JPH07314087A - 凍結鋳型の製造法、保管法及び凍結鋳型を用いた鋳造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡易な凍結鋳型の製造方法、及びかかる製造
方法による鋳肌が美しく且つ欠陥のない凍結鋳型の鋳造
法を提供すること。 【構成】 冷凍機１によって冷却された低温空気を、鋳
物砂３内の水分が移動しない程度の差圧差でファン１４
により吸引もしくは加圧し鋳物砂からなる鋳型内に流通
させて、鋳型を凍結させる。鋳型内を流通した空気は冷
凍機の熱交換機で冷却して再び鋳型に送り、冷却空気を
系内で循環させる。また霜付きが起こる作業を上記冷凍
機によって徐湿された庫内にて行う。更に冷凍機によっ
て０℃以下に冷却された冷凍庫内にて凍結鋳型を保管す
る。また鋳型の開口部に消失性の蓋をして霜付きを防
ぐ。このことにより、鋳型を効率よく凍結でき、無駄を
防止でき、且つ鋳肌の良好な鋳造品を得ることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、凍結鋳型の製造法、凍
結鋳型の保管法及び凍結鋳型を用いた鋳造法に関し、特
に、冷凍機による冷却空気で凍結した凍結鋳型に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】鋳造用耐火物単体若しくは添加物を含ん
だ耐火物に所定量の水を混合し、これを凍結させて鋳造
用の鋳型を製造する製造法としては、例えば特公昭５６
−３０１０７号公報等に記載されている。従来、この目
的のための強度の高い鋳型を得るには、通常の０℃にて
徐々に凍った氷ではなく、過冷却の状態で凍った氷にす
ることが必要と考えられているため、窒素を始めとする
液化ガス若しくはドライアイス等の冷媒が用いられてい
る。

【０００３】鋳型をより急速に冷却して高強度の鋳型を
得る方法としては、初期凍結及び仕上げ凍結を用いた方
法（特公昭６３−１９２５３号公報）、予め鋳物砂を予
備冷却しておく方法（特公昭５９−２５７５号公報）、
鋳枠・模型・模型板等を十分に冷却しておく方法（特公
昭６３−１１４５号公報）等がある。冷媒を吸引若しく
は吹き込み等により鋳型内へ流通させる方法としては、
パイプ等により冷媒を吹き込んだり（特開昭５６−１５
４２４８号公報）、鋳型内を吸引にて流通させる（特開
昭５７−２８６５３号・特開昭５７−１０６４４４号・
特開昭５７−１４９０４５号等）等がある。凍結鋳型の
製造方法として最も普通に行われている方法が液体窒素
溶液中へ鋳型を浸漬する方法であり、上記のいずれの方
法も液化ガスを鋳型内に流通させるようにしている。し
かし、これらの方法はすべて冷媒を再利用することなく
排出している。

【０００４】凍結された鋳型が大気と接すると過飽和な
水蒸気が急速に鋳型に付着し、鋳造欠陥の原因となる霜
付き現象が知られているが、この霜付き現象の防止策と
しては、鋳型の製品形状部を被覆する方法（特公昭５９
−４２１８）がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、凍結鋳型を
冷却するための冷媒として、液体窒素等を用いた場合
は、鋳型が−１００℃以下になることもあって鋳造設備
のすべてが凍傷をもたらす程低温になるために人体にと
って危険である。本発明はこのような危険な作業から作
業者を開放すると共に冷凍機レベルの低温で強度のある
鋳型を作れるようにするものである。冷凍機を用いて強
度のある鋳型を作るためには熱交換機に流入する空気の
温度を極力低くする必要がある。また鋳型の冷却速度を
どのような速度にすべきか研究する必要がある。冷却速
度を増すために吸引等による差圧を大きくしすぎると鋳
型内の水分の移動が起こることになり、しいては水分凝
縮層が形成され鋳型の通気度が損なわれ凍結が進まない
ことになる。

