JP6396606B2 - 鋳物砂冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、温かい鋳造用鋳物砂を冷却する装置に関する。このような装置は、鋳物砂冷却器とも呼ばれる。

使用済みの鋳造用鋳物砂は、その鋳造用鋳物砂を処理すれば再利用できる。そのためには、使用済みの砂を冷却する必要がある。

このような装置は、例えば独国特許発明第１５０８６９８号明細書により知られている。そこに記載の装置は、混合容器を備え、混合器具が装着されて、垂直方向に配置された２つの駆動シャフトを有する。冷却対象の鋳造用鋳物砂は、混合容器の一方側から混合容器に導入され、他方側から取り出される。冷却対象の鋳造用鋳物砂が装置内にある状態で、鋳造用鋳物砂は混合器具によって完全に混合される。また、混合容器は、空気を送り込むための開口を、その容器の底のすぐ近くの容器の壁に有する。

この装置では、水が噴射され機械的に支援された流動床を生成し、そこに空気を流すことによって、前段の鋳造操作によって１５０°にまで加熱された鋳造用の砂を蒸発冷却によって使用温度である約４５℃にまで冷却することを図っている。

後段の混合器において、このように冷却された鋳物砂に、新しい砂、ベントナイト、炭素、および水を加えて処理を行い、後の利用に使用できる状態にすることができる。

最新技術では、上記の冷却手順は、効果的であり、連続プロセスと非連続プロセスとに分けられ得る種々の構成で行われる。このために、冷却ドラム、流動床冷却器、または混合冷却器が使用され、そこで、処理対象の鋳物砂が連続的に供給される、あるいは、鋳物砂がバッチ式で、つまり非連続的に供給される。

上記の冷却器で共通するのは、冷却器、一般には砂チャンバに導入される高温乾燥の砂は、水に噴射して湿らせて、次に大量の空気を砂の中および上に流すことにより、蒸発冷却を利用してこの砂を約７０〜１００℃から約４５℃に冷却することである。

このように冷却された砂は、約１〜２％の水分量をもって冷却器を出る。一般的に、このような冷却器は、おそらく砂チャンバに空気を供給するためのファンがついている空気入口、および、おそらく砂チャンバから空気を吸い出すためのファンがついている空気出口を有する砂チャンバを有している。

しかしながら、流動床および混合冷却器を用いる場合は特に、冷却対象の砂の乱流渦により、粒子装填の固形粒子が、導入ガス流に乗って引き離されて、空気出口から排出されてしまうので、これらの粒子を、例えば独国特許発明第１９９２５７２０号明細書に記載のように、下流に配置されたガスサイクロンまたはフィルタで分離させなければならなくなる。このように分離された固形物は、排出された冷却済みの砂に加えられて、後段の処理プロセスの混合器に送られる。

しかし、蒸発冷却により効果的な冷却を達成するには、非常に多くのガス流を鋳物砂に流さなければならない。流動床式冷却器の場合には、流動化される砂床に流入する流体の流入速度が関連する原理により非常に高速なので、排出ガス流の固形物含有量は最大１５％であることが分かっている。混合冷却器を用いる場合は、流動床が機械的に生成されるので、依然としてかなりの量ではあるが、排出される固形物の量を減らすには、低い流体の流入速度で十分である。しかし、いずれにしても、かなりの量の砂が冷却器から取り出され、この冷却の後の別の作業ステップにて再利用されなくてはならない。これは基本的に好ましくない。

独国特許発明第１５０８６９８号明細書 独国特許発明第１９９２５７２０号明細書

したがって、上記技術水準を基本的な始点として、本発明の目的は、空気出口を通る冷却運転中の砂の排出を著しく低減させるよう改善された鋳物砂冷却器を提供することにある。

本発明によれば、上記目的は、軸周りに回転する動的風力選別機が、空気出口を通って砂チャンバを出る実質的に全ての空気流が動的風力選別機を通過するように配置されるように備えられることによって達成される。

