KR19980086777A - 주물용 모래를 저온 재생하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 특히 결합제를 함유하는 주물용(鑄物用, foundry) 모래를 재생하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 상기 주물용 모래를 0℃(32℉) 또는 그 이하의 온도로 냉각시키는 단계 및 모래를 0℃(32℉) 또는 그 이하의 온도로 유지시키면서 결합제로부터 모래를 분리시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 한 실시예에서는, 결합제 및 기타 첨가제를 함유하는 사용된 주물용 모래를 -40℃(-40℉) 이하의 온도로 냉각시킨 후에, 결합제 및 모래 이외의 기타 분획으로부터 모래를 분리시킴으로써 처리한다. 점토 결합제를 함유하는 주물용 모래를 냉각시키기에 앞서 전처리하여 함수량을 1 내지 15 중량%로 조정할 수 있다.

Description

주물용 모래를 저온 재생하는 방법 및 장치

본 발명은 주물용(鑄物用, foundry) 모래, 예를 들면 생사 또는 성형된 코어(core)에 사용된 모래를 재사용하거나 안전하게 폐기하기 위해서 재생하는 방법에 관한 것이다.

특정한 유형, 즉, 대형 또는 소형의 알루미늄, 철 또는 스틸과 같은 재료로 된 금속 주물을 제조함에 있어서는, 적당한 결합제 또는 접착제를 실리카 모래, 특수 모래 또는 합성 모래와 같은 특이적인 크기를 갖는 골재에 첨가함으로써 주물용 주형을 제조한다. 가장 통상적으로 사용되는 접착제로는 물에 의해 활성화된 천연 점토 및 각종 촉매, 예를 들면 산, 염기 또는 열 활성화에 의해 경화된 무기 또는 유기 수지를 들 수 있다. 주조 분야의 관용어로서, 생사란 용어는 점토와 물의 혼합물로 결합된 모래를 의미한다. 물을 소정량으로 첨가하여 특수 제조된 모래 골재와 혼합된 미분쇄된 점토를 활성화시킨다. 이와 같이 물로 활성화된 점토로 피복된 균질한 모래의 혼합물을 이어서 압력, 진동 또는 기타 압축 수단을 사용하여 성형함으로써 용기 또는 주형을 성형하고, 이것에 용융된 금속을 주입하여 주물을 성형한다.

별법으로서, 점토/물 접착제 대신에, 금속 주형 공정의 강도높은 처리를 견딜 수 있는 주형을 제조하는 데는 합성 유기 및 무기 수지를 통상 사용한다. 수지 결합된 모래 주형을 제조함에 있어서, 실리카 모래, 레이크(lake) 모래, 합성 골재, 특수 모래, 예컨대 올리벤(Olivene), 크로마이트(Chromite) 및 지르콘(Zircon) 모래와 같은 세척 및 건조된 골재를 분쇄기, 회분식 혼합기 또는 연속식 혼합기에서 수지와 혼합하여 골재 입자를 수지로 피복한다. 모래 입자를 피복하는 수지 필름 또는 접착제의 경화 또는 가황은 다양한 방법, 예를 들면 촉매 반응, 열 또는 기체나 증기를 사용하는 방법을 통해 수행할 수 있다. 또한, 사용된 수지 시스템중 일부는 자체 촉매 작용이 있거나 자체 경화성을 가진 것일 수도 있다.

생사라는 용어는, 생(生, green)이라는 단어가 요로 또는 오븐에서 세라믹을 소성 또는 건조시키지 않았다는 의미로 사용되는 세라믹 또는 목재 분야에 있어서의 미처리(green) 제품과 유사한 것이기 때문에, 점토/물로 활성화된 접착제의 천연 상태를 표현한다. 목재의 경우에, 목재는 그 함수량을 감소시키기 위해서 건조 처리되지 않는다. 모래 이외에도, 실리카, 지르콘, 크로마이트, 올리빈, 세라믹 또는 합성 및 점토 결합제, 예를 들면 서부 벤토나이트, 남부 벤토나이트, 또는 기타 점토, 예컨대 연소 점토에 있어서는, 주물용 모래가 첨가제, 예를 들면 옥수수, 마일로, 밀 및 호밀 가루 형태의 곡류, 미분쇄된 목재 가루, 귀리 껍질, 벼 껍질 및 분쇄된 견과 껍질 형태의 셀룰로오스, 역청탄(저유황 석탄), 길소나이트, 리그나이트 및 중합체 형태의 탄소 또는 화학물질, 예를 들면 물 또는 중합체, 습윤제, 소다회 및 산화철을 함유할 수 있다.

