JP6458845B2 - 中子砂の再利用方法 - Google Patents

Description

本発明は、中子砂の再利用方法に関するものであり、例えば、バインダとして水ガラスを用いた中子砂の再利用方法に関する。

特許文献１には、鋳造時における中子からのガス発生を抑制するため、バインダとして水ガラスを用いた砂型（中子）の造型方法が開示されている。

特開２０１３−１１１６０２号公報

一般的に、中子を造型するための砂（中子砂）は再利用される。鋳造用の中子を形成する場合、中子砂同士を粘着させるために中子砂にバインダを混合する。鋳造後に不要になった中子砂を回収し、中子砂に付着している不純物やバインダを除去することで、中子砂が再利用可能になる。

しかしながら、バインダとして水ガラスを用いた中子の場合には、中子砂と水ガラスとの分離が困難である。そして、水ガラスが残留した中子砂を、砂型（中子）として造型しても、十分な強度を持つように硬化させることは難しかった。そのため、バインダとして水ガラスを用いた中子砂の再利用方法は確立されていなかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、バインダとして水ガラスを用いた中子砂を再利用した時の中子の強度を向上させることができる中子砂の再利用方法を提供する。

本発明の一態様に係る中子砂の再利用方法は、バインダに水ガラスを用いた中子砂の再利用方法であって、鋳造に用いた中子を粒状体になるまで解砕するステップと、前記粒状体を300℃〜550℃の温度で加熱するステップと、加熱後の前記粒状体同士を衝突させ、前記中子砂から前記水ガラスを剥離するステップと、剥離された前記水ガラスと前記中子砂との混合物に空気を吹き付け、前記水ガラスと前記中子砂との比重差により前記混合物から前記中子砂を分離回収するステップと、を備える。このような構成により、鋳造後の中子を解砕した粒状体を300℃〜550℃で加熱しているので、粒状体に含まれる水ガラスが不活性化し（再利用時に硬化を阻害しない状態に変性させ）、再利用した時の中子の強度を向上させることができる。

また、前記加熱するステップにおいて、前記加熱により、前記粒状体に含まれる前記水ガラスのうち、水溶性の前記水ガラスの量を、非水溶性の前記水ガラスの量よりも小さくすることが好ましい。このような構成とすることにより、再利用時に硬化を阻害しないようにし、中子の強度をより向上させることができる。

さらに、前記加熱するステップにおいて、前記加熱により、前記粒状体に含まれる前記水ガラスのうち、水溶性の前記水ガラスの質量の割合を、前記粒状体の質量の0.2％以下にすることが好ましい。このような構成とすることにより、再利用時に硬化を阻害しないようにし、中子の強度をさらに向上させることができる。

本発明により、バインダとして水ガラスを用いた中子砂を再利用した時の中子の強度を向上させることができる。

（ａ）及び（ｂ）は、水ガラスの硬化メカニズムを例示した図である。 水ガラスの硬化メカニズムを例示した図である。 （ａ）及び（ｂ）は、水ガラスの硬化メカニズムを例示した図である。 ナトリウムによる水ガラス硬化阻害メカニズムを例示した図である。 実施形態に係る中子砂の再利用方法を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂を解砕する解砕装置を例示した図である。 実施形態に係る中子砂の再利用方法において、加熱温度による水ガラスの活性量及び全残留量を例示したグラフであり、横軸は、加熱温度を示し、縦軸は、粒状体の質量に対する水ガラスの質量の割合を示す。 実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂を加熱する加熱装置を例示した図である。 （ａ）は、実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂から水ガラスを剥離する剥離装置を例示した図であり、（ｂ）は、中子砂から水ガラスを剥離する様子を例示した図である。 実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂を分離回収する分離回収装置を例示した図である。 実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂の強度を例示したグラフであり、横軸は、再生回数を示し、縦軸は、テストピース（TP）の抗折強度を示す。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施形態）
実施形態に係る中子砂の再利用方法を説明する。本実施形態は、バインダに水ガラスを用いた中子砂の再利用方法である。すなわち、バインダに水ガラスを用いた中子砂で中子を造型し、650℃〜750℃の溶湯温度におけるアルミ鋳造にその中子を使用した後、再び中子砂として利用する方法である。

