JP4271596B2

JP4271596B2 - 鋳型用砂、鋳型および鋳型砂再生装置

Info

Publication number: JP4271596B2
Application number: JP2004049439A
Authority: JP
Inventors: 美佐雄沖野; 英記成田; 啓次宮内
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: JP2005238263A

Description

本発明は、鋳物製造用鋳型に使用される砂に関するものであり、従来、鋳型用肌砂として使用されない粒径の大きな砂を使用し、鋳物の品質はそのままに、製造コストを従来法より著しく改善する鋳型用砂、鋳型および鋳型砂再生装置に関するものである。

従来、鋳型用砂としては、天然に産出される珪砂が主に使用されている。従来から使用されている珪砂は、製品の良好な鋳肌を維持するために主にＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の４８号（旧ＪＩＳ５号）〜１５０号（旧ＪＩＳ６号）の細粒の砂が使用されてきており、鋳物砂メーカーはそのような細粒の砂が産出する砂山や海岸の原産地を発掘しては確保して鋳造工場に安定な供給を確保している。
しかし、高耐火度と低熱膨張が必要となるため、ＳｉＯ_２含有量が９０〜９９％で粒形の丸い鋳型砂が必要とされるが、国内では入手が容易ではなく、海外から輸入するケースが増加してきている。

ところで、珪砂は耐破砕性が劣るため、再生時に破砕・微細化してダストとなり、廃棄物増加の原因となっている。また、珪砂は熱膨張が大きく、特に有機自硬性鋳型ではベイニング発生による焼着が鋳物製品に発生しやすく、その対策として部分的にクロマイト砂等の特殊砂の適用が必要となり、鋳型コストが高くなる上に回収砂へのクロマイト砂の蓄積が問題となる。クロマイト砂が蓄積すると、回収砂の耐火度が低下して新たに溶着による砂の焼着が鋳物製品に発生しやすくなり、また廃棄砂のクロム含有量が増加し処理を難しいものとしている。

さらにフラン再生珪砂の自硬性鋳型では、通常、樹脂の添加量は０．７〜０．８％が一般的で、球状の人工砂を用いた更なる鋳型材料のコスト低減が叫ばれている。
近来、特に環境問題が大きく注目され、これまで使用した鋳物砂の廃棄が更に困難になってきている。従って、使用した砂をできるだけ回収して再利用する事を前提として砂の選定が検討されている。
天然の珪砂を使用した場合の回収・再生率は約９５％であり、５‰が廃棄物として発生するが、最近では更に回収率を９８％以上にする要求に応えるために、回収率の高い人工砂が注目されその適用が拡大しつつある。

最近では高耐火度と低熱膨張および耐破砕性に優れた人工砂が開発されてきている。
例えば、粗目の砂を鋳型に使用する特許はいくつか出願されており、代表的なものに特許文献１や特許文献２がある。また、ニッケル鉱滓から製作した人工砂の特許として、特許文献３や特許文献４ならびに特許文献５が提案されており、粒度分布が３０μｍ（約４００メッシュ）〜８５０μｍ（約２０メッシュ）と細かい粒度分布の砂が対象となっている。
特開平７−９６３４５号公報特開平８−２５７６７８号公報特公平６−９７２６号公報特許第３２５３５７９号明細書特許第３３３０５６８号明細書

しかし、人工砂の価格、再生砂の性状、安定供給や鋳物の品質に関しては十分とは言えず改善が望まれている。
例えばＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするムライト系の人工砂では、高耐火度で低熱膨張及び耐破砕性に優れてはいるが、焼結法により製造される過程で細粒のものから粗粒のものまで発生するため、鋳物用に適用できない粗粒の人工砂は別の用途に振り向けざるを得ない。従って、鋳物用の細粒の人工砂の価格が高く、ユーザーも積極的に適用できないのが実情である。
また、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２を主成分とするフォルステライト系の人工砂では、フェロニッケルの製錬時に発生する副産物の溶融鉱滓を風砕して製造されるため、鋳物用の細粒の人工砂は全体に約１０％以下でその殆どは別の用途に振り向けざるを得ないため安価ではあるが安定供給が困難である。これらについては、別の安定な用途として建築や道路の充填材等が考えられるが、要求される品質と価格が鋳物砂と異なるためその適用は容易でない。
また、特許文献１や特許文献２に示される人工砂は、何れも肌砂ではなく鋳肌の品質に直接影響しない裏砂に使用されているにすぎない。

本発明は従来適用外であった粗粒の人工砂を肌砂として用いる方法を鋭意研究した結果、塗型材と細粒の天然珪砂と粗粒の人工砂の組合せにより、従来対象外であった粗目の人工砂を肌砂として適用でき、従来の鋳肌を推持しながら使用砂の回収率を向上させ、鋳型材料コストを改善して人工砂の安定な供給が可能となる事を見出した。その組合せとして、以下の方法がある。
（１）粗粒の人工砂の内、比較的細目の砂と高濃度の塗型とを併用して鋳型表層の砂粒間隙を塗型の耐火物で充填することにより従来の細粒の肌砂と同等の機能を持たせる。
（２）粗粒の人工砂と細粒の天然珪砂やムライト砂及び高濃度の塗型材とを併用して、鋳型表層の砂粒間隙を細かい珪砂と塗型耐火物で充填することにより従来の細粒の肌砂と同等の機能を持たせる。