또한 주조 방법은 내부 통로 또는 표면을 형성하는데 필요한 코어 또는 성형된 모래를 생산하기 위해 결합된 골재를 사용한다. 금형을 제조하는데 사용된 것과 동일한 모래를 사용하여 주형에 배치되는 코어를 제조함으로써, 주형 완제품의 중공, 슬롯, 통로, 구멍 등을 형성한다. 코어는 일반적으로 새로운 모래로부터 제조되는데, 점토, 미립자, 물 또는 무기 및 유기 물질과 같은 오염물질의 존재가 화학적 또는 물리적으로 접착제 결합 메카니즘을 간섭하기 때문이다. 또한, 합성 모래를 사용하여 코어가 주형 공정에 노출될 때 코어에 특수한 특성을 부여할 수도 있다. 수지 결합된 금형을 사용할 경우와 마찬가지로, 수지 시스템을 사용하는 성형의 경우에 대해 전술한 바와 같은 각종 방법을 통해 경화된 특수한 크기의 세척 및 건조된 골재상에 접착제 또는 수지를 피복한다. 소성되지 않은 결합제의 예로는 푸란, 페놀/산 경화 시스템, 페놀/에스테르 경화 시스템, 알키드 오일 우레탄, 알루미나 포스페이트 및 실리케이트/에스테르 혼합물을 들 수 있다. 저온 박스(cold box) 결합제의 예로서는 아크릴 에폭시 SO₂(자유 라디칼 또는 산 경화됨), 푸란 SO₂, 페놀 우레탄 아민 경화 시스템, 에스테르 경화 알칼리 페놀류, 나트륨 실리케이트 CO₂및 페놀 CO₂경화 시스템을 들 수 있다. 열 경화된 결합제의 예로는 고온 박스(hot box)-푸란 및 페놀 수지, 가온 박스(warm box)-푸란 및 페놀류, 쉘, 코어 오일 및 알루미네이트 실리케이트를 들 수 있다.

주물을 제조함에 있어서, 용융된 금속을 주형에 붓고 응고가 발생한 후에, 주형을 진탕(shake out) 처리한다. 진탕이란 주물로부터 모래를 분리시키는 것을 의미한다. 이어서 주물을 각종 마무리 작업 위치로 공급하고, 모래를 재생, 재상용 또는 폐기 처분한다.

가장 많이 사용되는 주물 성형 방법은 생사를 가공한 후에 화학 결합 비소성 성형 방법으로 성형하는 것이다. 코어를 삽입하거나 사용하지 않고 생사를 성형하면, 모래, 곡류, 점토, 물, 역청탄 등의 혼합물을 혼합기 또는 분쇄기에서 새로운 점토, 물 및 첨가제를 첨가함으로써 재활성화시킬 수 있다. 그러나, 주조 과정에서 손실된 모래를 대체하기 위해 새로운 모래를 첨가해야 하는데, 모래의 고온 처리 및 파쇄가 발생할 수 있기 때문이다.

내부 통로 또는 중공 등을 가진 주물의 경우에, 코어를 사용하는 방법에서는 모래를 점토 결합된 모래를 희석하는 시스템 또는 생사에 부가한다. 또한, 점토, 물, 역청탄 등을 첨가하여 미처리 모래 시스템의 소정 성질을 유지시켜야 한다.

생사 시스템 및 비소성 또는 화학 결합 주형에서 제조되는 대부분의 주물은 코어를 필요로 하기 때문에, 사용된 또는 소모된 모래를 제생할 수 있는 가능성을 갖는 것이 매우 바람직하다. 종래, 매립지 현장에서 주물용 모래를 처분하는 한가지 방법은 모래를 진탕 처리한 후에 폐기하는 것이었다. 그러나, 나날이 변경되는 환경 법규와 규정 및 새로운 모래를 수득, 제조 및 운송하는데 소요되는 많은 비용 때문에, 주조 과정에서 사용된 모래와 골재를 재생하여 재사용하는 것에 관심이 집중되고 있다.

