured by the same manufacturing method as Comparative Example 3. There are more impurities than Comparative Example-3. The chemical composition is SiO 2 : 18.4% and Al 2 O 3 : 68.6%. The total of SiO 2 and Al 2 O 3 is 90.5% in Comparative Example-3 and 87.0% in Comparative Example-4.
In Comparative Example-4, since the bubble particle ratio is 35.2% and the porosity is 0.01 vol%, the particle porosity is 0.004 vol%. The state of the matrix is homogeneous. As a result, the particle strength is 1425 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The high bubble particle ratio may be the cause of hindering the particle strength.

(比較例-5)
比較例-5は、上市されている火炎内溶融法で製造されたムライト系溶融人工砂である。下方に火炎が向けられた酸素バーナーに、予め鋳物砂のサイズに粉砕した原料粒子を火炎に沿って投入し、火炎の熱で粒子を溶解し、落下する際に球状とし、自然冷却したものである。化学成分はSiO2:33.1%、Al2O3:58.9%である。他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-5は、気泡粒子率は63.9%、空隙率は7.30vol%であることから、粒子空隙率は4.67vol%である。マトリックスの状態は均質である。この結果、粒子強度は1425MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子率が高いことが粒子強度を阻害している原因であろう。
(Comparative Example-5)
Comparative Example 5 is a mullite-based molten artificial sand produced by the in-flame melting method on the market. In an oxygen burner with a flame directed downward, raw material particles crushed to the size of cast sand in advance are put along the flame, the particles are melted by the heat of the flame, made spherical when falling, and naturally cooled. be. The chemical composition is SiO 2 : 33.1% and Al 2 O 3 : 58.9%. Other components consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O and the like.
In Comparative Example 5, the bubble particle ratio is 63.9% and the porosity is 7.30 vol%, so that the particle porosity is 4.67 vol%. The state of the matrix is homogeneous. As a result, the particle strength is 1425 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The high bubble particle ratio may be the cause of hindering the particle strength.

(比較例-6, 7)
比較例-6は、上市されている焼結法(パンミキサ造粒法)で製造されたムライト系人工砂である。化学成分はSiO2:51.4%、Al2O3:40.7%である。他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-6は、気泡粒子率は76.9%、空隙率は2.60vol%であることから、粒子空隙率は2.00vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、μmオーダーの丸みを帯びた凹凸がある。この結果、粒子強度は1565MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子率が高いことや不均質なマトリックスが粒子強度を阻害している原因であろう。
(Comparative example-6, 7)
Comparative Example 6 is mullite-based artificial sand produced by the sintering method (panmixer granulation method) that has been put on the market. The chemical composition is SiO 2 : 51.4% and Al 2 O 3 : 40.7%. Other components consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O and the like.
In Comparative Example-6, the bubble particle ratio is 76.9% and the porosity is 2.60 vol%, so that the particle porosity is 2.00 vol%. The state of the matrix is inhomogeneous, with rounded irregularities on the order of μm. As a result, the particle strength is 1565 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The high bubble particle ratio and the inhomogeneous matrix may be the cause of the inhibition of particle strength.

比較例-7は、上市されている焼結法(パンミキサ造粒法)で製造されたムライト系人工砂である。化学成分はSiO2:44.3%、Al2O3:49.8%である。他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-7は、気泡粒子率は78.6%、空隙率は2.10vol%であることから、粒子空隙率は1.65vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、μmオーダーの丸みを帯びた凹凸がある。この結果、粒子強度は1671MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子率が高いことや不均質なマトリックスが粒子強度を阻害している原因であろう。
Comparative Example-7 is mullite-based artificial sand produced by the sintering method (panmixer granulation method) that has been put on the market. The chemical composition is SiO 2 : 44.3% and Al 2 O 3 : 49.8%. Other components consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O and the like.
In Comparative Example-7, the bubble particle ratio is 78.6% and the porosity is 2.10vol%, so that the particle porosity is 1.65vol%. The state of the matrix is inhomogeneous, with rounded irregularities on the order of μm. As a result, the particle strength is 1671 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The high bubble particle ratio and the inhomogeneous matrix may be the cause of the inhibition of particle strength.