【０００６】霜付き現象は鋳型内の製品形状部側に発生
すると肌荒れ、ピンホ−ル、注湯時の湯の吹き返し等の
現象となって現れる。この霜付き現象は湿度の高い外気
と鋳型が触れると瞬時にして起こる。このような霜付き
現象は型抜き作業、塗型作業、中子作業、型合わせ作
業、鋳型の保存、注湯作業等の種々の工程で発生するこ
とが知られている。凍結鋳型鋳造法が一般に普及しない
最大の原因はこの霜付き現象にあると言っても過言では
ない。また、上記特公昭５９−４２１８号の方法では被
覆に手間が掛かるばかりか、完全に密封することは難し
い。また、凍結を完了した鋳型を保存する方法について
は−７０℃以下に凍結させることを主眼にしているため
に全く考えられていない。

【０００７】凍結鋳型の保管や冷却雰囲気内での人的作
業については従来の液体窒素等を用いる方法では不可能
であった。なぜならば保管にコストがかかりすぎること
や、冷却温度が低すぎるために人が作業をすることが不
可能であるからである。このため従来は凍結後ただちに
注湯すると共に、造型作業の完全自動化が必要であっ
た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、水を１〜１２重量％を混合させた鋳物用砂
を凍結させて鋳型を製造する凍結鋳型製造法において、
冷凍機によって冷却された−３℃以下の低温空気を鋳型
内に流通させた後に回収し、再び該冷凍機の熱交換機を
通して冷却して前記鋳型内を流通させ、閉鎖系内を循環
する低温空気で前記鋳型を凍結させることとした。この
低温空気は、鋳型内に含有されている水分が鋳型内にお
いて移動しない程度の差圧状態で鋳型内を流通させるこ
とが好ましい。

【０００９】より温度を低下させるためには、ヒートパ
イプを鋳型に挿入するとよい。このヒートパイプは、模
型により低温空気の流通が多く行なわれない箇所に挿入
すると、より鋳型の凍結を促進させることができる。

【００１０】凍結された鋳型の作業は、冷凍機によって
１０℃以下の露点で除湿された庫内にて行うこととし
た。

【００１１】低温空気内に、窒素、二酸化炭素、ヘリウ
ムの液化ガスのいずれか一つ又はそれらを併用する冷媒
を混合させて、循環させてもよい。この冷媒を、鋳物砂
表面もしくはヒートパイプのフィン部に直接散布するこ
とも凍結を早める点で好ましい。

【００１２】水分の凍結だけでは充分な硬化が得られな
い場合や、初期の段階で仮固定が必要なときには硬化の
ための添加物を適量鋳物砂に含めてもよい。但しその量
は、鋳物砂を再利用するときの障害とならない範囲であ
る。

【００１３】凍結された鋳型を保管するに当たっては、
冷凍機によって０℃以下に冷却された冷凍庫内にて鋳型
を保管することとした。

【００１４】更に、この様にして形成された鋳型による
鋳造方法としては、溶湯によって消失される蓋を、凍結
された鋳型の内部が外気に通じる部分に気密に取り付
け、この蓋を取り外すことなく溶湯を凍結された鋳型内
に注入して鋳造する凍結鋳型鋳造法がある。

【００１５】又、前述した鋳型の製造方法を用いて鋳型
を製造する際に、発砲ポリスチレン等の消失性の模型を
用い、鋳型の凍結後に模型を抜き取ることなく溶融金属
の注湯を行うようにしてもよい。

【００１６】

【作用】液化窒素等の冷媒を用いなくなったため凍傷等
の問題がなくなると共に、冷却雰囲気に置いて人が作業
できるようになる。冷凍機により冷却された空気を用い
ること及びそれを循環しながら再利用することにより、
液体窒素等を用いた場合よりも効率よく低コストで鋳型
が製造できるようになる。鋳型内の水分移動による水分
凝縮層が形成されず鋳型が均一に凍結される。冷凍機は
一般的に除湿効果も兼ね備えているため冷凍庫内は自動
的に除湿された状態になっている。例えば２５℃の空気
に含まれる水分量は約２３．８ｇ／ｍ³ であるが、０℃
では約４．８ｇ／ｍ³ にすぎず、鋳型の霜付き現象がな
くなり、鋳造欠陥が発生することがなくなると共に、鋳
型の長期保存が可能となった。１０℃以下では作業環境
に問題がある場合は、冷却された空気をヒ−タにて加熱
した密閉された庫内で素早く作業をすることにより、作
業環境を確保することができる。