動的風力選別機は、遠心力場を生じさせるように構成される。砂粒子を含み得る空気が、遠心力に逆らって動的風力選別機内に吸い込まれる。よって、風力選別機を適切に高い回転速度で運転させて排出空気流から固形粒子を取り除いて砂チャンバに残留させるか砂チャンバに戻せるようにすることが風力選別機により可能となる。

好ましい実施形態では、動的風力選別機は、回転軸周りに回転可能で、回転軸を略包囲する出口を有し、空気出口に接続され、回転軸上には配置されない少なくとも１つの入口を有する選別ホイールを有する。例えば、選別ホイールは、円筒状、円錐状、または円錐台状であり、少なくとも１つの入口は、選別ホイールの周面に配置される。しかし、一般には、選別ホイールは複数の入口開口を有する。例えば、周面に複数の孔を有し得る。または、選別ホイールは、相互に離間した複数のプレートを有することによりプレート間の間隙によって入口を形成するようにしてもよい。選別ホイールの回転によりそこに遠心力場が生じ、遠心力が選別ホイール内の全ての粒子に対して外方向に作用する。この遠心力には、選別ホイール内に向かう空気流によって粒子に作用する力が対抗する。遠心力が粒子の質量に比例して上昇すると、所定限界径の粒子は、空気流によって加わる力よりも遠心力の方が高くなるため、風力選別機によって跳ね返される。

要するに、細粒材料は遠心力に打ち勝って風力選別機を通過し、粗粒材料は風力選別機に跳ね返されて砂チャンバ内に落下して戻されるので、このような動的風力選別機によって粗粒材料と細粒材料とを互いに分離することができる。

回転軸は、垂直方向、水平方向、または垂直方向に対して傾斜した方向でもよい。

砂の排出を低減するには複数の風力選別機を用いるとより効果的であることが分かっているので、さらに特に好ましい実施形態では、鋳物砂冷却器は、少なくとも２つの動的風力選別機を有する。あるいは、１つの風力選別機を大きくすることも勿論可能である。しかし、複数の風力選別機を有した鋳物砂冷却器を提供したほうがより効果的であることが証明されている。

例えば、鋳物砂冷却器は、砂チャンバに鋳物砂を送り込むための鋳物砂入口と、砂チャンバから鋳物砂を取り出すための鋳物砂出口とを有し、この場合、一方の風力選別機が、他方よりも鋳物砂出口の近くに配置されるのが最良である。連続運転の場合は特に、連続冷却プロセス中の鋳物砂の、漸進的な冷却およびそれに関連する濃度の変化を考慮するため、これらの風力選別機は異なる大きさであってよく、且つ／または、異なる回転速度で運転されてよい。

更に好ましい実施形態では、鋳物砂冷却器は追加で、例えば偏向分離器である静的風力選別機を有する。この場合、静的風力選別機は、動的風力選別機の上流に配置されるのが特に好ましい。静的風力選別機は、回転して遠心力場を生成しないという点で、動的風力選別機とは異なる。代わりに、例えば、重力および空気流によって生じる流れ抵抗力を用いて粗粒材料と細粒材料とを分離できる。あるいは、偏向における慣性力による分離を用いた偏向分離器を使用することも可能である。流れは偏向に沿って進み、偏向領域において慣性力が起きて粗粒材料と細粒材料とが分離される。一般に、静的風力選別機は、動的風力選別機ほど効果的ではない。空気と一緒に排出される砂の量が非常に多い場合は特に、動的風力選別機の最大能力にすぐに達してしまう。粗粒材料の事前選別を提供する静的風力選別機が上流で接続されることにより、動的風力選別機の負担を軽減できる。

特に好ましい実施形態では、鋳物砂冷却器は、内部に動的風力選別機が配置される選別チャンバを有する。この場合、砂チャンバは、選別チャンバに向かって断面が小さくなる流路を介して選別チャンバに接続される。流れ断面が小さくなることにより、流速を上昇させる。流路は、この流路を介して砂チャンバから選別ホイールへ流れる流体の流れが動的選別機ではなく選別チャンバの壁に向けられるように好適に配置される。これにより、動的風力選別機により空気が吸引され、ガス流の方向に急な偏向が起こる。