(比較例-8~10)
比較例-8は、上市されている焼結法(スプレードライヤ造粒法)で製造されたムライト系人工砂である。化学成分はSiO2:37.5%、Al2O3:55.8%である。他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-8は、気泡粒子率は100.0%、空隙率は16.70vol%であることから、粒子空隙率は16.70vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、粗大なムライト結晶が析出しており、粒界により不連続となっている。この結果、粒子強度は955MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子率が極めて高いことや不均質なマトリックスが粒子強度を阻害している原因であろう。
(Comparative Example-8-10)
Comparative Example-8 is mullite-based artificial sand produced by the sintering method (spray dryer granulation method) that has been put on the market. The chemical composition is SiO 2 : 37.5% and Al 2 O 3 : 55.8%. Other components consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O and the like.
In Comparative Example-8, since the bubble particle ratio is 100.0% and the porosity is 16.70vol%, the particle porosity is 16.70vol%. The state of the matrix is inhomogeneous, coarse mullite crystals are precipitated, and it is discontinuous due to grain boundaries. As a result, the particle strength is 955 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The extremely high bubble particle ratio and the inhomogeneous matrix may be the cause of the inhibition of particle strength.

比較例-9は、上市されている焼結法(スプレードライヤ造粒法)で製造されたムライト系人工砂である。比較例-8と同様な製造工程を経て、最終工程で磨鉱工程を追加して、粒形などを改善したものである。化学成分はSiO2:37.0%、Al2O3:56.3%である。他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-9は、気泡粒子率は100.0%、空隙率は9.80vol%であることから、粒子空隙率は9.80vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、粗大なムライト結晶が析出しており、粒界により不連続となっている。この結果、粒子強度は836MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子率が極めて高いことや不均質なマトリックスが粒子強度を阻害している原因であろう。
Comparative Example-9 is mullite-based artificial sand produced by the sintering method (spray dryer granulation method) that has been put on the market. After the same manufacturing process as in Comparative Example-8, a polishing process was added in the final process to improve the grain shape and the like. The chemical composition is SiO 2 : 37.0% and Al 2 O 3 : 56.3%. Other components consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O and the like.
In Comparative Example-9, since the bubble particle ratio is 100.0% and the porosity is 9.80 vol%, the particle porosity is 9.80 vol%. The state of the matrix is inhomogeneous, coarse mullite crystals are precipitated, and it is discontinuous due to grain boundaries. As a result, the particle strength is 836 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The extremely high bubble particle ratio and the inhomogeneous matrix may be the cause of the inhibition of particle strength.

比較例-10は、上市されている焼結法(スプレードライヤ造粒法)で製造されたムライト系人工砂である。比較例-8と同様な製造工程を経て、最終工程で比較例-9と異なる磨鉱工程を追加して、粒形などを改善したものである。化学成分はSiO2:39.8%、Al2O3:57.8%である。他の成分はTiO2、Fe2O3、Na2O、MgO、K2O、CaOなどからなる。
比較例-10は、気泡粒子率は100.0%、空隙率は9.60vol%であることから、粒子空隙率は9.60vol%である。マトリックスの状態は不均質であり、粗大なムライト結晶が析出しており、粒界により不連続となっている。この結果、粒子強度は1124MPaであり、本発明が目的としている2500MPaを超えていない。気泡粒子率が極めて高いことや不均質なマトリックスが粒子強度を阻害している原因であろう。
Comparative Example-10 is mullite-based artificial sand produced by the sintering method (spray dryer granulation method) that has been put on the market. After the same manufacturing process as in Comparative Example-8, a polishing process different from that in Comparative Example-9 was added in the final process to improve the grain size and the like. The chemical composition is SiO 2 : 39.8% and Al 2 O 3 : 57.8%. Other components consist of TiO 2 , Fe 2 O 3 , Na 2 O, MgO, K 2 O, Ca O and the like.
In Comparative Example-10, the bubble particle ratio is 100.0% and the porosity is 9.60 vol%, so that the particle porosity is 9.60 vol%. The state of the matrix is inhomogeneous, coarse mullite crystals are precipitated, and it is discontinuous due to grain boundaries. As a result, the particle strength is 1124 MPa, which does not exceed 2500 MPa, which is the object of the present invention. The extremely high bubble particle ratio and the inhomogeneous matrix may be the cause of the inhibition of particle strength.