주물 공장에서 사용되는 모래를 재생하려는 시도는 여러 가지 이유로 성공을 거두지 못하였다. 생사를 재가공하여 점토 결합된 성형용 모래에 재사용할 수 있지만, 점토 결합된 모래의 재생은 여러 가지 물리적이고 화학적인 이유 때문에 성공적이지 못하였다. 그러한 이유로는 입자 미세도, 입자 크기 분포, 오염, 수분에 대한 변화, pH 또는 산 요구량에 대한 변화 및 표면적 변화 등을 들 수 있다.

벤토나이트 또는 점토 결합된 시스템을 재생하기 위해 시도된 방법으로서는 마멸(attrition), 세척 및 열 처리를 들 수 있다. 주물용 모래로부터 모래의 가치를 재생시키는데 가장 많이 사용되는 방법은 기계적 처리, 열 처리 또는 이들을 조합한 처리를 사용하는 것이다. 열 유닛은 통상 적외선 또는 기체 연소된 열원을 사용한다. 생사를 재생하는 종래의 방법에 있어서는, 점토 시스템의 이온 결합이 점토의 하소에 의해 불활성화된다. 불활성 점토로 알려진 하소된 점토는, 기계적인 수단에 의해, 예를 들면 모래 스트림을 표적에 충돌시키고, 모래 입자로부터 점토 입자를 기계적으로 발파시키는 고에너지 공기 스트리핑에 의해, 또는 마멸, 마찰(scrubbing)또는 입자의 기계적 처리의 형태로 에너지를 부여함으로써 모래로부터 제거될 수 있다.

응집된 모래 입자 및 각각의 모래 입자의 물리적인 연마에 의해서는 모래 입자로부터 모든 접착제를 제거하지 못하는데, 모래 표면의 불규칙한 형태가 포획된 점토 또는 수지 입자를 항상 방출시키는 것은 아니기 때문이다. 이러한 사실외에도, 기계적인 스트리핑은 모래의 입자 크기 분포 변화를 초래하므로 소정 크기 분포를 유지시키기 위해 새로운 모래를 첨가해서 입자 크기 분포를 재조정해야 한다. 과도하게 미세하거나 거친 입자 분포는 성형 적성을 열등하게 하고, 생성된 주물에 나쁜 영향, 예를 들면 기체 관련 결함 및 금속 침투 결함을 초래한다.

생사 또는 수지 결합된 모래의 열에 의한 재생은 벤토나이트 결합된 모래 및 무기물 결합된 모래의 경우에는 1600℉(871℃) 이상, 그리고 유기계 접착제 시스템의 경우에는 900℉(482℃) 이상의 온도에서 수행한다. 열 재생 방법은 가열과 냉각을 수행한 후에, 기계적인 스트리핑, 모래 냉각 및 재혼합 또는 재결합을 위한 분류 단계를 포함한다. 전체적인 방법에 의해서, 원래의 규정에 부합하지 않는 모래 분류물 및 실리카 미립자와 불활성 점토로 이루어진 폐기물 스트림이 생성되며, 이들은 전부 매립지에서, 또는 기타 환경상 허용되는 수단에 의해서 처분하여야 한다.

제2 유형의 재생 방법은, 기계적인 마멸을 이용하여 수지 또는 접착제를 점토 결합 시스템 대신에 사용할 때 모래 입자 덩어리 또는 응집된 모래 입자를 각각의 모래 입자로 기계적으로 분해하는 것이다. 기계적으로 재생된 모래는 대부분의 화학 결합 시스템에 사용될 수 있지만, 회수 또는 재생된 모래는 통상 수지 및 탄소질 물질의 잔류물을 함유하며, 이러한 잔류물은 모래의 재결합을 방해하거나 바람직하지 못한 주물 상태를 유발한다. 기계적인 재생에 의해 제거되지 않은 잔류물의 존재는 모래의 미세도를 증가시키며, 이 경우에는 통상 취급 및 주입에 대해 대등한 강도를 유지시키기 위해서 보다 많은 양의 결합제를 첨가할 필요가 있다. 또한, 시스템내의 첨가제의 농도가 높은 경우 주물에 결함이 생길 수 있다.