ここで、まず、中子の造型時にバインダとして用いられる水ガラスの硬化メカニズムを説明する。次に、バインダとして使用済の水ガラスが、新たにバインダとして添加した水ガラスの硬化を阻害するメカニズムを説明する。その後で、バインダに水ガラスを用いた中子砂の再利用方法を説明する。

図１〜図３は、水ガラスの硬化メカニズムを例示した図である。中子の造型においては、中子砂９に水及びバインダとしての水ガラス１５を混合させて混練する。図１（ａ）に示すように、中子砂９の表面に付着した水ガラス１５は以下の（１）式の分子式で表され、（２）式に示す構造を含んでいる。（１）式に示すように、水ガラス１５は、二酸化珪素、酸化ナトリウム及び水を含む混合物である。また、（２）式に示すように、水ガラス１５の分子末端には、OH基が存在している。

次に、混練した中子砂９、水及び水ガラス１５の混合物を型に入れて固める。そして、図２に示すように、例えば、造型時や鋳造時において、高温で加熱することにより、水ガラス１５は分子間で反応し結合する。水ガラス１５の分子末端のOH基が脱水縮合反応を起こす。このとき、１つの分子の末端のOH基におけるOイオン及びHイオンと、他の分子のOH基のHイオンとが反応して結合し、１つの水分子が形成される。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記のような脱水縮合反応により、中子砂９の表面に付着した水ガラス１５は反応し結合する。そして、中子砂９の表面にSi-Oのネットワーク１６が形成される。これにより、水ガラス１５を含む中子は硬化する。このとき、多数の水分子が形成される。このようにして、水ガラス１５はバインダとして中子の造型に利用される。造型された中子は、中子として十分な強度を有している。

次に、バインダとして使用済の水ガラス１５（以下、使用済の水ガラス１５という）が、新たにバインダとして添加した水ガラス１５（新たな水ガラス１５という）の硬化を阻害するメカニズムを説明する。再利用時も中子砂９に水及び新たな水ガラス１５を混合させて混練する。中子砂９には、使用済の水ガラス１５が含まれている。使用済の水ガラス１５は、当初の粘着力を有していない。この原因として、以下に説明するように、使用済の水ガラス１５は、ナトリウムイオンを有していることが考えられる。使用済の水ガラス１５を含む中子砂９、水及び新たな水ガラス１５を混合させたとき、使用済の水ガラス１５におけるナトリウムイオンは水に溶出する。水に溶出したナトリウムイオンは、新たな水ガラス１５における水素イオンと置き換わる。そして、新たな水ガラス１５は、以下の（３）式に示す構造を含むようになる。

図４は、ナトリウムによる水ガラス硬化阻害メカニズムを例示した図である。図４に示すように、上記の（３）式に示す構造を含んでいると、図２で示した水ガラス１５の硬化メカニズムによる反応が進みにくい。すなわち、水ガラス１５の脱水縮合反応が抑制される。したがって、中子砂９の表面に付着した水ガラス１５はSi-Oのネットワーク１６を形成することができない。このため、使用済の水ガラス１５を含んだ中子砂９を中子の造型に再利用すると、造型された中子は、所定の強度を保つことができない。このように、従来は、使用済の水ガラス１５を含む中子砂９を用いて、新品の中子砂９と同等の強度を有する中子を造型することができなかった。以下に示す中子砂９の再利用方法によって、使用済の水ガラス１５を含む中子砂９の再利用が可能となる。