(微粉化率での実施例、比較例の評価)
実施例、比較例の粒子強度について述べたが、鋳造ラインにおいて、これらの強度差がどのように影響するかについて、粒子の微粉化率を求めて比較する。微粉化率の計算方法は、以下の平田や黒川らの文献に示されている。
文献)
平田英之,森本宏,黒川豊,上林仁司:JISSAR2003論文集(2003),149
平田英之,森本宏,黒川豊,上林仁司:日本材料学会第53期学術講演会講演論文集(2004),417
H.Ameku,H.Kambayashi,Y.Kurokawa,H.Hirata,H.Miyake:AFS.Trans.114(2006),paper06-045(04),pdf,1-10
(Evaluation of Examples and Comparative Examples at the Micronization Rate)
Although the particle strengths of the examples and comparative examples have been described, how the difference in strength affects them in the casting line is compared by obtaining the micronization rate of the particles. The calculation method of the micronization rate is shown in the following documents by Hirata and Kurokawa et al.
Literature)
Hideyuki Hirata, Hiroshi Morimoto, Yutaka Kurokawa, Hitoshi Uebayashi: JISSAR 2003 Proceedings (2003), 149
Hideyuki Hirata, Hiroshi Morimoto, Yutaka Kurokawa, Hitoshi Uebayashi: Proceedings of the 53rd Academic Lecture Meeting of the Japan Society of Materials Science (2004), 417
H.Ameku, H.Kambayashi, Y.Kurokawa, H.Hirata, H.Miyake: AFS.Trans.114 (2006), paper06-045 (04), pdf, 1-10

最初に、鋳造プロセスで粒子が受ける応力分布を知る必要がある。動的シミュレーション(ANSYS-LS-DYNATM)を用い、鋳造プロセスで粒子が衝突する条件を設定し、その際に発生する応力分布を得る。条件は5m/s、3m/s、1m/sの粒子の速度と上記文献では設定している。これは鋳造プロセスの中で、粒子が最も応力を受ける再生工程の中での粒子速度である。これらの速度で粒子が衝突すると仮定している。これを「鋳造時の応力分布」とする。
次いで,この鋳造時の応力分布と、本発明で得た粒子の圧縮強度分布から求まる基準化応力とから微粉化率を算出する。基準化応力とは、セラミックスである人工砂では粒子サイズが大きくなるに従って、圧縮強度が低下する。これはセラミックサンドの強度は体積に依存するためである。そこで、有効体積により基準化し、これを基準化応力とする。
鋳造時の応力分布と基準化応力はともに平均、偏差が求まる。そこで、平均、偏差から確率密度曲線を計算し、図6に示す。確率密度曲線の積分値は1である。
図7に示すように、鋳造時の応力分布と基準化応力の確率密度曲線の重なる箇所は、粒子が破壊される箇所であり、これを百分率としたものが微粉化率である。
表4に、実施例-1~4と比較例-1~10の微粉化率をまとめて示す。実施例では微粉化率が一桁の値であるのに対して、比較例は全て二桁の値である。
First, we need to know the stress distribution that the particles receive during the casting process. Using dynamic simulation (ANSYS-LS-DYNATM), the conditions under which particles collide in the casting process are set, and the stress distribution generated at that time is obtained. The conditions are set as the velocity of particles of 5m / s, 3m / s, and 1m / s in the above document. This is the particle velocity in the regeneration process where the particles are most stressed in the casting process. It is assumed that the particles collide at these velocities. This is referred to as "stress distribution during casting".
Next, the micronization rate is calculated from the stress distribution during casting and the standardized stress obtained from the compressive strength distribution of the particles obtained in the present invention. The standardized stress is that in artificial sand, which is a ceramic, the compressive strength decreases as the particle size increases. This is because the strength of the ceramic sand depends on the volume. Therefore, it is standardized by the effective volume, and this is used as the standardized stress.
The average and deviation of both the stress distribution and the standardized stress during casting can be obtained. Therefore, the probability density curve is calculated from the mean and deviation, and is shown in Fig. 6. The integral value of the probability density curve is 1.
As shown in FIG. 7, the place where the stress distribution at the time of casting and the probability density curve of the standardized stress overlap is the place where the particles are broken, and the pulverization rate is the percentage.
Table 4 summarizes the pulverization rates of Examples-1 to 4 and Comparative Examples-1 to 10. In the examples, the micronization rate is a single-digit value, whereas in all the comparative examples, it is a double-digit value.