請求項１記載の鋳型用砂は、鋳型の表層に使用する肌砂が、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２を主成分とするニッケル鉱滓の溶融スラグを風砕して得られ、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０号〜２０号未満に該当する鋳型用人工砂と、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の４８号〜２００号に該当する細粒砂とが混合されたものであることを特徴とする。

請求項２記載の鋳型用砂は、鋳型の表層に使用する肌砂が、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするムライト系で、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０号〜２０号未満に該当する鋳型用人工砂と、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の４８号〜２００号に該当する細粒砂とが混合されたものであることを特徴とする。

請求項３記載の鋳型用砂は、請求項１または２に記載の発明において、前記鋳型用人工砂に対し、細粒砂が５０〜９０％混合されていることを特徴とする。

請求項４記載の鋳型は、請求項１〜３のいずれかに記載された鋳型砂を肌砂とする砂型と該砂型の表層に砂粒間隙を充填する塗型材が塗布されていることを特徴とする。

請求項５記載の鋳型用砂再生装置は、請求項１〜３のいずれかに記載された鋳型用砂を回収して篩い分けする篩分装置と、篩い分けした砂をそれぞれ収容する分離タンクと、該分離タンクからそれぞれ個別に所定量切り出す切り出し装置とを備えることを特徴とする。

なお、人工砂単独で肌砂を構成する場合、粗粒の人工砂の粒度構成をあまり粗くすると鋳型表層の砂粒間隙を高濃度の塗型で充填するには作業性が悪く困難となるため、適用できる粗粒人工砂の粒度構成はＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の２０号（旧ＪＩＳ３号）〜４８号（旧ＪＩＳ５号）未満に該当する粒度構成とする。
表１に鋳型用珪砂の日本工業規格ＪＩＳＧ５９０１−１９７４を示す。

上記肌砂によって構成される砂型は、表面に、市販されているアルミナ系，マグネシア系，ジルコン系などのアルコール塗型材を塗布する。該塗型材は、表層の砂粒間隙を充填することが目的であり、上記の塗型材濃度を調整する事により適用可能である。
塗型材の濃度についてはその種類にもよるが、例えばアルミナ系のアルコール塗型の場合はブッカケ用塗型材で２５〜３５ボーメ、ハケ塗り塗型材では４０〜６０ボーメで適用するのが望ましい。

粗粒の人工砂の粒度構成が上記単独砂より粗いＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０号（旧ＪＩＳ１号）〜２０号（旧ＪＩＳ３号）未満に該当する場合は、鋳型表層の砂粒間隙を塗型耐火物のみで充填することは困難であるため、粗粒人工砂に細粒の珪砂、ムライト人工砂やニッケル鉱滓人工砂をある一定の割合でブレンドして上記単独構成の砂に相当する粒度構成の合成砂にする。この場合の塗型材濃度は上記単独人工砂に準じて塗型表層の砂粒間隙を塗型耐火物で充填すればよい。
このときに細粒砂の比率は、人工砂に対し、質量％で５０〜９０％が好ましい。より好ましくは５０〜７０％である。上記比率が５０％未満であると、塗型材によっても砂粒間隙を充填することが困難になる。一方、９０％を超えると、細粒砂１００％と同程度のコストとなり、コストダウンの効果がない。

上記混合砂を回収して再利用する場合、一定の割合でブレンドされた回収砂が再生されてミキサーに供給する再生砂タンクに貯蔵されても、粗目砂と細目砂は各々粒径と比重等が異なるため、均一に分布せず偏析しており、一定の割合の混合砂が供給される可能性は極めて少ない。従って、常に一定の割合の再生された混合砂をミキサーへ供給するためには、粗目砂と細目砂を個別に貯蔵し、ミキサーへは各々所定の切り出しができる本発明の再生装置が有益になる。

以上説明したとおり、本発明の鋳型用砂にて鋳型を製造することにより、次のような効果がある。
（１）人工砂製造時に大量に発生する大径の粗粒砂は、これまでその用途が限られていて、鋳物用の小径の人工砂の供給が制限されていたが、本発明により、著しくこれらを改善できる。
（２）本発明により、樹脂粘結剤の使用量が大きく低減されるため、鋳物製造コストが大幅に低減できる。
（３）本発明により、低膨張の人工砂の適用が拡大されるため、製品での焼着欠陥が減少し製造コストが大幅に低減できる。
（４）本発明により、使用砂の廃棄量が著しく低減できるため、環境改善に貢献できる。

また、本発明の鋳型によれば、比較的粗粒の人工砂を用いて表面性状に良好な鋳造物を製造することが可能になる。

また、さらに粗粒の人工砂では、所定比率で細粒の珪砂と混合することにより肌砂として用いることができる。

また、本発明の鋳型用砂再生装置によれば、大きさの異なる砂が混合して構成されている鋳型砂をその大きさに従って分離し、これをそれぞれ所定量切り出すことで混合比率の安定した再生砂を得ることができる。