更に好ましい実施形態では、選別チャンバは、戻り路を介して砂チャンバに接続され、好ましくは、選別チャンバの底に収集された分離材料を砂チャンバに搬送するための搬送装置、より具体的にまた最良にはスクリュー・コンベヤが設けられる。

選別チャンバに静的風力選別機が設けられるため、２つの選別機によって跳ね返された分離材料が収集される。この分離材料は鋳物砂冷却器内に回されてよい。このために、搬送装置の他に、例えば、収集した分離材料を選別チャンバから砂チャンバへと戻すフラップまたはダブルフラップを設けることも可能である。特に好ましい実施形態では、搬送装置は、収集した分離材料を、常時または定期的に砂チャンバへ搬送して戻す。

更に好ましい実施形態では、動的風力選別機の回転速度を開ループ制御または閉ループ制御するための回転速度装置が設けられる。動的風力選別機の回転速度を変化させることにより、粗粒材料と細粒材料との分離の調整が可能となる。風力選別機の回転が速ければ速いほど、より高い割合の砂が風力選別機により跳ね返される。風力選別機の動作原理により、一定の限界径を超える粒子は跳ね返され、それより小さい粒子は妨げられることなく風力選別機を通過できる。限界径は、回転速度によって調整できる。回転速度が速ければ速いほど限界径が小さくなり、回転速度が遅ければ遅いほど限界径が大きくなる。回転速度装置は、砂チャンバで全ての粒子が完全に分離されるように高い回転速度にするよう設計されるのが好ましい。

更に好ましい実施形態では、空気出口を通過する空気流の流量を検出するための装置が設けられ、回転速度装置は、検出された空気流の流量を利用可能であり、回転速度装置は、検出された空気流の流量に応じて回転速度を開ループ制御または閉ループ制御することができる。上記の限界径、つまり風力選別機によって跳ね返される最大の大きさは、風力選別機の回転速度だけでなく、空気入口から空気出口への空気流の流速によっても同様に決定される。よって、例えばこの流速が低下すると、風力選別機の回転速度も低減され、これによりエネルギー節約となる。

非連続式の鋳物砂冷却器またはバッチ式の鋳物砂冷却器を使用する場合は特に、回転速度装置は、鋳物砂冷却運転中は回転速度を上げるように設計されてもよい。特に、冷却対象の鋳物砂を砂チャンバに入れる際や冷却対象の鋳物砂を砂チャンバから取り出して空にする際には、チャンバ回転速度を下げてもよいし、回転を停止させてもよい。鋳物砂冷却運転の過程で、回転速度を上げて異なる処理段階に合った速度としてもよい。

さらに、空気出口からの粒子の排出量および／または粒径分布を検出する装置が設けられてもよく、また、回転速度装置が検出された粒子の排出量を利用可能であり、回転速度装置を、回転速度が検出された粒子の排出量に応じて開ループ制御または閉ループ制御されるように適合させてもよい。

さらに、砂チャンバに給水する装置が設けられてもよく、また、好ましくは、検出された粒子の排出量および任意で動的風力選別機の回転速度を利用可能であり、検出された粒子の排出量および任意で動的風力選別機の回転速度に応じて給水量を決定するように設計された水制御装置が設けられる。要するに、粒子の排出量の検出値は、ここで、間接的に水分量の測定としての役割を果たす。冷却器内の砂が乾燥していればいるほど、風力選別機からの固形物の排出が多くなる。よって、固形物が多く排出されていると検出されることは、砂が比較的乾燥していて、水をさらに追加しなくてはいけない可能性があることを意味する。

更に好ましい実施形態では、砂チャンバ内の砂の水分量を検出するための水分量センサが設けられ、また、好ましくは、水分量センサは回転速度装置に接続され、回転速度装置は検出された水分量に応じて回転速度を開ループ制御または閉ループ制御するように設計される。このように、水分量センサがある場合には、水分量センサを用いて水分量と粒子の排出量との関係により回転速度装置を作動させることができるので、粒子排出量センサは必ずしも追加で設けなくてもよい。

