JPH05501522A - 使用済み鋳物砂を焙焼により回収する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は使用済み鋳物砂を焙焼により回収する方法に関する。

溶融金属鋳造法の残渣であるところの使用済み鋳物砂は、生態学的見地および厳 密な経済的見地から工業上重要な問題となっている。生態学的見地から見ると、 このような使用済み鋳物砂は極めて汚染された廃物（重金属およびフェノールを 多量に含む）として考えられており、認可を要し、目的に応じて作られた適当な 捨て場に撒き散らす必要がある。経済的見地からすると、このような使用済み鋳 物砂の廃物としての撒き散らしは、鋳物砂の可なりの量の損失を意味するが、鋳 物砂は、それが採れる石切り場の減少から、その取得がますます困難、かつ高価 になりつつある。

背景技術 これらの問題を解決するため、使用済み鋳物砂を処理し、回収するため、又は汚 染を減少するための多くの方法が提案されている。この方法のうち、最も一般的 な方法は湿式法および焙焼又は焼成法である。

第１の方法では、使用済み鋳物砂、すなわち砂粒子が鋳造用型を作るのに用いら れたバインダーの残液であるカーボンおよび有機物質で覆われたものを、液状媒 体に分散させ、液状媒体中での不規則な動きによる砂粒子相互の摩擦により汚染 物質を機械的に除去し、比重の差により洗浄された砂と除去された残渣の２つの 固体層にきれいに分離させる。この方法は装置の点から非常に簡単である。しか し、砂が濡れた状態で残るという欠点があり、そのため乾燥させる必要があり、 結果としてコストを増大させる。さらに、この方法は残渣の殆どがカーボンであ るところの、いわゆるブラックアースの場合に特に適しているが、残渣が有機質 汚染物の場合はあまり適していない。

第２の方法は、使用済み鋳物砂を加熱ガス流で処理し、直接又は後の熱分解又は 燃焼により有機質又はカーボン残渣をガス状にして除去するようにして、使用済 み鋳物砂を焙焼、焼成するものである。これらの物質の燃焼熱を回収し、これを 燃焼空気の予熱に利用することにより、コストを軽減させることができる。他方 、この方法は一般に回転炉、またしばしば流動床でおこなわれることから、設備 コストが、高くなる。したがって、この方法は大規模な装置を用いなければ経済 的に成り立たたない。したがって、この方法は中小鋳造所（使用済み鋳物砂の殆 どはこれから出る）では、協同組合又は他の地域社会のイニシアテブなしは、到 底扱うことができない。

しかし、この場合でも、この焼成法は以下のような欠点がある。まず第１にバッ チ方式で行わざるを得す、異なる出所の砂を混ぜて処理することはできない。な ぜならば、塩基性砂と酸性砂とが混合する危険性があるからである。さらにもし 、砂に低融点金属（Ｃｕ、Ｚｎ、、５ｎＳＰｂ）の残渣があるとすると、処理の 間にこれらが溶けて流動床から浸み出ることになり、焼成を維持するガス流が送 られる孔を塞ぐことになる。その結果、非鉄金属加工からの使用済み鋳物砂、す なわち最も汚染されている砂の殆ど全てがこの方法では処理できないことになる 。

本発明の開示 本発明の目的は、使用済み鋳物砂の処理方法を提供するものであって、経済的に 有利であって、小さいバッチでも実施することができ、したがって、たとえ小さ い鋳造所に対しても直接隣接させておこなうことができ、さらに、非鉄金属加工 からの砂に対しても処理を行うことができ、いかなる場合でも処理された砂の殆 どをのちの再利用のために回収することができる方法を提供するものである。

この発明の目的は、以下の方法により達成される。すなわち、本発明は、有機質 および炭素物質を含む使用済み鋳物砂を焙焼により回収する方法であって、 使用済み砂の固まりを容器に導入し； 大気よりも大きい酸素濃度を含むガス流を該容器の底にて上記砂の固まりに向け 、かつ該ガス流が上記の砂の固まり内を実質的に均一に分配されるようにして吹 き付け；　主炎を上記砂の固まりの上面に向けることにより該容器の上部にて、 上記砂の固まりの中に炎先端を生じさせ；該主炎を上記砂の固まりの上面から取 り除き、上記砂の固まりを通過する上記酸素富化されたガス流を維持し、これに より上記炎先端を容器の基部に向けて次第に降下させ、上記有機質および炭素物 質を完全に燃焼させるようにしたことを特徴とする方法を提供するものである。