（実施形態１）
肌砂として、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２を主成分とするフォルステライト系の人工砂またはＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするムライト系の人工砂を用意する。ただし、この実施形態では、人工砂の粒度構成は、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０号〜２０号未満に該当するものとする。また、人工砂の他に、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の４８号〜２００号に該当する細粒砂を用意し、上記人工砂と細粒砂とを混合して肌砂とする。なお、この際に、細粒砂の混合比率は人工砂に対し、質量％で５０〜９０％とする。この肌砂は、前記実施形態と同様に裏砂とともに砂型を構成するために用いられる。この砂型においても前記と同様に、表面に表層の砂粒間隙を充填する塗型材を塗布する。塗型材の種別は前記と同様のものでよい。これにより鋳型が得られ、表面性状の良好な鋳造物を製造することができる。

（実施形態２）
次に、上記で示した混合砂で肌砂を構成した鋳型砂を再生する装置について説明する。
鋳型の終了によって回収された鋳型砂は、篩分装置１に収容され、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０号〜２０号未満に該当する粗目粒と、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の４８号〜２００号に該当する細目粒とに分離する。分離した砂は、それぞれ異なる細目粒タンク２、粗粒タンク３に収容する。タンク２、３には、それぞれ単位時間当たりで所定量の砂を切り出すことができる切り出し装置２ａ、３ａを備えている。該切り出し装置２ａ、３ａの下流側に移送装置としての計量ベルトコンベヤ４が配置され、計量ベルトコンベヤ４の下流側には粒径の異なる砂と粘結剤とを混合するためのミキサ５が配置されている。
この装置によれば、粒径の異なる細目砂と粗目砂がそれぞれ異なるタンク２、３に収容されるので、必要に応じてそれぞれのタンクから所定量の砂を切り出して移送、混合することで所望の比率で粗目砂と細目砂が混合された再生砂が確実かつ効率よく得られる。この再生砂は、鋳型用の砂として繰り返し使用することができる。
以下に本発明の実施例を説明する。

ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０〜２０号に相当するＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするムライト系人工砂の再生砂に、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の６５号に属する天然珪砂を用いてフラン鋳型を製造し、約１０ｋｇのダクタイル鋳鉄鋳物試験材を製作し、従来法との鋳肌を比較、検討した。塗型材には、市販のアルコール塗型を用いた。適用した人工砂と珪砂の粒度分布を表６に示す。また、試験に用いた人工砂と天然珪砂の混合砂鋳型の条件と性状及び鋳肌結果について表７に示す。

ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０〜２０号に相当するニッケル鉱滓工砂の再生砂に、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の６５号に属する天然珪砂を用いてフラン鋳型を製造し、約１０ｋｇのダクタイル鋳鉄鋳物試験材を製作し、従来法との鋳肌を比較、検討した。適用した人工砂と珪砂の粒度分布を表８に示す。試験に用いた人工砂と天然珪砂の混合砂鋳型の条件と性状及び鋳肌結果について表９に示す。

この結果より、天然珪砂の混合率が増加するにつれて鋳肌性状は改善されるが、逆に粘結剤添加量は粗目の人工砂の混合率が増加するにつれて低減でき、０．７５％から０．６０％へと０．１５％の低減が可能となる。
以上の結果から、人工砂への天然珪砂の混合は５０％以上が適切と考えられる。従って、鋳型用砂の約５０％に粗目の人工砂を有効利用でき、樹脂添加量も２０％以上低減できることから、コストと環境の改善に大きく役立つものと考えられる。

本発明における粗粒砂、細粒砂の再生装置を示す図である。

符号の説明

１篩分装置
２細粒砂タンク
２ａ切り出し装置
３粗粒砂タンク
３ａ切り出し装置
４コンベア
５ミキサ

Claims

鋳型の表層に使用する肌砂が、２ＭｇＯ・ＳｉＯ_２を主成分とするニッケル鉱滓の溶融スラグを風砕して得られ、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０号〜２０号未満に該当する鋳型用人工砂と、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の４８号〜２００号に該当する細粒砂とが混合されたものであることを特徴とする鋳型用砂。
鋳型の表層に使用する肌砂が、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするムライト系で、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の１０号〜２０号未満に該当する鋳型用人工砂と、ＪＩＳＧ５９０１−１９７４に規定された粒度の４８号〜２００号に該当する細粒砂とが混合されたものであることを特徴とする鋳型用砂。
前記鋳型用人工砂に対し、細粒砂が５０〜９０％混合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳型用砂。
請求項１〜３のいずれかに記載された鋳型用砂を回収して篩い分けする篩分装置と、篩い分けした砂をそれぞれ収容する分離タンクと、該分離タンクからそれぞれ個別に所定量切り出す切り出し装置とを備えることを特徴とする鋳型用砂再生装置。
請求項１〜３のいずれかに記載された鋳型砂を肌砂とする砂型と該砂型の表層に砂粒間隙を充填する塗型材が塗布されていることを特徴とする鋳型。