열적 방법에 있어서는, 재생된 모래 1톤당 약 1백만 Btu의 에너지가 소비된다. 가열 에너지 이외에도, 모래를 냉각시키고 분류하는데, 그리고 소요되는 환경상의 법규에 부합하기 위해 에너지가 소비되어야 한다. 많은 경우에 있어서, 열 처리된 모래의 경우에는 모래의 pH 또는 산 요구량을 변경시켜서 코어 생성 영역 또는 화학 결합된 시스템에 재사용하기에 적당하도록 화학물질을 첨가할 필요가 있다.

열적 방법은 대부분의 화학적으로 결합된 모래에 대해서는 그 성능이 우수하지만, 점토 결합된 시스템에 대해서는 성능이 열등하다. 여러 가지 수단을 사용하여 회전 요로와 같은 열원, 유동층 및 기계적인 교반에 모래를 노출시킨다. 모든 열 재생 시스템은 모래를 가열하는 방식에 무관하게, 모래 조성, 결합제 및 모래에 존재하는 금속 산화물의 양에 민감하다. 열 재생 유닛은 주기적으로 내장재를 교체할 필요가 있으며, 그 유닛의 사용시 광범위한 환경상의 규정을 필요로 한다. 예를 들면, 하소 장치는 재생기라기 보다는 유동층 소각 장치로서 분류되므로, 취급자는 다양하고 보다 엄격한 환경 법규 및 규정에 대응할 필요가 있다. 평균적으로, 열 재생 시스템을 제작하여 그 작동성능을 입증하기 위해서는 작업 시간 1 시간 및 용량 1톤당 약 500,000 달러의 비용이 소요될 것으로 추정된다.

주물용 모래, 결합제 시스템 및 첨가제에 대한 추가의 논의 내용은 AFS 트랜스액션즈 오브 더 아메리칸 파운드리 소사이어티에서 발행하는 일련의 논문에서 찾아볼 수 있다. 이 논문은 [If its Black, Why do they call it Green Sand, D.F.호이트, AFS 트랜스액션즈 1995, 제 103권, P. 95-100(#95-100), Scanning Electron Microscope and Sand-Binder Studies : A25- Tear Review, R.H.토에니스코에터, AFS 트랜스액션즈 1995, 제 103권, P. 477-486(#95-144), Sand Reclamation Project : Saginaw Malleable Iron Plant, GM Powertrain Group, D.J. 쿠튜어, R.L.하버크로프트 및 L.L.스탈, AFS 트랜스액션즈 1995, P. 95-141(#95-141), Evaluation of Reclaimed Green Sand for Use in Various Core Processes, S.E.클락, C.W.톰슨, R.H.쉐퍼드, R.윌리엄즈 및 M.B.크리시악, AFS 트랜스액션즈 1994, 제 102권, P. 1-12(#94-02) 및 Thermal Reclamation The Evidence Against It, D.S.라이델, AFS 트랜스액션즈 1994, 제 102권, p. 443-453(94-10)]이다.

애쉬랜드 케미칼 컴패니는 Foundry Management Technology (1996)이라는 표지 명칭의 재인쇄 발행본에서 제목 Sand Binder Systems로 된 추가의 13개 논문을 수집하였다.

그러므로, 주물용 모래를 재생하는 다른 방법이 요구되고 있는 실정이다.

도 1은 점토 결합된 모래로부터 모래를 재생하는 방법의 개요를 그림으로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 의해 처리된 주물용 생사(生砂, green sand)에 있어서 다양한 테스트 시점에 대하여 AFS 점토 총량을 그래프로 도시한 것이다.

도 3은 다양한 온도에서 분쇄기로 주물용 생사를 분쇄 작업하는 동안에 취한 샘플에 있어서, 시간에 대한 AFS 점토 총량을 그래프로 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 방법의 개요도이다.