更に好ましい実施形態では、回転速度装置は、所定の限界粒径よりも大きい粒径の大径粒子は風力選別機によって分離され、所定の限界粒径よりも小さい粒径の小径粒子は空気出口から引き出されるように、回転速度を開ループ制御または閉ループ制御するように設計される。選別の限界粒径は、好ましくは１２０μｍ〜１０μｍ、特に好ましくは３０μｍ〜６０μｍの径である。

この手段により、例えば、砂の構成成分を鋳物砂に残留させる一方で、例えば炭素やベントナイトといった添加物のみを処理対象の鋳物砂から除去することが可能となる。このようにして回収された、砂を含まないベントナイトおよび炭素は、下流に配置された処理プロセスにおいて再利用できる。

その他の利点、特徴、可能な用途については、以下に示すいくつかの好ましい実施形態および添付の図面から明らかとなるであろう。

本発明の第１の実施形態を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態を示す概略図である。 本発明の第４の実施形態を示す概略図である。 本発明の第５の実施形態を示す概略図である。 本発明の第６の実施形態を示す概略図である。

図１は、鋳物砂冷却器１の第１の実施形態を示す。これは、砂チャンバ２ならびに対応するファン４をもつ空気入口３および対応するファン６をもつ空気出口５を有する。

さらに、砂チャンバ２に冷却対象の鋳物砂を導入するための鋳物砂入口７と、このチャンバから鋳物砂を取り出すための鋳物砂出口８とがある。砂チャンバ２内には、モータ駆動の２つの混合器具９が配置される。空気出口５への接続部が、砂チャンバ２の上壁に挿通されている。この領域には、垂直軸周りに回転可能な動的風力選別機１０が配置される。ここで、この選別機は、相互に離間した複数のプレートが周面に配置された略円筒状のホイールを備え、空気がこれらのプレートの間を径方向内向きに流れて空気出口５を経由して吸い出されるようになっている。

運転中、動的風力選別機１０がモータ１１によってその垂直軸周りに回転すると、所定の限界粒径より小さい粒子のみが打ち勝てる遠心力場が、プレートの領域に発生する。

さらに、図示の実施形態は、空気出口５を経由して吸い出される空気の量を測定可能な空気流量センサ１４を有する。また、例えば摩擦電気的なフィルタモニタ、または、粒子計数器の形態、または、オンライン粒径測定装置の形態を取り得る粒子排出量センサ１３がある。また、砂チャンバ２の領域には、水分量センサ１５が配置される。これらのセンサは全て、各測定信号を評価して、測定に基づいてモータ１１の回転速度を設定することにより所望の限界粒径を設定する開ループ・閉ループ制御部１２に接続される。

図２は、それぞれ別々の導管により空気出口５に接続された２つの動的風力選別機１０’，１０”が設けられる点で図１の実施形態とは実質的に異なる、本発明の第２の実施形態を示す。動的風力選別機１０’は、他方の動的風力選別機１０”よりも鋳物砂入口７の近くに配置される。この実施形態において分かるように、動的風力選別機は、異なる形態から選択できる。動的風力選別機１０’が円錐台状でプレートを有するのに対し、動的風力選別機１０”は円筒状ではあるが周面に複数の孔を有する。

動的風力選別機の形状は、所望の実施プロセスに応じて調整適応可能である。

図３は、本発明の第３の実施形態を示す。第３の実施形態は、全く同じ２つの動的風力選別機１０’’’が同一の導管５により空気出口に接続されて設けられている点で上記の各実施形態とは実質的に異なる。