図５は、実施形態に係る中子砂の再利用方法を例示したフローチャート図である。
図５に示すように、本実施形態に係る中子砂９の再利用方法は、解砕工程（ステップＳ１）、加熱工程（ステップＳ２）、剥離工程（ステップＳ３）及び分離回収工程（ステップＳ４）を有している。解砕工程では、鋳造に用いた中子を粒状体１４になるまで解砕する。例えば、粒状体の平均粒径（D50）が3mm以下になるまで中子を解砕する。なお、解砕後の粒状体の平均粒径は10mm程度以下であればよく、細かいほど好ましい。中子造型に再利用（ステップＳ５）した場合に、中子に欠けや割れが生じ、鋳造（ステップＳ６）に用いることができなくなった不良中子８も解砕工程（ステップＳ１）において解砕される。

解砕工程には、例えば、解砕装置１０を用いる。
図６は、実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂を解砕する解砕装置を例示した図である。図６に示すように、解砕装置１０は、チャンバー１１、モータ１２、ロータ１３及びメッシュ１７を有している。モータ１２の上にチャンバー１１が設置されている。チャンバー１１内に設置されたロータ１３は、モータ１２に接続されている。モータ１２の回転により、ロータ１３が搖動する。ロータ１３の上面にはメッシュ１７が設けられている。

中子の塊をチャンバー１１内に入れ、モータ１２によりロータ１３を搖動させる。ロータ１３の搖動により、中子同士の衝突、または、ロータ１３と中子の衝突により、中子が解砕される。メッシュ１７の網目よりも細かい粒状になった粒状体１４をメッシュ１７によって篩い分ける。このようにして、粒径が3mm以下の粒状体１４になるまで中子を解砕する。

次に、図５のステップＳ２に示す加熱工程では、粒状体１４を300℃〜550℃の温度で加熱する。
図７は、実施形態に係る中子砂の再利用方法において、加熱温度による水ガラス１５の活性量及び残留量を例示したグラフであり、横軸は、加熱温度を示し、縦軸は、粒状体の質量に対する水ガラス１５の質量の割合を示す。各温度における加熱時間は10分以上、例えば10分である。ここで、水ガラス１５の残留量は、酸に中子砂９を浸漬させ、酸に溶出した水ガラス１５の量から求めている。水ガラス１５は酸に溶解する。したがって、この方法により、中子砂９における水ガラス１５の残留量を測定することができる。

一方、水ガラス１５の活性量は、水に中子砂９を浸漬させ、水に溶出した水ガラス１５の量から求めている。水ガラス１５の活性量とは、活性な水ガラス１５の量である。活性な水ガラス１５とは、水溶性の水ガラス１５のことである。水溶性の水ガラス１５は、水に溶けるとナトリウムイオンを放出する。ナトリウムイオンは、前述したように、バインダとしての水ガラス１５の硬化を阻害する。活性な水ガラス１５は水溶性なので、この方法により、中子砂９に含まれる水ガラス１５の活性量を測定することができる。

図７に示すように、中子の造型時にバインダとして添加した水ガラス１５の量は、0.6％である。新しい中子砂９を使用する場合の水ガラス１５の添加量は、鋳造後の中子砂９を再利用する場合の水ガラス１５の添加量と同じ量である。使用済の水ガラス１５は当初の粘着力を有していないからである。

解砕工程を行った後の中子砂９に含まれる水ガラス１５の残留量は0.53％程度である。残留量には、活性な水ガラス１５（水溶性の水ガラス１５）及び不活性な水ガラス１５（非水溶性の水ガラス１５）の両方を含んでいる。水ガラス１５の活性量は、0.51％程度である。このように、使用済の水ガラス１５を含む中子砂９の場合、残留する水ガラス１５の大部分は、活性な水ガラス１５である。