Figure 2022034338000005
表4 実施例と比較例の微粉化率
Figure 2022034338000005
Table 4 Micronization rate of Examples and Comparative Examples

(シェル鋳型、フラン鋳型、アルカリフェノール鋳型での特性評価) (Characteristic evaluation with shell mold, furan mold, alkaline phenol mold)

(シェル鋳型)
表5に本発明の溶融風砕法人工砂のシェル鋳型の特性を示す。実施例1~4と、比較例の中から比較例-1~3を対比して示す。それぞれの人工砂に対して、重量比で高分子系のフェノール樹脂を1.2%加え、ヘキサメチレンテトラミンを樹脂に対して15%、ステアリン酸カルシウムを人工砂に対して0.1%添加してレジンコーテットサンドとした。280℃で加熱して試験片を作製し、曲げ強度、試験片密度を測定した。その他に、一般的に測定する温時強度、280℃肉厚、1000℃最大膨張量を測定している。
実施例-1~4の曲げ強度は比較例-1~3よりも高い値である。比較例-3が上市されていることから、本発明は市場で販売されている人工砂以上の強度特性である。
なお、粘結剤を砂重量に対して添加したが、かさ比重に依存する試験片密度がそれぞれ異なることから、体積当たりで樹脂を添加した際に換算した曲げ強度データも付けている。鋳造現場では鋳型の体積は一定であることから、体積当たりの樹脂量を一定とすることが合理的である。これによると、本発明は上市されている比較例-3と比較して、1.25倍から1.40倍の曲げ強度であり、十分な強度を有していることが分かる。従って、本発明品はシェル鋳型においては上市されているものよりも優位であると言える。
(Shell mold)
Table 5 shows the characteristics of the shell mold of the molten wind crushing method artificial sand of the present invention. Examples 1 to 4 and Comparative Examples -1 to 3 from the comparative examples are shown in comparison. For each artificial sand, add 1.2% of polymer phenol resin by weight, add 15% of hexamethylenetetramine to the resin, and add 0.1% of calcium stearate to the artificial sand to make resin coated sand. And said. A test piece was prepared by heating at 280 ° C., and the bending strength and the test piece density were measured. In addition, the temperature strength, 280 ° C wall thickness, and 1000 ° C maximum expansion amount, which are generally measured, are measured.
The bending strength of Examples-1 to 4 is higher than that of Comparative Examples-1 to 3. Since Comparative Example 3 has been put on the market, the present invention has higher strength characteristics than the artificial sand sold on the market.
Although the binder was added to the weight of the sand, since the density of the test pieces depending on the bulk specific gravity is different, the bending strength data converted when the resin is added per volume is also attached. Since the volume of the mold is constant at the casting site, it is rational to keep the amount of resin per volume constant. According to this, it can be seen that the present invention has a bending strength of 1.25 to 1.40 times that of Comparative Example 3 on the market, and has sufficient strength. Therefore, it can be said that the product of the present invention is superior to those on the market in shell molds.