【００１７】外気と鋳型内部の製品部分が通じる部分を
溶湯によって消失する材質の物で閉鎖しておくことによ
り、鋳型が完成した後の霜付きを防止する。又鋳型を注
湯までの間冷凍庫内にて保管できる。

【００１８】

【実施例】本発明による凍結鋳型の製造法の一実施例に
ついて説明する。

【００１９】実施例１ 冷凍機を用いて図１に示すシステムで凍結を行った。図
１の２は木型からなる模型であり、上下方向に数か所孔
６が形成されている。模型２は、定盤４の上面に取り付
けられ、定盤４の内部に形成された通風部８と孔６と連
通している。定盤４の周囲は鋳枠１０で覆ってあり、鋳
枠１０の内部には鋳物砂３が投入されて突き固められて
いる。

【００２０】鋳物砂３は、５．５号硅砂を用い、硅砂１
００重量部に対して水を４重量％添加混練した。水の添
加量は１％から１２％までが好ましい。水の添加量が１
％以下であると凍結時に充分な強度が得られず、鋳型が
形成できず、水の添加量が１２％を超えると溶湯が水分
と接触したとき爆発的な反応を起こし、注湯時に吹き返
しが発生して注湯が行なえず、又製品にもピンホール、
肌荒れ等水分に起因する鋳造欠陥が生じる。

【００２１】鋳枠１０の上部は覆われており、その中央
に導風管１２が接続されている。この導風管１２はファ
ン１４を介して通風部８と連結しており、循環路となっ
ている。凍結機１は、導風管１２の中間に設けてあり、
導風管１２の内部を通過する空気を冷却ユニット１６に
よって冷却する。ファン１４は、鋳物砂３内の水分層が
移動しない程度の吸引圧力にて吸引する共に吸引した気
体を冷凍機１の冷却ユニット１６に送り冷却し、再び鋳
型内に流通させるようにした。

【００２２】このように冷凍機１によって一度冷却され
た空気が外界と遮断された系内を循環するようなシステ
ムにした結果、冷却空気のエネルギ−効率は８０％以上
になり鋳型内を急速に冷却することが可能である。すな
わち０℃で徐々に冷却された強度の弱い氷ではなく水が
過冷却されて氷になった高強度の氷が得られるようにな
り、強度の高い凍結鋳型が出来るようになる。より低温
の空気が系内を循環するために相乗的な効果が出るため
と考えられる。

【００２３】ちなみに、導風管１２を系外へ冷却空気が
排出されるようにした場合には、系外の室温空気を取り
込むことになるのでエネルギ−効率は極度に低下すると
共に鋳型強度は著しく低下する。空気の循環経路の一部
に管２０から液体窒素を散布すると鋳型の冷却速度はさ
らに増すこととなり、補助的冷却手段としては有効であ
る。

【００２４】このようにして凍結された鋳型を、冷凍庫
内にて型抜き作業、中子作業、型合わせ作業等を行い、
図３に示すような消失性の発泡ポリスチレンの蓋２２に
て外界と鋳型内部の製品部分が通じる部分を蓋をして３
日間冷凍庫内で放置した後注湯した。この結果欠陥のな
い鋳肌の美しい鋳造品が得られた。消失性の物でない木
製の蓋をした場合は、注湯直前にこの蓋を取り外したが
霜付き現象により肌荒れ等の欠陥を生じた。型抜き作
業、中子作業、型合わせ作業等は乾燥された庫内で行え
ば霜付きの問題はないが、好ましくは氷の溶けない０℃
以下が望ましい。発明者等は作業環境をよくするため
に、一度冷凍機で０℃以下に冷却された空気を再びヒ−
タ等にて４℃〜１０℃に温めた密閉された庫内にて素早
く作業をするようにしたが何等問題は起こらない。

【００２５】発明者等の実験によれば、１ｍ³ の空気に
含まれる水分量が約１０ｇを超えるあたりから、鋳型内
での霜付きにより、注湯時の吹き返しや製品のピンホー
ル、肌荒れ等の水分に起因する鋳造欠陥が現われはじめ
る。これは、すなわち１０℃の露点の空気中に含まれる
水分量であり、これ以下の水分量であるなら１０℃以上
の空気であっても霜付きによる鋳造上の問題は起こらな
い。よって１０℃以下では作業環境に問題がある場合に
は、冷却された空気をヒータにて加熱してから密閉した
庫内に流入させ、その中で素早く作業をすることとし
た。