図面の簡単な説明 本発明を一層理解し得るよう、非限定的具体例を図面を参照して説明する。

図１は本発明の方法を実施するための装置の側面を示す図、図２．３および４は 本発明の方法の幾つかの段階を模式的に説明する図である。

本発明を実施するための最良の形態 本発明者は意外にも使用済み鋳物砂の中で、その量が例え僅かであっても、内生 燃焼プロセスを開始および維持することができることを見出だした。この内生燃 焼プロセスとは、砂の固まりの小さい厚みの連続層をその表面部から底部にかけ て燃焼が順次進行するものであって、この内生燃焼プロセスは使用済み鋳物砂の 中に存在する有機質および炭素汚染物質（使用済み鋳物砂全体の約２８％に達す る）の完全な燃焼により維持される。したがって、これら有機質および炭素汚染 物質は酸化により２酸化炭素となって完全に除去される。

このようにして、いかなる量の砂の固まりをも非連続方式（又はバッチ方式）又 は連続方式により、エネルギー消費を殆ど要せずに、又はいずれにしても小さい エネルギー消費で、処理を行うことができ、さらにいかなる性質又は出所の砂で も処理することができる。この場合の燃焼は砂全体を同時でなく、その僅かな一 部を次第に降下するようにして進行し、そのため含まれる低融点金属は溶融せず 、液状として砂の塊の底に浸み出、燃焼相がその部分を通過するやいなやそこで 固化し、保持される。

このような結果は、処理されるべき、使用済み砂の固まりを、砂の燃焼温度に耐 える材料からなる容器、好ましくはステンレス鋼からなる容器に収容し、純粋酸 素または大気（２１容量％、２３重量％）より酸素濃度を増大させたガス流（例 えば大気に純粋酸素を付加したもの）を、容器の底部にて砂の固まりを透過する ように吹き付けることにより達成される。

このガス流は大気温度にて発生させることができる。例えば酸素を液状で収容す る適当な貯蔵容器から酸素を放出させ、上記砂の固まりの中を室温で砂の固まり の１表面に向けて完全に透過させる。この時点において、砂の固まりの表面層の 燃焼が例えばガス、またはガス／オイルバーナを用いて開始される。このバーナ は主炎を発生し、これが容器の頂部にて砂の固まりの上表面に向けられる。つぎ にこの主炎が取り除かれ、バーナが消され、酸素ガス流は維持される。この場合 、酸素ガス流の圧力を徐々に減少させ、砂中に存在する可燃物質が消費されるに つれて炎の先端が砂の固まりの底部に向けて次第に降下するようにさせる。

次に、図１ないし図４を参照して説明する。図１に示す本発明を実施するための 装置１に基づき、本発明の段階がこれら図面に模式的に説明されている。装置１ は鉄、好ましくはステンレス鋼（例えばＡｌ５１　３１６Ｌ）からなるコツプ状 容器であって、軸対称筒状をなし底部が皿状底面３をなし、頂部が円形開口部４ となっていて、送り出し口５が容器２の内部底面３の中央部を貫通するようにし て固定されている。

またこの送り出し口５には複数の横方向排出ノズル６が設けられている。この送 り出し口５（または分配器）は公知の回転カップリング７を介して矢線で示す酸 素富化ガス流（好ましくは純粋酸素ガス）のための入りロチューブと接続してい る。

容器２は、駆動モータ８を備えたフレーム１０に回転自在に指示されていて、そ の軸心を中心としてゆつくり（毎分３ないし６回転の速さ）回転しうるようにな っている。他方、このフレーム１０は支持部材１１にピン１２を介して枢着され 、駆動器１３の制御により矢線方向に回動自在となっている。したがって、容器 ２は傾斜可能となっていて、例えば中に充填した砂の固まり２０を除去し空にし たり、あるいは図３に示すように使用の間に傾斜させたまま回転させることがで きるようになっている。