加熱温度が300℃よりも低い場合には、水ガラス１５の活性量は、0.20％よりも大きい。すなわち、加熱温度が300℃よりも低い場合には、中子砂９に残留する水ガラス１５の大部分は、活性な水ガラス１５である。加熱温度が300℃では、水ガラス１５の残留量は0.43％であり、活性量は、0.20％である。したがって、非水溶性の水ガラス１５の量は、0.23％である。加熱温度が350℃では、水ガラス１５の残留量は0.52％であり、活性量は、0.20％よりも小さく、0.17％である。したがって、非水溶性の水ガラス１５の量は、0.35％である。

加熱温度が400℃、450℃、500℃及び550℃では、水ガラス１５の残留量は、0.46％、0.52％、0.44％及び0.67％である。活性量は、いずれも0.20％よりも小さく、0.12％である。したがって、非水溶性の水ガラス１５の量は、0.34％、0.40％、0.32％及び0.55％である。加熱温度が600℃〜650℃では、水ガラス１５の残留量は0.44％及び0.45％である。活性量は、いずれも0.20％よりも小さく、0.06％である。したがって、非水溶性の水ガラス１５の量は、0.38％及び0.39％である。

このように、加熱工程において、300℃以上の温度で加熱することにより、粒状体１４に含まれる水ガラス１５のうち、水溶性の水ガラス１５の量を、非水溶性の水ガラス１５の量よりも小さくする。これにより、再利用時に中子砂９の硬化を阻害しないようにすることができる。

造型時に混合した水に溶出する水ガラス１５の量が小さいほど、造型後の中子の強度は向上する。中子造型に再利用した場合に、所定の強度を有することができたものは、中子砂９に含まれる水ガラス１５の活性量が、0.20％以下のものであった。したがって、中子砂９に含まれる水ガラス１５の活性量から考慮すると、加熱温度は300℃以上が好ましい。このように、加熱工程において、中子砂９に残留する水ガラス１５を非水溶性の水ガラス１５に不活性化させる。加熱により、粒状体に含まれる水ガラス１５のうち、水溶性の水ガラス１５の量を、粒状体の量の0.2％以下にする。これにより、中子の強度を向上させることができる。

一方、加熱温度が550℃を超えると、中子砂９は固化する。中子砂９がバインダと共に加熱装置内で固化し、中子砂９として取り出すことができなくなる。したがって、加熱工程における加熱温度は、300℃〜550℃とすることが好ましい。

加熱工程には、例えば、加熱装置２０を用いる。
図８は、実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂を加熱する加熱装置を例示した図である。図８に示すように、加熱装置２０は、流動槽２１、搬入口２２、搬出口２３、チューブヒータ２４、パネルヒータ２５を有している。流動槽２１は、槽の形状をしている。流動槽２１の上部の一端に搬入口２２が設けられている。流動槽２１の上部の他端に搬出口２３が設けられている。

流動槽２１の上部は、例えば上蓋で覆われている。流動槽２１の内部は迷路構造になるように仕切りで区切られている。流動槽２１の内部には、例えば、エアが流動している。これにより、流動槽２１における被加熱物を搬入口２２から搬出口２３まで流動させる。流動槽２１の内部には、上方から、複数本のチューブヒータ２４が差し込まれている。

チューブヒータ２４は、棒状であり、一端が流動槽２１の底の近傍に位置し、多端が流動槽２１の上蓋から突き出ている。チューブヒータ２４は、流動槽２１の内部に等間隔で配置している。流動槽２１の壁面及び底面には、パネルヒータ２５が設置されている。

粒状体１４になった中子砂９を、加熱装置２０の搬入口２２に投入する。粒状体１４は、仕切りで区切られた流動槽２１の内部を、流動エアにより流動する。例えば、流動槽２１において、1100リットル/minの流動量でエアを流動させる。粒状体１４は、等間隔で配置されたチューブヒータ２４及びパネルヒータ２５により、均一に加熱される。また、流動槽２１の内部が迷路構造となっているため、粒状体１４が流動槽２１に滞在する時間が確保される。粒状体１４はエアにより流動するので、不純物との接触が低減される。加熱後、粒状体１４は、空冷熱交換方式で、研磨処理温度の100℃以下まで冷却する。