図４は、本発明の第４の実施形態を示す。ここでは、選別機１０は、砂チャンバ２内ではなく、別個の選別チャンバ１６内に配置される。選別チャンバ１６は、流れ方向に狭まる接続路１７を介して砂チャンバ２に接続される。この接続路１７の狭まった構成により、選別チャンバ１６に向かって空気流の流速が増加する。このような仕組みにより接続部１７の端部には急な偏向が形成され、砂の一部、つまり実質的には慣性力により急な偏向の領域内の空気流に追従できない砂の部分が、壁面１８に衝突して、減速する。そしてこの砂の粒子は、選別チャンバ１６の底に落下する。そして残りの空気・砂の流れは、水平軸周りに回転する選別機１０を通過し、限界粒径より大きい直径を有する砂部分もまた跳ね返される。それよりも小さい粒子は、空気出口５から排出される。選別チャンバ１６の底に収集された粒子は、ここではコンベヤ・スクリューの形態である搬送装置１７によって、砂チャンバ２に戻される。

図１〜図４は、鋳物砂を、連続的または非連続的のいずれでも冷却可能な実施形態を示している。非連続的な場合は、所定量の鋳物砂を砂チャンバ２に導入し、冷却し、そして鋳物砂出口８より全て取り出して、次の工程で次の量の鋳物砂を装填できるようにする。

図５は、鋳物砂冷却を連続的に行う第５実施形態を示す。ここでは、流動床１９が砂チャンバ２の内部に配置され、鋳物砂入口７から導入された鋳物砂が、流動床１９によって徐々にではあるが連続的に鋳物砂出口８に向かって搬送されるようになっている。このような搬送が行われる間に、大量の空気が空気入口３から砂チャンバに送り込まれ、空気出口５から排出される。動的選別機１０が介在する。

図６は、本発明の第６の実施形態を示す。本実施形態に基づいて鋳物砂処理の全過程を説明できる。使用済の鋳物砂２０を、鋳物砂入口７から砂チャンバ２へ導入する。この鋳物砂冷却器は、実質的には図１の実施形態に対応するが、本発明の方法に従って粗粒材料と細粒材料との分離を実施する回転速度調整を提供する。砂チャンバで冷却する鋳物砂は、水と混合される場合があり、そして、空気入口３から砂チャンバ２に導入される大量の空気が鋳物砂の間を通過する。この空気は、動的選別機１０、接続導管２５、およびフィルタ２３を経由して空気出口５を通るように流される。選別機１０は、砂成分、つまり１００μｍを超える径の粒子を跳ね飛ばすように、制御装置によって設定される。しかし、それよりも小さい粒子は、選別機を通り抜ける。これらは基本的に、ベントナイトおよび炭素である。これらは、フィルタ２３によって取り除かれ、計量装置２４に渡される。分離されたベントナイトと炭素との混合物の量を計量装置２４で測定し、新たにベントナイト２１または炭素２２を追加することによって、混合物の量を補正する場合もある。鋳物砂が砂チャンバ２内で所望の温度である約４５°にまで冷却されると、砂を鋳物砂出口８から計量装置２７へ搬送できる。そして、所望の組成のベントナイトおよび炭素を、計量装置２４から計量装置２７に送ることができる。新しい砂２０も供給しなくてはならない場合がある。結果の混合物は処理混合器２８へと送られ、鋳物砂中の水分量の割合は、処理混合器２８内の給水２９によって適合させてもよい。

１ 鋳物砂冷却器
２ 砂チャンバ
３ 空気入口
４ ファン
５ 空気出口
６ ファン
７ 鋳物砂入口
８ 鋳物砂出口
１０ 動的風力選別機
１２ 開ループ・閉ループ制御部
１４ 空気流量センサ
１６ 選別チャンバ
１７ 搬送装置
１８ 壁
２０ 鋳物砂
２９ 給水

Claims (17)