【００２６】図２に、他の実施例を示す。

【００２７】この実施例は、冷凍空気が循環する経路に
室３０を設け、この室３０内に鋳枠１０を配置したもの
である。図２では、鋳枠１０は１個しか示していない
が、複数個の鋳枠を設置することができ、鋳枠１０毎に
単独で吸引用のファン１５が設けられている。鋳枠１０
内に配置した模型５は消失模型であり、吸引孔は設けら
れず、定盤４全体に吸引用の孔１３が設けられている。
定盤４内に形成された通風部８にファン１５が接続さ
れ、ファン１５の吸引により鋳物砂３内を冷却空気が流
通し、ファン１５から排出される。排出された空気は、
循環用のファン１４により吸引されて冷凍機１に送ら
れ、冷却されて再び鋳枠１０に送られる。

【００２８】４０は、ヒートパイプであり、鋳型のほぼ
中央に差し込まれている。このヒートパイプ４０は、図
５に示すように、上部にフィン４１を複数備え、下方の
吸熱部で吸熱した熱をこのフィン４１が放熱するように
なっている。

【００２９】この実施例の場合も、冷却された空気は一
つの限られた系を循環するようになっている。またその
場合、空気循環用のファン１４の位置は図１のように冷
凍機１の上流側に配置しても、図２のように冷凍機１の
下流側に配置しても、両側にそれぞれ配置しても、凍結
状況に大きな差異はなかった。また２０は液体窒素導入
管であり、冷凍機１の空気の循環経路の一部に窒素を散
布するようにしたものである。

【００３０】このような抜き取りを行わない消失性模型
を用いて同様の鋳型造型及び鋳込みを行ったが何等問題
のない製品を得ることができた。

【００３１】比較例 ５．５号硅砂１００重量部に対して、水４重量％を添加
混練した鋳物砂３を図６に示すような鋳枠１０と吸引用
の穴６を有した木型の模型７及び吸引できるようにファ
ン１４がセットされた定盤４により囲まれた部分へ入れ
て突き固める。次に冷媒３８（液体窒素、ドライアイス
等）を鋳型上部へ散布すると同時にファン１４にて吸引
を行った。このとき室温の空気３３が鋳型内へ吸引され
る現象が見られた。ファン１４の吸引圧力が大き過ぎた
場合、水分の移動が起こり氷の層３９が形成される。ま
たファン１４の吸引圧力が小さ過ぎた場合、鋳物砂３の
抵抗により吸引が十分でなく凍結強度が得られない。こ
の水分の移動の起こる吸引圧力は鋳物砂３１の粒度構成
と関係しており一概には決められなかった。

【００３２】冷媒３８のエネルギ−効率を求めてみる
と、室温の空気３３が吸引され、これを冷却するのに大
半のエネルギ−が消費されるのみであるため、また冷却
された空気が排出されるため、エネルギー効率はわずか
に３〜５％である。

【００３３】次に、定盤４及び模型７を除去しようとし
たが、冷媒に液体窒素を用いた場合は、定盤４は厚い手
袋でも触ることもできないほど冷却されており、危険な
状態であった。それに対し鋳物砂３は砂自体が断熱材で
あるため定盤４等ほどは冷却されていなかった。模型７
を取り除くと同時に鋳物砂３の表面に霜付きが起こり、
以後これを取り除くことは出来なかった。ビニ−ルシ−
ト等で鋳物砂３の形状側を覆うようにしようとしたが、
霜付きが瞬時に起こるためにこの作業は不可能であっ
た。なんとか鋳型を形成し、注湯を行なったが注湯時の
吹き返しや製品にピンホ−ル、肌荒れ等の欠陥が発生し
た。