次に、ステップＳ３に示す剥離工程では、加熱後の粒状体１４同士を衝突させ、中子砂９から水ガラス１５を剥離する。
図９（ａ）は、実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂から水ガラスを剥離する剥離装置を例示した図であり、（ｂ）は、粒状体の中子砂から水ガラスを剥離する様子を例示した図である。図９（ａ）に示すように、剥離装置３０は、チャンバー３１、搬入口３２、ロータ３４及びモータ３５を有している。チャンバー３１は、モータ３５の上方に設けられている。チャンバー３１の上方には、搬入口３２が設けられている。チャンバー３１の内部にロータ３４が設置されている。ロータ３４は、モータ３５の回転により回転する。

搬入口３２から取り込まれた粒状体１４は、ロータ３４の回転により、上下方向に回転する。回転数は、例えば、毎分2200回転（周波数72.0Hz）である。図９（ｂ）に示すように、剥離装置３０では、粒状体１４同士を衝突させ、中子砂９の表面に付着している活性な水ガラス１５及び不活性な水ガラス１５を剥離させる。処理時間は、例えば、200秒である。処理量は１バッチあたり、例えば17.5kgである。剥離工程により、使用済の水ガラス１５のうち、不活性化な水ガラス１５の割合も、活性な水ガラス１５の割合も低減させることができる。また、加熱工程において、熱処理されているので、水ガラス１５が適度に乾燥し、剥離しやすいものとなっている。

次に、ステップＳ４に示す分離回収工程では、剥離された水ガラス１５と中子砂９との混合物に空気を吹き付け、水ガラス１５と中子砂９との比重差により、混合物から中子砂９を分離して回収する。
図１０は、実施形態に係る中子砂の再利用方法において、中子砂を分離回収する分離回収装置を例示した図である。図１０に示すように、分離回収装置４０は、水ガラス１５及び中子砂９の混合物を送風により分離し中子砂９を回収する。分離回収装置４０は、チャンバー４１、搬入口４２、搬出口４３、送風口４４及び吹出口４５を有している。吹出口４５の上方には図示しないダクトを設置する。

水ガラス１５及び中子砂９の混合物を、搬入口４２から、チャンバー４１内へと搬入させる。チャンバー４１内に投入された中子砂９は、送風口４４からの送風により、比重差に応じて分離する。比重の軽い水ガラス１５は送風と共に吹出口４５に吹き上げられ、比重の重い中子砂９は、搬出口４３に集められる。これにより、中子砂９を分離して搬出口４３から回収する。

このように、使用済の中子砂９を解砕工程（ステップＳ１）、加熱工程（ステップＳ２）、剥離工程（ステップＳ３）、分離回収工程（ステップＳ４）の順に処理することによって、中子造型に再利用（ステップＳ５）することができる。中子造型では、型の中に中子砂９を入れ、加熱により固めて中子を形成する。加熱温度は、例えば、鋳造よりも低い温度である。これにより、新砂同様の中子の強度を有するように再利用することができる。

次に、ステップＳ６に示すように、造型した中子を鋳造に用いる。鋳造は、例えば、650℃〜750℃の溶湯温度におけるアルミ鋳造である。
次に、ステップＳ７に示すように、後処理を行う。後処理は、鋳造により形成された鋳物から使用済の中子を振るい落とす。その後、中子砂９を再利用するために、ステップＳ１の解砕工程が実施される。

図１１は、実施形態に係る中子砂の再利用方法において、造型した中子砂の強度を例示したグラフであり、横軸は再利用の回数を示し、縦軸はテストピース（TP）の抗折強度を示す。
図１１に示すように、新砂を用いて造型された中子の抗折強度は、1.8〜4.0MPaである。中子の造形に48回再利用を繰り返しても、新砂同等の強度を維持することができる。

