JP6012129B2 - 溶湯用保温材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶湯の温度低下を防止する溶湯用保温材及びその製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、鋳物砂等の無機原料から得ることができる溶湯用保温材及びその製造方法に関する。

金属溶湯は、金属材料を加熱溶解して得られる。鋳造等の工程において、金属溶湯は取鍋に移される。取鍋は通常、上面が開いているため、溶湯の湯面から熱が逃げ、溶湯の温度が低下する。この温度低下を防ぐために、従来、溶湯の湯面に溶湯用保温材を散布している。従来、溶湯用保温材として、大鋸屑又は製紙スラッジを炭化処理した炭化物が用いられている。

従来、各種廃棄物から溶湯用保温材を得ることが提案されている。例えば、特許文献１には、古紙等の廃棄物を、結合材である熱軟化性廃プラスチックを用いて固めた溶湯用保温材が開示されている。特許文献２には、可燃ごみを炭化装置で蒸し焼きにして得られたごみ炭を整粒して溶湯用保温材を製造する方法が記載されている。

特開２０００−２８８７１５号公報 特開２００１−３２９２６７号公報

従来の溶湯用保温材では、原料である大鋸屑及び製紙スラッジの供給量に限界がある。よって、必要量を確保することが困難である。

一方、特許文献１及び２の方法では、種々の廃棄物を原料としているため、破砕及び整粒工程が必要となる。これらの工程において、所望のサイズ以下の二次的廃棄物が多量に発生するおそれがある。特許文献１及び２の方法では、破砕、圧縮及び整粒の工程が必要となり、工程が複雑である。また、特許文献１記載の方法では、各材料を接着するために、熱軟化性廃プラスチックを軟化させる必要がある。しかし、熱軟化性廃プラスチックを軟化させるためには、高圧で圧縮する必要がある。その結果、煩雑な装置及び多量のエネルギーが必要となる。

本発明の目的は、容易に必要量を確保することができる溶湯用保温材及びその製造方法を提供することである。

本発明の溶湯用保温材（以下、単に「本保温材」という。）は、シリカ及びアルミナの少なくとも１種並びに炭素を主成分とする固形状物である。また、本保温材の製造方法（以下、単に「本方法」という。）は、水分存在下、シリカ及びアルミナの少なくとも１種並びに炭素を含む無機原料を混合して造粒する工程を含む。

本保温材は、容易に入手できる原料を用いることから、容易に必要量を確保することができる。また、本保温材は、従来の保温材と同様に、溶湯の温度低下を防止することができる。特に、本保温材は、鋳物砂等の廃砂を原料として得ることができる。そのため、廃棄物の有効利用にも資する。本保温材の製造方法によれば、複雑な工程を経ることなく、容易に本保温材を得ることができる。また、本保温材の製造方法によれば、原料はほぼ全て本保温材となり、製造工程で二次的廃棄物の発生がほとんどない。

溶湯保温試験の結果を示すグラフである。 実施例で用いた溶湯取鍋と、保温材及び熱電対との配置を示す図である。

本保温材は、シリカ及びアルミナの少なくとも１種を主成分として含む。本保温材は、シリカ及びアルミナのうちのいずれか一方を含んでもよく、両方を含んでいてもよい。後述のように、本保温材は、廃砂を原料として得ることができる。よって、本保温材はシリカ及びアルミナの両方を含むことが好ましい。

シリカ及びアルミナの含有量には特に限定はない。該含有量は、必要に応じて適宜の範囲とすることができる。シリカの含有量として具体的には、例えば、本保温材１００質量％中５〜９０質量％、１０〜８０質量％、２０〜７０質量％、又は３０〜７０質量％である。アルミナの含有量として具体的には、例えば、本保温材１００質量％中１〜３０質量％、５〜２５質量％、又は７〜２０質量％である。本保温材がシリカ及びアルミナの両方を含む場合、シリカ及びアルミナの含有量の合計として具体的には、例えば、本保温材１００質量％中３０〜９０質量％、４０〜９０質量％、又は５０〜８０質量％である。