図１に示す特別の例において、本発明の使用済み砂の処理方法を連続的に行うこ とを目的として、公知の充填ホッパ１６および吸入手段をさらに付加することが できる。この充填ホッパ１６はその下端部１８がこの再生処理の間、砂の固まり ２０の中に常に埋め込まれるように形成、配置される。吸入手段は例えば公知の エレベータ１９からなり、これは充填ホッパ１６と共に、または充填ホッパ１６ に隣接させて容器２に固定され、砂の固まり２０の表面層２１に浸されている。

次に図２ないし４を参照して、非連続方式またはバッチ方式により本発明の方法 を実施する例について説明する。使用済みの砂の固まり２０を最初に公知の粉砕 処理に処する。この処理により砂の固まりの寸法が均一になり、砂およびバイン ダーの凝集が破壊され、崩壊して３ｍｍ以下の小さい粒になる。ついで、この使 用済みの砂の固まり２０を容器２０内に充填する。この場合、容器２は直径りと 高さＨとの比が０゜８ないし１．２の範囲で、砂２０を容器２の容積の一部、す なわち容器２の全容積の７０ないし９０容量％を満たす程度に充填した場合に良 好な結果が得られることが見出された。

この時点において、容器２を駆動器１３の操作により傾けて位置させ、モータ８ により回転させる。同時に砂２０の底部に送り出し口５を介して酸素流（酸素富 化流）Ｆを、矢線で示すように送る。満足な結果、特に砂の固まり２０内での内 生燃焼ブローセスの規則的発達を確保するために、容器２は垂直に対してうない し１５度傾斜させ（容器２を毎分３ないし６回転の速さで回転させて）、酸素富 化ガス流Ｆを４バール以下の圧力で、好ましくは２ないし４バールの圧力で導入 し、その流量を充填された砂１キログラム当たり７０ないし１３０リツトルとす ることが必要である。

酸素富化ガス流Ｆの固定流動状態に達し、これが砂の固まり２０内に均一に分配 され、その表面２１に向けて透過するようになったとき、炎の先端部３０が容器 ２の頂部に生成する。この実施例では、これは公知のバーナ３１を用いておこな われ、その主炎３２が表面２１に向けられる。この主炎３２が、可燃物質で覆わ れ酸素で富化されたガス雰囲気で囲まれた砂粒子に当ったとき、砂の固まり２０ の表面層の局部的燃焼が発生し、これが燃料の不十分な存在にも拘らず、この層 の過酸素の効果により表面層全体に広がる。

しかし、燃料の不十分な存在のため、生成される熱は砂の固まり２０の僅かな部 分のみ、すなわち表面層のみの燃焼を維持するのに十分であるに過ぎない。した がって、砂の固まり２０全体が同時に燃焼する可能性は全く無い。この時点にお いて、炎３２は除去され、バーナ３１は消され、砂の固まり２０内での内生燃焼 は酸素の供給継続により維持される。

表面層の可燃性物質が消費されるにつれて、突先端部３ｏは次第に矢線（図３） で示す方向に降下し直ぐ下の層に進行し、他方、燃焼した上の層は消され、これ により燃焼は層毎に進行し最後に砂の固まり２０の底部に達し、含まれる有機質 および炭素物質の燃焼が完了する。容器２を傾斜させ、ゆっくり回転させること により、充填された砂の固まり２ｏのゆっくりした混合がなされ、これにより砂 の固まり２ｏ中での酸素富化ガス流Ｆの優先的通路の形成の防止が図られる。こ の優先的通路の形成は過剰の酸素の局部的存在を促し、爆発的な激しい局部的燃 焼をもたらし、他方、酸素が欠乏した隣接区域を生じさせ、砂の固まり２ｏ内で の内生燃焼を消失させる虞れもある。

砂の固まり２０内に存在する全ての可燃性物質が消費されたとき、言い換えれば 、燃焼プロセスが砂の固まり２ｏ内全体を通過したとき、突先端部３０が砂の固 まり２ｏの底部にまで降りたとき、容器２の底３で燃焼が終り、突先端部３゜消 され、酸素富化ガス流Ｆが中止される。そして使用できなくなった物質（フェノ ール、フラン樹脂、カーボン粒子）が全体的に除去され、この時点において完全 に再生された砂の固まり２０が、容器２を傾斜するなどして容器２から排出され 、新鮮な鋳造砂として再利用される。