1. 空気入口（３）と空気出口（５）とを有する砂チャンバ（２）を備え、前記空気入口（３）が前記砂チャンバ（２）へ空気を吸気するためのファンを有し、且つ／または、前記空気出口（５）が前記砂チャンバ（２）から空気を吸い出すためのファンを有する、鋳物砂冷却器において、
   軸周りに回転可能で前記鋳物砂冷却器内に配置される動的風力選別機（１０）が設けられ、
   前記動的風力選別機（１０）は、前記空気出口（５）から前記砂チャンバ（２）を出る全ての空気流が前記動的風力選別機（１０）を実質的に通過するように、また、排出される空気流から固形粒子が取り除かれて前記砂チャンバに残留する、あるいは少なくとも前記砂チャンバに戻されて再利用できるように動作可能である
   ことを特徴とする鋳物砂冷却器。
2. 前記動的風力選別機（１０）が、回転軸を略包囲し、前記空気出口（５）に接続された出口と、前記回転軸上には配置されていない少なくとも１つの入口とを有する、前記回転軸周りに回転可能な選別ホイールを有する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の鋳物砂冷却器。
3. 前記選別ホイールが、円筒状、円錐状、または円錐台状であり、前記少なくとも１つの入口は、前記選別ホイールの周面に配置される
   ことを特徴とする、請求項２に記載の鋳物砂冷却器。
4. 前記回転軸が、垂直方向、水平方向、または前記垂直方向に対して傾斜した方向を向いている
   ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の鋳物砂冷却器。
5. 前記砂チャンバ（２）に鋳物砂を送り込むことができる鋳物砂入口（７）と、前記砂チャンバ（２）から鋳物砂を取り出すことができる鋳物砂出口（８）とを有する鋳物砂冷却器（１）で、
   回転軸周りに回転可能な前記選別ホイールをそれぞれが有する少なくとも２つの前記動的風力選別機（１０）が設けられる
   ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の鋳物砂冷却器。
6. ２つの前記動的風力選別機（１０）の内、一方の風力選別機が、他方の風力選別機よりも前記鋳物砂出口（８）の近くに配置されたことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の鋳物砂冷却器。
7. 前記２つの風力選別機（１０）が、運転時に前記風力選別機を異なる回転速度で運転させるように設計された駆動部を有する
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の鋳物砂冷却器。
8. 静的風力選別機が、前記動的風力選別機（１０）の上流に配置されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の鋳物砂冷却器。
9. その内部に前記動的風力選別機（１０）が配置される選別チャンバ（１６）を有し、
   前記砂チャンバ（２）が、前記選別チャンバ（１６）に向かって断面が小さくなる流路を介して前記選別チャンバ（１６）に接続された請求項８に記載の鋳物砂冷却器。
10. 前記選別チャンバ（１６）が、戻り路を介して前記砂チャンバ（２）に接続される
    ことを特徴とする請求項９に記載の鋳物砂冷却器。
11. 前記選別チャンバ（１６）の底に収集された分離材料を前記砂チャンバ（２）に搬送するための搬送装置（１７）が設けられた
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の鋳物砂冷却器。
12. 前記動的風力選別機（１０）の回転速度を開ループ制御または閉ループ制御するための回転速度装置（１２）が設けられた
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の鋳物砂冷却器。
13. 前記空気出口（５）を通過する空気流の流量を検出するための装置（１４）が設けられ、
    前記回転速度装置（１２）が前記検出された空気流の流量を利用可能である
    ことを特徴とする請求項１２に記載の鋳物砂冷却器。
14. 前記鋳物砂冷却器（１）が、バッチ式鋳物砂冷却器であり、
    前記回転速度装置（１２）が、鋳物砂冷却運転中に前記回転速度を上げるようになっている
    ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の鋳物砂冷却器。
15. 前記空気出口（５）からの粒子の排出量を検出する装置が設けられ、
    前記回転速度装置（１２）が検出された前記粒子の排出量を利用可能である
    ことを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の鋳物砂冷却器。
16. 前記砂チャンバ（２）に給水する装置（２９）が設けられ、
    前記検出された粒子の排出量および任意で前記動的風力選別機（１０）の回転速度を利用可能であり、前記検出された粒子の排出量および任意で前記動的風力選別機（１０）の回転速度に応じて給水量を決定するように設計された水制御装置が設けられた
    ことを特徴とする請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の鋳物砂冷却器。
17. 前記砂チャンバ（２）内の砂の水分量を検出するための水分量センサが設けられ、
    前記水分量センサが前記回転速度装置に接続され、前記回転速度装置が、前記検出した水分量に応じて前記回転速度を開ループ制御または閉ループ制御するように設計された
    ことを特徴とする請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の鋳物砂冷却器。

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