本保温材は、炭素を主成分として含有する。溶湯の熱により該炭素が燃焼して発熱することにより、溶湯の温度低下を抑制することができるので好ましい。炭素の由来としては、例えば、炭素粉及びバインダーが挙げられる。炭素の含有量には特に限定はない。該含有量は、必要に応じて適宜の範囲とすることができる。炭素の含有量として具体的には、例えば、本保温材１００質量％中５〜４０質量％、７〜３５質量％、１０〜３０質量％、又は１０〜２５質量％である。

本保温材は、本発明の作用効果を阻害しない限り、シリカ及びアルミナ以外の他の成分を含んでいてもよい。上記他の成分は有機成分でも無機成分でもよい。通常、上記他の成分は無機成分である。該無機成分として具体的には、例えば、酸化鉄が挙げられる。

従来の製紙スラッジ等からなる保温材はふわふわした性状であるのに対し、本保温材は固形状物である。そのため、本保温材は、溶湯への自動投入が容易である。また、本保温材は、溶湯が対流しても、溶湯表面を被覆して温度低下を抑制することができる。

本保温材は固形状物である限り、その具体的な形状には特に限定はない。本保温材の形状としては具体的には、例えば、粒状物が挙げられる。該粒状物の粒径には特に限定はない。該粒径として好ましくは２０ｍｍ以下、好ましくは１５ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下、特に好ましくは５ｍｍ以下である。上記粒径が上記範囲内であると、粒間で適度な空隙が形成され、その結果、断熱効果を高めることができるので好ましい。上記粒径の下限値については特に限定はないが、該下限値は通常０．１ｍｍ、好ましくは０．５ｍｍである。下限値がかかる範囲内であると、本保温材の取り扱いが容易となることから好ましい。本保温材の粒径は、適宜の篩いを用いることにより調整することができる。

本保温材は、形状の異なる２種以上の保温材を含んでいてもよい。また、本保温材が粒状物を含む場合、粒径の異なる２以上の粒状物を含んでいてもよい。本保温材が粒状物を含む場合、上記で例示した粒径の保温材の含有量は、本保温材１００質量％中、好ましくは５０質量％以上、更に好ましくは６０質量％以上、より好ましくは７０質量％以上とすることができる。該含有量の上限値については特に限定はないが、該上限値は通常１００質量％、好ましくは９５質量％、より好ましくは９０質量％である。

本保温材を製造する方法には特に限定はない。本保温材は通常、本方法、即ち、水分存在下、シリカ及びアルミナの少なくとも１種並びに炭素を含む無機原料を混合して造粒することにより得ることができる。

「シリカ」、「アルミナ」及び「炭素」の用語についての上記の説明は、本方法においても妥当する。尚、後述のように、上記無機原料として、鋳物工場から排出される廃砂（鋳物砂、集塵ダスト等）を用いることができる。該廃砂には通常、生型材料に添加された炭素粉（石炭粉）に由来する炭素成分が含まれている。このような原料を用いる場合には、別途炭素成分を添加する必要はない。勿論、本方法では必要に応じて、炭素粉等の炭素成分を別途添加してもよい。

上記無機原料は、シリカ及びアルミナの少なくとも１種並びに炭素を含む限り、その由来に特に限定はない。上記無機原料は、シリカ及びアルミナの少なくとも１種と、炭素原料（例えば、炭素粉又は炭素成分含有バインダー）とを含む混合物を用いることができる。また、上記無機原料として、シリカ及びアルミナの少なくとも１種並びに炭素を含む廃砂を用いることができる。例えば、上記無機原料として、鋳物工場から排出される廃砂（鋳物砂、集塵ダスト等）を用いることができる。上記無機原料として廃砂を用いると、原料入手が容易であり、本保温材の必要量を容易に確保することができるので好ましい。また、従来、埋め立て等により処理されていた廃砂の排出量を減らすことができるので好ましい。更に、上記無機原料が鋳物工場から排出される廃砂であると、通常、該廃砂にはベントナイトが含まれている。このベントナイトがバインダーとして機能し、上記無機原料中の各無機成分を結合し、容易に固形化することができるので好ましい。