この方法は装置１に充填ホッパ１６およびエレベータ１９を加える以外は実質的 に変更することなく、連続方式でおこなうことができる。この場合、上述のよう に、容器２に砂を充填し表面２１の燃焼を開始したのち、充填ホッパ１６を介し て新たな使用済み砂のある流量で突先端部３０の直ぐ下の砂の固まり２０部分、 つまり突先端部３０が到達しつつある区域に供給する。これと同時に、すでに燃 焼済みで精製された砂の等量が突先端部３０が通過した砂の固まり２０の区域か らエレベータ１９により排出される。

このようにして、容器２内での砂の固まり２０の高さは一定に保たれ、突先端部 ３０は通気手段の下、充填ホッパ１６の端部１８の上にて動的に静止した状態に 保たれる。ここで「動的」とは前記例のように実質的には突先端部３０は降下す るのと同じであるが、新たな等量の未燃焼の砂の、その直ぐ下への供給により実 質的に上昇することになるという意味で用いられている。この場合も、容器２を 傾斜させ、ゆっくりと回転させることは、新たに導入された未燃焼の砂の、突先 端部３０部分の区域におけるゆっくりした混合、すでに消費された物質のこれか らの除去、および表面２１にこれを流動させることなどから必要である。

以下に具体的実施例についてさらに説明するが、これによって本発明が限定され るべきものではない。

実施例１（サンプルの作成） 使用済み鋳造砂の２つの異なるバッチが選ばれた。タイプ（ａ）はコアを有する 鋳造成形型を壊したものからなるもので、フェノール樹脂およびフラン樹脂で汚 染されたものである。タイプ（ｂ）のものは、フェノール樹脂で結合された熱成 形コアからなるものである。この各タイプの砂について、それぞれ３０Ｋｇのサ ンプルを１０個作り、番号１〜２０を付した。また、それぞれ代表的サンプルを 得るため、砂の山積みの異なる１０カ所からサンプルを採取した。

各タイプの最初のサンプルは手を触れないでおいた。残る９つのサンプルをそれ ぞれ異なって崩壊させ、非常に細かい固まりのサンプルを得、最後のサンプルで は使用前の砂と同じ粒径のものとした。

実施例２（燃焼テスト） 図１の装置を用意した。この装置はステンレス鋼（ＡＩＳＩ　３１６Ｌ）からな り皿状底面を有する直径３００ｍｍの筒状容器からなり、底部中央に円錐状弁座 を有するバルブが設けられ、これに酸素分配用槽ノズルを設けたステンレス鋼製 ケーシングを被せたものからなるものであった。この容器はレギュレータ、閉塞 バルブ、銅製接続チューブを介して液体酸素貯蔵器に接続され、傾斜自在のフレ ームに回転自在に支持されていた。さらに、この容器には接続チューブに取り付 けられた流量計と、マノメータが備えられ、さらにステンレス鋼シースにより保 護された３個の熱伝対が容器内部に露出されるようにして備えられていた。

各サンプルについて、一定量の砂を容器内に、酸素バルブ上３７０ｍｍとなるよ うに充填された。ついで酸素の供給が開始され、メタンバーナを用いて砂床表面 の燃焼が開始された。ついでバーナが消され、燃焼が砂の底部に向けて進行し、 はっきりした形の突先端が維持された。熱伝対の時たまの損傷が認められたが、 それ以外には何ら問題は生じなかった。