본 발명에 의해서, 생사 주형 또는 성형된 코어를 제조하는데 사용하기에 적합한 모래는, 주물용 모래가 생사 또는 사용된 코어에 함유된 모래를 사용하는지의 여부에 무관하게 진탕 과정중에 회수된 주물용 모래로부터 재생될 수 있다. 본 발명의 포괄적인 실시양태에 있어서, 본 발명은 사용된 모래를 0℃(32℉) 또는 그 이하의 온도로 냉각시킨 후에, 모래를 분리 처리하거나 주형 작업에서 소모되지 않고 모래에 존재하는 결합제 또는 다른 성분들로부터 모래를 방출시킴으로써 사용된 주물용 모래(사용된 코어를 갖거나 갖지 않는 사용된 생사)를 재생시키며, 상기 분리 단계는 사용된 모래를 0℃(32℉) 또는 그 이하의 온도로 유지시키면서 수행한다. 모래의 분리는 사용된 모래를 냉각시킨 후에 분리, 예를 들면 유체 분류, 체 분류 등으로 처리함으로써 수행할 수 있으며, 이와 같이 사용된 모래를 처리하여 결합제 또는 다른 성분으로부터 모래를 분리시킬 수 있다. 경우에 따라서, 사용된 주물용 모래를 냉각시킨후 먼저 기계적으로 마멸시켜서 결합제 또는 다른 성분으로부터의 모래의 분리를 증진시킨다. 사용된 주물용 모래의 냉각은 냉각 매체, 예를 들면 기계적인 냉동에 의해 냉각된 공기, 저온 액체 또는 저온 기체상 한제(cryogen), 예컨대 질소와의 열 교환에 의해 수행할 수 있다.

본 발명의 한 실시양태에 의하면, 사용된 주물용 모래(사용된 코어를 갖거나 갖지 않는 사용된 생사)를 적어도 -40℃(-40℉)의 온도로 냉각시키고, 저온을 유지시키면서 그 모래를 충격 또는 연마 처리하여 결합제 및 주형 작업중에 소모되지 않은 모래에 존재하는 다른 성분들로부터 모래를 방출시킨다. 또한, 마멸시킨 후에 분리하는 동안에 냉각 상태를 유지시킴으로써 코어 제조에 사용하는데 적합한 모래를 회수할 수 있고, 또한 생사 제조에 유용한 점토 입자 및 주조 공장에서 재사용될 수 있는 역청탄과 같은 미반응된 입자를 회수할 수 있다. 본 발명의 방법은 주물용 모래의 하소 처리를 필요로 하지 않기 때문에, 역청탄과 같은 유기 입자를 회수하여 모래 및 점토 입자와 함께 재사용할 수 있다.

본 발명의 한 실시양태에 의하면, 회전 터널을 사용하여 주물용 모래와 저온 기체, 예를 들면 질소와의 초기 열 교환을 수행함으로써, 마멸 단계에 앞서 주물용 모래의 온도를 저하시킬 수 있다. 본 명세서에서, 주물용 모래라는 용어는 코어 모래를 갖거나 갖지 않는 생사를 의미한다. 주물용 모래를 마멸시킨 후에, 체 분류하여 결합제, 기타 첨가제 및 모래 미립자를 분리시킨다. 이어서, 재생된 모래를 또 다른 회전 터널에 통과시켜서 재순환 기체와 접촉시킴으로써 재생된 모래가 주위 온도에 도달하였을 때 그 모래중의 냉동 가치(refrigeration value)를 회수할 수 있다. 액상 질소를 재순환 장치내로, 또는 초기 접촉 장치내로 주입하여 모래의 온도를 적어도 -40℃(-40℉)로 저하시킬 수 있다. 유사한 방식으로 액상 질소를 냉동 가치 회수 장치 하류의 임의의 처리 수단에 주입하여 초기 접촉 장치, 예를 들면 터널에서 요구되는 냉각 용량을 유지시킬 수 있다.