本方法では、上記無機原料を混合して造粒することにより、本保温材を得る。上記混合及び上記造粒の具体的な方法には特に限定はない。上記混合及び上記造粒はそれぞれ異なる装置で行ってもよく、同一の装置内で上記混合を行い、続いて上記造粒を行ってもよい。例えば、本方法では、公知の転動造粒機に上記無機原料を収容して混合を行い、続いて造粒を行ってもよい

本方法では、上記無機原料に更にバインダーを添加して混合してもよい。該バインダーを添加することにより、上記無機原料中の各成分を結合し、容易に造粒を行うことができるので好ましい。上記バインダーは、上記無機原料中の各成分を結合する機能を有する限り、その種類には特に限定はない。上記バインダーは無機バインダー及び有機バインダーのいずれを用いてもよい。上記無機バインダーとして具体的には、例えば、粘土（ベントナイト）及び水ガラスが挙げられる。上記有機バインダーとして具体的には、例えば、フェノール樹脂及びフラン樹脂が挙げられる。上記バインダーは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

上記のように、上記無機原料として、ベントナイトが含まれている廃砂を用いる場合には、該ベントナイトがバインダーとして機能する。よって、この場合は、バインダーを添加せずに混合及び造粒を行ってもよい。

本方法では、上記無機原料を水分存在下で混合する。水分存在下で混合を行うことにより、上記無機原料中の各成分を均一に分散させることができるので好ましい。上記無機原料が適度な水分を含んでいる場合は、そのまま混合すればよい。また、本方法では必要に応じて別途水系成分を添加して混合してもよい。上記無機原料を混合することができ、得られる本保温材の効能を阻害しない限り、上記水系成分の種類には特に限定はない。上記水系成分として通常は水が用いられる。その他、上記水系成分は、各種成分が溶解した水溶液を用いてもよく、水と有機溶媒（例えば、エタノール等）との混合溶媒でもよい。

上記水分の量には特に限定はなく、必要に応じて適宜の量とすることができる。該含有量として好ましくは、上記無機原料と上記水分の合計量を１００質量％とした場合、１〜１５質量％、更に好ましくは３〜１０質量％である。上記添加量が下限値以上であると、上記無機原料を容易に混練することができるので好ましい。上記添加量が上限値以下であると、混練物の取り扱いが容易であることから好ましい。

本方法は、得られる本保温材の効能を阻害しない限り、他の工程を含んでもよい。例えば、保温材中に水分が存在すると、高温の溶湯と接触した際に激しく反応するおそれがある。よって、本方法では、混練物又は造粒物の乾燥工程を含むことが好ましい。該乾燥の方法には特に限定はない。上記乾燥は天日干し等の自然乾燥でもよく、加熱することによる乾燥でもよい。該加熱の条件には特に限定はない。該条件は必要に応じて適宜の条件を採用することができる。加熱温度は通常５０〜５５０℃、好ましくは１００〜５００℃である。加熱時間は通常１分〜２４時間、好ましくは２分〜５時間である。勿論、加熱温度及び加熱条件はこれらに限定されない。