Figure 2022034338000006
表5 シェル鋳型特性
Figure 2022034338000006
Table 5 Shell mold characteristics

(フラン鋳型)
表6に本発明の溶融風砕法人工砂のフラン鋳型の特性を示す。実施例1~4と、比較例の中から比較例-1~3を対比して示す。それぞれの人工砂に対して、重量比で汎用系フラン樹脂を1.2%加え、スルフォン酸系硬化剤を樹脂に対して40%添加して混練した。混練後、直ぐに直径28mm×高さ50mmの試験片を造型し、24時間後までの圧縮強度を測定した。
実施例-1~4の24時間後の圧縮強度は、上市されている比較例-3よりも高い値を示した。また、体積当たりで樹脂添加に換算した24時間後の圧縮強度では、実施例1~4は、比較例-1~3よりも圧縮強度が高い結果であった。従って、本発明品はフラン鋳型においては上市されているものよりも優位であると言える。
(Fran mold)
Table 6 shows the characteristics of the furan mold of the molten wind crushing artificial sand of the present invention. Examples 1 to 4 and Comparative Examples -1 to 3 from the comparative examples are shown in comparison. To each artificial sand, 1.2% of general-purpose furan resin was added by weight, and 40% of sulphonic acid-based curing agent was added to the resin and kneaded. Immediately after kneading, a test piece having a diameter of 28 mm and a height of 50 mm was molded, and the compressive strength was measured up to 24 hours later.
The compressive strength of Examples-1 to 4 after 24 hours was higher than that of Comparative Example-3 on the market. In addition, in terms of the compressive strength after 24 hours in terms of resin addition per volume, Examples 1 to 4 had higher compressive strength than Comparative Examples-1 to 3. Therefore, it can be said that the product of the present invention is superior to the one on the market in the furan mold.

Figure 2022034338000007
表6 フラン鋳型特性
Figure 2022034338000007
Table 6 Fran mold characteristics

(アルカリフェノール鋳型)
表7に本発明の溶融風砕法人工砂のアルカリフェノール鋳型の特性を示す。実施例1~4と、比較例の中から比較例-1~3を対比して示す。それぞれの人工砂に対して、重量比でアルカリフェノール樹脂を1.5%加え、エステル有機酸を樹脂に対して20%添加して混練した。混練後、直ぐに直径28mm×高さ50mmの試験片を造型し、24時間後までの圧縮強度を測定した。
実施例-1~4の24時間後の圧縮強度は、上市されている比較例-3とほぼ同程度である。また、体積当たりで樹脂添加に換算した24時間後の圧縮強度では、実施例1~4は、比較例-1~3とほぼ同程度の圧縮強度である。従って、本発明品は上市されているものと同程度であることから、使用可能であると言える。
(Alkaline phenol mold)
Table 7 shows the characteristics of the alkaline phenol template of the molten wind crushing method artificial sand of the present invention. Examples 1 to 4 and Comparative Examples -1 to 3 from the comparative examples are shown in comparison. To each artificial sand, 1.5% of alkaline phenol resin was added by weight, and 20% of ester organic acid was added to the resin and kneaded. Immediately after kneading, a test piece having a diameter of 28 mm and a height of 50 mm was molded, and the compressive strength was measured up to 24 hours later.
The compressive strength of Examples-1 to 4 after 24 hours is almost the same as that of Comparative Example 3 on the market. Further, in terms of the compressive strength after 24 hours in terms of resin addition per volume, Examples 1 to 4 have almost the same compressive strength as Comparative Examples -1 to 3. Therefore, it can be said that the product of the present invention can be used because it is similar to the one on the market.

Figure 2022034338000008
表7 アルカリフェノール鋳型特性
Figure 2022034338000008
Table 7 Alkaline phenol template characteristics