燃焼区域の温度は、バルブの真上で最大１０００〜１１００℃であり、容器壁部 で最小５００〜６００℃であった。その他の結果については表１に示した。

実施例３（砂の化学的分析） この処理された砂をのちに、フェノールを検出するための化学分析に供した。焼 けた砂５００ｇを粉砕し、１ｍｍスクリーンの篩にかけ、これを１リツトルフラ スコに入れ、これに蒸留水６００ｍ１を加えた。さらに８５％燐酸と３ｇのＣｕ ５Ｏａ５Ｈ２０を加えて、ｐＨ２〜３に調整した。これら全体を大気圧で蒸留し 、蒸留物５００ｍ１を収集した。この蒸留物１００ｍ１中ノフエノール量をＷＬ ｅｉｔｈｅ（Ｄｉｅ　ａｎａｌｙｓｅ　ｄｅｒ　ｏｒｇａｎｔｓｃｈｅｎ　Ｖｅ ｒｕｎｒｅｉｎｉｇｕｎｇｅｎ　ｉｎ　Ｔｒｉｎｋ−Ｂｒａｕｃｈ−ｕｎｄ　Ａ ｂｗａｓｓｅｒｎ、第９８頁）による吸光分光分析法により決定した。すべての サンプルのフェノール量はこの分析法の感度以下（１ｍｇｒ／Ｋｇサンプル）で あった。

表１ （実験装置を用いての鋳物砂の酸素燃焼テスト）表　１（つづき） 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成４年５月２８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．有機質および炭素物質を含む使用済み鋳物砂を焙焼により回収する方法であ って、 使用済み砂の固まり（２０）を容器（２）に導入し；大気よりも大きい酸素濃度 を含むガス流（Ｆ）を該容器の底にて上記砂の固まりに向け、かつ該ガス流が上 記の砂の固まり内を実質的に均一に分配されるようにして吹き付け；生炎（３２ ）を上記砂の固まりの上面（２１）に向けることにより該容器の上部にて、上記 砂の固まりの中に炎先端（３０）を生じさせ； 該生炎を上記砂の固まりの上面から取り除き、上記砂の固まりを通過する上記酸 素付加されたガス流を維持し、これにより上記炎先端（３０）を容器の基部に向 けて次第に降下させ、上記有機質および炭素物質を完全に燃焼させるようにした ことを特徴とする方法。 ２．該容器の一部にのみ、すなわち該容器の総容量の７０〜９０％の範囲で該砂 の固まりを充填するようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項記載の方法。 ３．該容器（２）が対称筒状をなし、その軸（Ａ）を傾けた状態で該軸を中心と してゆっくり回転させるようにしたことを特徴とする請求の範囲第１項または第 ２項記載の方法。 ４．該容器（２）の回転速度を毎分３ないし６回転とし、回転軸の傾きを垂直に 対し５ないし１５度とすることを特徴とする請求の範囲第３項記載の方法。 ５．該ガス流（Ｆ）が純粋な酸素からなり、容器の底に固定され、複数の横排気 ノズルを備えた入り口（５）を介して上記砂の固まりに向けて供給することを特 徴とする請求の範囲第１ないし４項のいずれかに記載の方法。 ６．該筒状容器（２）が、直径対高さ比が０．８ないし１．２のものであり、該 ガス流を２無いし４バールの圧力で、該砂１キログラム当り７０ないし１３０リ ットルの酸素流量で上記砂の固まりに対し供給することを特徴とする請求の範囲 第１ないし５項のいずれかに記載の方法。 ７．該容器に使用済み砂の固まり（２０）を導入する前に、砂の固まり（２０） を破壊し、最大寸法が３ｍｍの実質的に均一の粒径の砂の固まりとすることを特 徴とする請求の範囲第１ないし６項のいずれかに記載の方法。 ８．該砂の固まり（２０）の燃焼が完了したとき、該ガス流を止めたのち、容器 を傾けて該砂の固まりを容器から排出させることを特徴とする請求の範囲第１な いし７項のいずれかに記載の方法。 ９．容器内に予め存在する砂の固まりの中に下端（１８）が埋め込まれたホッパ （１６）を介して、該容器中に新たな砂の固まりを連続的に導入し、一方、容器 表面（２１）にて燃焼済み砂を、容器内に存在する砂の固まりの中に埋め込んだ 吸入手段（１９）を介して連続的に抽出するものであって、使用済み砂の供給と 燃焼済み砂の抽出とを等しくし、上記炎先端（３０）を該吸入手段より下方で、 該ホッパの下端より上方に動的に静止させることを特徴とする請求の範囲第１な いし７項のいずれかに記載の方法。