本方法では、上記のように、原料として、鋳物砂等の廃砂を用いることができる。該廃砂は粉体であることから、本方法では、破砕工程を省くことができる。また、本方法では、造粒工程において、水分や造粒時間を制御することにより、所望のサイズの造粒物を効率よく得ることができる。よって、本方法では、その後の整粒工程を省くことができる。本方法では、従来、廃棄物を用いた溶湯用保温材の製造方法において必須とされた破砕工程及び整粒工程を省くことができる。かかる工程を省くことにより、製造工程を簡易化し、二次的廃棄物の発生を抑制し、歩留まりを向上させることができる。また、本方法は、高圧圧縮等の過酷な条件も必要ない。その結果、煩雑な装置が不要であり、エネルギー消費も抑制することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明する。尚、本発明は、実施例に示す形態に限定されない。本発明の実施形態は、目的及び用途等に応じて、本発明の範囲内で種々変更することができる。

（Ａ）保温材の製造
無機原料として、鋳物工場から排出された鋳物砂を用いた。該鋳物砂はシリカ、アルミナ、酸化鉄及び炭素を含有する。炭素は、バインダーとして用いられたベントナイトに由来する成分である。

上記無機原料を転動造粒機に収容し、次いで、上記無機原料９５質量％及び水５質量％を２分間混練・造粒することにより、造粒体を得た。該造粒体を１０５℃で１２時間加熱して乾燥させ、粒状の溶湯用保温材を得た。蛍光Ｘ線装置を用いて、該溶湯用保温材の組成を測定し、換算質量を算出した。その結果、シリカ５６％、炭素１９％、アルミナ１４％、酸化鉄４％及びその他の成分７％であった（質量率）。また、上記溶湯用保温材の粒径は０．５〜１５ｍｍであった。上記溶湯用保温材を篩いにより３ｍｍを超えるものと３ｍｍ以下のものとに分け、前者をサンプル１とし、後者をサンプル２とした。

（Ｂ）溶湯保温試験
内容積約８０Ｌの溶湯取鍋に鋳鉄溶湯６５Ｌを注湯した。直ちに、溶湯表面に上記サンプル１又はサンプル２（３．２Ｌ）を被せた。その後、予め溶湯取鍋に設置したＢ型熱電対により、溶湯の温度を２時間（７２００秒）測定した（図２参照）。また、比較対照として、溶湯用保温材を被せない他は同様の条件で、溶湯の温度を測定した。その結果を図１に示す。

図１より、サンプル１及び２のいずれも、ブランク（保温材なし）と比べて、溶湯の温度低下を抑制していることが分かる。この結果より、サンプル１及び２は、溶湯用保温材として有用であることが分かる。また、１時間（３６００秒）以上経過後は、サンプル１の方が、サンプル２よりも溶湯の温度低下を抑制していることが分かる。サンプル１はサンプル２より粒径が大きい。この結果は、サンプル１では、粒間の空隙層が適度に形成されたことにより、断熱効果を向上させたと考えられる。

また、サンプル１及び２はいずれも、鋳物工場から排出された廃棄物である鋳物砂から得られた保温材である。よって、これらの保温材は、容易に必要量を確保することができる。更に、サンプル１及び２はいずれも、単に鋳物砂と水とを混合して乾燥することにより得られている。よって、これらの保温材は、煩雑な装置及び多量のエネルギーを必要とせず、簡易な工程により得ることができる。

１；溶湯取鍋、２；Ｂ型熱電対、３；保温材、４；溶湯。

Claims (5)

1. シリカ及びアルミナの少なくとも１種並びに炭素を主成分とし、鋳物工場から排出される廃砂の混合造粒物である溶湯用保温材。
2. 上記廃砂が集塵ダストである、請求項１記載の溶湯用保温材。
3. 水分存在下、シリカ及びアルミナの少なくとも１種並びに炭素を含む無機原料を混合して造粒する工程を含み、前記無機原料が鋳物工場から排出される廃砂である、溶湯用保温材の製造方法。
4. 更に造粒物の乾燥工程を含み、且つ上記廃砂が集塵ダストである、請求項３記載の溶湯用保温材の製造方法。
5. 混練時の水分添加量が、上記廃砂と上記水分との合計量１００質量％中、１〜１５質量％である、請求項３又は４記載の溶湯用保温材の製造方法。

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