(コールドボックス鋳型)
表8に本発明の溶融風砕法人工砂のコールドボックス鋳型の特性を示す。実施例1~4と、比較例の中から比較例-1~3を対比して示す。それぞれの人工砂に対して、重量比でフェノール樹脂を0.3%、イソシアネート樹脂を0.3%添加して混練し、アミンを触媒として硬化させた。試験片は直径28mm×高さ50mmの試験片を造型し、24時間後までの圧縮強度を測定した。
実施例-1~4の24時間後の圧縮強度は、上市されている比較例-3よりも高い値を示した。また、体積当たりで樹脂添加に換算した24時間後の圧縮強度では、実施例1~4は、比較例-1~3よりも圧縮強度が高い結果であった。従って、本発明品はコールドボックス鋳型においては上市されているものよりも優位であると言える。
(Cold box mold)
Table 8 shows the characteristics of the cold box mold of the molten wind crushing artificial sand of the present invention. Examples 1 to 4 and Comparative Examples -1 to 3 from the comparative examples are shown in comparison. To each artificial sand, 0.3% of phenol resin and 0.3% of isocyanate resin were added by weight and kneaded, and the mixture was cured using amine as a catalyst. As the test piece, a test piece having a diameter of 28 mm and a height of 50 mm was molded, and the compressive strength was measured up to 24 hours later.
The compressive strength of Examples-1 to 4 after 24 hours was higher than that of Comparative Example-3 on the market. In addition, in terms of the compressive strength after 24 hours in terms of resin addition per volume, Examples 1 to 4 had higher compressive strength than Comparative Examples-1 to 3. Therefore, it can be said that the product of the present invention is superior to the one on the market in the cold box mold.

Figure 2022034338000009
表8 コールドボックス鋳型特性
Figure 2022034338000009
Table 8 Cold box mold characteristics

鋳造用の鋳型(砂型)として繰り返し回収して使用される鋳物砂に対して利用可能である。例えば、自硬性鋳型のフラン鋳型やアルカリフェノール鋳型などに使用可能である。中子用のシェル鋳型、コールドボックス鋳型などに使用可能である。上記の造型法よりも粘結剤の添加量が多いために粘結剤の影響を受けにくい生型などには当然、使用可能である。また、粘結剤を添加しない造型法であるVプロセス、消失模型鋳造法などの鋳物砂としても使用可能である。
これらの鋳物砂を用いて、鋳鉄、鋳鋼物、銅合金、アルミニウム合金、その他の金属を鋳造するのに適している。
粒子強度が高いことから、鋳造工程の中で受ける応力に対して、破砕することなく半永久的に使用できる。これにより、鋳物砂原料の省資源が達成されるとともに、産業廃棄物がなくなることで、鋳造業界は環境適合型の業種となる。
また、粒形や粒子表面が良好であることから粘結剤量が低減できること、また、溶融法人工砂としては軽量であるため体積比で粘結剤添加量が少ないことから、粘結剤を低減することによるメリットを受けることができる。低減メリットとは、ガス欠陥の低下による鋳造歩留まり改善、鋳造時の分解ガスの低下による環境汚染の改善、粘結剤量低下による省資源、鋳型砂の粘性低下による鋳型充填性改善と高寸法鋳造品の製造、鋳造製品の製造原価低減、などである。
更に、鋳物砂が軽量となることで、作業者は重筋作業から解放される。
It can be used for casting sand that is repeatedly collected and used as a casting mold (sand mold). For example, it can be used as a self-hardening mold such as a furan mold or an alkaline phenol mold. It can be used for shell molds for cores, cold box molds, etc. Since the amount of the binder added is larger than that of the above-mentioned molding method, it can be naturally used for a green mold that is not easily affected by the binder. It can also be used as casting sand for the V process, which is a molding method that does not add a binder, and the lost model casting method.
These cast sands are suitable for casting cast iron, cast steel, copper alloys, aluminum alloys and other metals.
Due to its high particle strength, it can be used semi-permanently without crushing against the stress received in the casting process. As a result, resource saving of casting sand raw material is achieved, and industrial waste is eliminated, so that the casting industry becomes an environment-friendly industry.
In addition, since the grain shape and particle surface are good, the amount of the binder can be reduced, and because the artificial sand of the melting method is lightweight, the amount of the binder added is small in terms of volume, so the binder can be used. You can benefit from the reduction. The reduction merits are improvement of casting yield by reducing gas defects, improvement of environmental pollution by reduction of decomposition gas during casting, resource saving by reduction of binder amount, improvement of mold filling property by reduction of viscosity of mold sand and high-dimensional casting. Manufacturing of products, reduction of manufacturing cost of casting products, etc.
In addition, the lighter weight of the foundry sand frees the operator from heavy-duty work.