【００３４】図５に冷却方法による冷却速度の違いを示
す。

【００３５】図５におけるは、実施例１による差圧に
より空気が通気した部分のものを示す冷却曲線である。
は、図４に示すヒートパイプ４０を取り付けた場合の
冷却曲線、は、図６の凍結システム内の鋳型において
通気が行なわれ難く、伝熱のみよる冷却によった冷却曲
線である。一見して差圧による通気冷却が最も冷却が速
いのが分かるが、ヒートパイプ４０を用いた場合につい
てもかなりの効果があり、特に鋳型の強度上重要と思わ
れる０℃〜−１０℃の初期凍結時に効果があることが分
かる。さらにヒートパイプ４０を使用する場合、図４に
示すようにヒートパイプ４０のフィン４１を冷媒に埋没
させる等、直接冷媒にて冷却するとより冷却効率が良
い。

【００３６】

【発明の効果】本発明の凍結鋳型製造法によれば、凍傷
等の危険な作業から開放され、効率の良い冷凍鋳型の製
造を行う事ができる。また一台の冷凍機を凍結作業、霜
付き防止の作業、鋳型の保管等多くの作業に使用できる
ようになると共に鋳造欠陥をなくすことができる。空気
を使用する冷凍法であることや、冷却された空気を何度
も再利用するので地球環境にも優しい凍結鋳型製造法で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる凍結鋳型製造法の一実施例を示
す断面図である。

【図２】本発明にかかる凍結鋳型製造法の他の実施例を
示す断面図である。

【図３】本発明にかかる霜付き防止法の一実施例を示す
断面図である。

【図４】本発明の冷却に用いるヒートパイプの正面図で
ある。

【図５】鋳型の冷却速度の違いを示すグラフである。

【図６】従来の凍結鋳型製造法の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 冷凍機 ２、５、７ 模型 ３ 鋳物砂 ４ 定盤 ６ 孔 ８ 通風部 １０ 鋳枠 １２ 導風管 １４ ファン １６ 冷却ユニット ２２ 蓋 ３８ 冷媒 ３９ 氷の層 ４０ ヒートパイプ ４１ フィン

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水を１〜１２重量％を混合させた鋳物用
   砂を凍結させて鋳型を製造する凍結鋳型製造法におい
   て、冷凍機によって冷却された−３℃以下の低温空気を
   鋳型内に流通させた後に回収し、再び該冷凍機の熱交換
   機を通して冷却して前記鋳型内を流通させ、閉鎖系内を
   循環する低温空気で前記鋳型を凍結させることを特徴と
   する凍結鋳型製造法。
2. 【請求項２】 前記低温空気を、前記鋳型内に含有され
   ている水分が該鋳型内において移動しない程度の差圧状
   態で該鋳型内を流通させることを特徴とする請求項１に
   記載の凍結鋳型製造法。
3. 【請求項３】 ヒートパイプを鋳型に挿入し、鋳型の凍
   結を促進させることを特徴とする請求項１又は２に記載
   の凍結鋳型製造法。
4. 【請求項４】 前記凍結された鋳型の作業を、冷凍機に
   よって１０℃以下の露点で除湿された庫内にて行うこと
   を特徴とする請求項１、２、３のいずれか１項に記載の
   凍結鋳型製造法。
5. 【請求項５】 窒素、二酸化炭素、ヘリュウムの液化ガ
   スのいずれか一つ、又はそれらを併用する冷媒を、前記
   低温空気の循環経路に混合させることを特徴とする請求
   項１、２、３のいずれか１項に記載の凍結鋳型製造法。
6. 【請求項６】 前記冷媒を、前記鋳物砂表面もしくは前
   記ヒートパイプのフィン部に直接もしくは間接的に散布
   することを特徴とする請求項１、２、３のいずれか１項
   に記載の凍結鋳型製造法。
7. 【請求項７】 前記鋳型砂に添加物を含めたことを特徴
   とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の凍結鋳型製
   造法。
8. 【請求項８】 冷凍機によって０℃以下に冷却された冷
   凍庫内にて鋳型を保管することを特徴とする凍結鋳型保
   管法。
9. 【請求項９】 溶湯によって消失する蓋を、凍結鋳型の
   内部が外気に通じる部分に気密に取り付け、該蓋を取り
   外すことなく溶湯を凍結鋳型内に注入することを特徴と
   する凍結鋳型鋳造法。
10. 【請求項１０】 請求項１〜６のいずれか１項に記載の
    凍結鋳型製造方法によって製造した鋳型内に消失性模型
    を配置し、該模型を抜き取ることなく該凍結された鋳型
    内に注湯を行うことを特徴とする凍結鋳型鋳造法。