本実施形態の中子砂の再利用方法によれば、鋳造後の中子を解砕した粒状体を300℃〜550℃で加熱しているので、粒状体１４に含まれる水ガラス１５を不活性化し、再利用した時の中子の強度を向上させることができる。

また、バインダとして水ガラス１５を用いた中子の場合も再利用可能としたことにより、製造コストを低減させることができる。

解砕工程において粒状体１４になるまで解砕している。これにより、加熱工程において均一に加熱することができる。また、剥離工程においてムラなく剥離することができる。

加熱工程において、加熱により、粒状体１４に含まれる水ガラス１５のうち、水溶性の水ガラス１５の量を、非水溶性の水ガラス１５の量よりも小さくすることが好ましい。特に、水溶性の水ガラス１５の量を、粒状体１４の量の0.2％以下にすることが好ましい。このような構成により、ナトリウムイオンによる水ガラス１５の硬化の阻害を低減し、再利用した時の中子の強度をより向上させることができる。

加熱工程において、水ガラス１５を適度に乾燥させることができる。これにより、中子砂９から水ガラス１５を剥離しやすくすることができる。剥離工程によって、水溶性の水ガラス１５も非水溶性の水ガラス１５も剥離することができるので、分離回収工程によって、中子砂９に含まれる使用済の水ガラス１５の量を低減することができる。

以上、本発明にかかる中子砂９の再利用方法の実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

例えば、本実施形態では、水ガラス１５をバインダとして用いた中子砂の再利用方法を説明したが、このような再利用方法は、中子として用いた砂に限らず、鋳造に用いた砂に適用してもよい。

８ 不良中子
９ 中子砂
１０ 解砕装置
１１ チャンバー
１２ モータ
１３ ロータ
１４ 粒状体
１５ 水ガラス
１６ ネットワーク
１７ メッシュ
２０ 加熱装置
２１ 流動槽
２２ 搬入口
２３ 搬出口
２４ チューブヒータ
２５ パネルヒータ
３０ 剥離装置
３１ チャンバー
３２ 搬入口
３３ 搬出口
３４ ロータ
３５ モータ
４０ 分離回収装置
４１ チャンバー
４２ 搬入口
４３ 搬出口
４４ 送風口
４５ 吹出口

Claims (2)

1. バインダに水ガラスを用いた使用済の中子砂の再利用方法であって、
   鋳造に用いた中子を解砕するステップと、
   前記中子砂に付着する水溶性の水ガラスの量を、非水溶性の水ガラスの量よりも小さくなるように、解砕した前記中子を加熱するステップと、
   前記加熱するステップの後に、前記中子砂から前記水ガラスを剥離するステップと、
   剥離された前記水ガラスと前記中子砂との混合物から前記中子砂を分離回収するステップと、を備え、
   加熱した前記解砕した前記中子を１００℃以下に冷却し、そうした冷却処理の後に前記中子砂から前記水ガラスを剥離する、
   中子砂の再利用方法。
2. バインダに水ガラスを用いた使用済の中子砂の再利用方法であって、
   鋳造に用いた中子を解砕するステップと、
   前記中子砂に付着する水溶性の水ガラスの量を、非水溶性の水ガラスの量よりも小さくなるように、解砕した前記中子を加熱するステップと、
   前記加熱するステップの後に、解砕した前記中子を剥離ステップでの剥離処理に適した温度まで冷却するステップと、
   前記冷却するステップの後に、前記中子砂から前記水ガラスを剥離するステップと、
   剥離された前記水ガラスと前記中子砂との混合物から前記中子砂を分離回収するステップと、を備え、
   加熱した前記解砕した前記中子を１００℃以下に冷却し、そうした冷却処理の後に前記中子砂から前記水ガラスを剥離する、
   中子砂の再利用方法。

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