Claims (9)

初晶がムライトであるSiO2-Al2O3系平衡状態図の組成を有する溶融風砕法人工砂において、粒子断面に10μm以上の気泡欠陥のある粒子の存在が25%以下である鋳物砂。 In the melt wind crushing artificial sand having the composition of the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram in which the primary crystal is mullite, the presence of particles with bubble defects of 10 μm or more in the particle cross section is 25% or less. 前記粒子断面において、前記気泡欠陥の存在しない視野を10000倍で観察した際に、結晶粒界及び1μm以上の間隙が認められない請求項1記載の溶融風砕法人工砂。 The molten wind crushing artificial sand according to claim 1, wherein no grain boundaries and gaps of 1 μm or more are observed when the field of view in which the bubble defects do not exist is observed at 10000 times in the particle cross section. 前記気泡欠陥が少ないことにより、粒子強度の平均が2500MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の溶融風砕法人工砂。 The molten wind crushing method artificial sand according to claim 1, wherein the average particle strength is 2500 MPa or more due to the small number of bubble defects. 前記気泡欠陥が少ないことに加えて、前記結晶粒界及び前記間隙が認められないことにより、粒子強度の平均が2500MPa以上であることを特徴とする請求項2に記載の溶融風砕法人工砂。 The molten wind crushing method artificial sand according to claim 2, wherein the average particle strength is 2500 MPa or more because the crystal grain boundaries and the gaps are not observed in addition to the small number of bubble defects. アスペクト比が0.90以上あることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の溶融風砕法人工砂。 The molten wind crushing method artificial sand according to any one of claims 1 to 4, wherein the aspect ratio is 0.90 or more. 初晶がムライトであり、SiO2-Al2O3 系平衡状態図の組成を有する溶融風砕法人工砂において、前記SiO2-Al2O3 系平衡状態図において、Al2O3 が50~70質量%であり、粒子断面に10μm 以上の気泡欠陥のある粒子の存在が 25% 以下であり、前記粒子断面において、気泡欠陥の存在しない視野を10000 倍で観察した際に、結晶粒界や 1μm 以上の間隙が認められない粒子内部のマトリックスの均質性を備え、粒子強度の平均が2500MPa 以上であり、アスペクト比が0.90以上あることを特徴とする溶融風砕法人工砂。 In the molten wind crushing artificial sand having the primary crystal of Murite and having the composition of the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram, Al 2 O 3 is 50 to 50 in the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram. It is 70% by mass, and the presence of particles with bubble defects of 10 μm or more in the particle cross section is 25% or less. Molten wind crushing artificial sand characterized by the homogeneity of the matrix inside the particles with no gaps of 1 μm or more, an average particle intensity of 2500 MPa or more, and an aspect ratio of 0.90 or more. 請求項1~6の何れかに記載の溶融風砕法人工砂を含有する鋳型砂。 Mold sand containing the molten wind crushing method artificial sand according to any one of claims 1 to 6. 請求項1~6の何れかに記載の溶融風砕法人工砂を含有する鋳型。 A mold containing the molten wind crushing method artificial sand according to any one of claims 1 to 6. 初晶がムライトであるSiO2-Al2O3系平衡状態図の組成を含む原料を溶融し、風砕により溶融風砕法人工砂を製造する方法において、風砕工程中に冷却の制御を行うと共に、必要に応じて焼き戻しを行うことで、気泡欠陥減少やミクロオーダーの不均質、更にはアスペクト比や粒子表面を改善する溶融風砕法人工砂の製造方法。 In the method of producing artificial sand by melting wind crushing method by melting the raw material containing the composition of the SiO 2 -Al 2 O 3 system equilibrium diagram in which the primary crystal is mullite, cooling is controlled during the wind crushing process. At the same time, a method for producing artificial sand by a molten wind crushing method that reduces bubble defects, makes micro-order inhomogeneity, and improves the aspect ratio and particle surface by performing tempering as necessary.
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