도 1을 참조하면, 모래, 예를 들면 실리카 모래를 점토 결합제, 예를 들면 벤토나이트 점토 및 역청탄과 같은 기타 첨가제와 혼합하여 주물용 모래를 제조한다. 이어서 주물용 모래를 사용하여 주조용 주형을 제조할 수 있다. 주조 작업후에, 주물용 모래의 함수량은 물을 첨가하여 상기 입자를 봉입하거나 상기 입자에 부착된 수화된 점토를 형성함으로써 조정할 수 있다. 수화된 점토를 냉각시킬때, 물은 팽창하고, 경우에 따라서는 얼음으로 변한다. 냉각된 입자를 기계적인 마멸 수단을 사용하거나 사용하지 않고 분리 처리할 경우, 점토 입자들은 모래로부터 분리된다. 냉각하에서의 분리에 의해 점토가 제거된 모래 분류물 및 별도의 스트림으로서 점토 입자와 주조 작업중에 연소되지 않은 역청탄과 같은 첨가제를 얻을 수 있고, 상기 모래 분류물은 성형 및/또는 코어 제조에 재사용할 수 있으며, 이후 분리될 수 있는 미세한 모래 입자, 점토 및 사용된 역청탄을 재사용하고, 미세한 모래 입자는 환경상 안전한 방식으로 처분할 수 있다.

본 발명의 기본적인 실시 형태에 있어서, 본 발명은 전술한 바와 같은 다른 첨가제를 함유하거나 함유하지 않고 결합제를 함유하는 사용된 주물용 모래를 취하여, 상기 사용된 주물용 모래를 0℃(32℉) 또는 그 이하의 온도로 냉각시킨 후에, 사용된 주물용 모래를 0℃(32℉)의 온도로 유지시키면서 결합제와 기타 첨가제 입자를 모래로부터 분리시킴으로써 수행된다. 모래로부터 결합제 및 기타 첨가제를 분리하는 작업은 분류 기법(예; 유체 분류, 체 분류 등)에 의해서 실시할 수 있다. 필요에 따라서, 저온의 모래를 사전에 분리 처리하여, 예를 들면 마멸시켜서 모래로부터 결합제와 첨가제(들)의 분리를 증진시킬 수 있다. 분류하는 동안의 통상적인 취급 방법에 의해서 소정의 분리를 달성하는 경우에는 사전 분리 처리가 필요하지 않을 수 있다. 마멸 단계는 공지된 장치 또는 방법을 사용하여 수행할 수 있다. 사용된 주물용 모래를 초기에, 그리고 분리하는 동안에 냉각시키는 단계는 저온 기체상 매체, 예를 들면 공기, 질소 등을 사용하거나, 액상 한제, 예를 들면 액상 질소를 사용하여 수행할 수 있다. 기체상 매체의 냉각은 기계적인 냉동, 또는 보다 낮은 온도의 기체와의 열 교환, 액상 한제, 또는 냉각 매체의 저온 액체 상으로부터의 증발에 의해서 수행할 수 있다.

도 2는 상업적인 주조 공장으로부터 취한 사용된 생사에 대해 특정의 테스트 시점에서 AFS(아메리칸 파운드리 소사이어티, American Foundry Society) 점토의 총 중량%를 나타낸 그래프이다. 사용된 생사는 생사로부터 점토 결합제를 분리시키기 위해 처리하는 동안에 5회의 시간 간격으로 점토 함량에 대해 테스트하였다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 테스트 시점은 다음과 같다: (1) 온도 약 15℃(59℉)의 건조된 생성물; (2) 체 분류에 의해 분리한 후의 모래; (3) 모래 분쇄기에서 배출된 온도 -10℃(14℉)의 모래; (4) -90℃(-130℉)로 냉각된 회전 드럼내로 주입된 후의 모래; 및 (5) 회전 드럼에서 배출된 후 저온 체 분류된 온도 약 -80℃(-112℉)하의 모래. 도 2의 그래프는 주물용 생사로부터 점토 결합제를 분리시키는 것이 온도를 0℃(32℉) 이하로 냉각시킴으로써 급격하게 향상됨을 입증한다.

도 3은 주위 온도[약 15℃(59℉)], -10℃(14℉), -60℃(-76℉) 및 -90℃(-130℉)에서 분쇄기를 사용하여 분쇄 작업하는 동안에 취한 시판되는 주물용 생사의 샘플에 대하여 시간 대비 AFS 점토 총 중량%의 관계를 도시한 그래프이다. 도 3의 곡선은 사용된 주물용 생사를 0℃(32℉) 이하의 온도로 냉각시킬 경우 모래로부터 점토 결합제가 현저하게 분리될 수 있음을 입증한다.

도 4와 관련하여, 본 발명의 방법의 한 특징에 의하면, 본 발명의 방법은 도면부호(10)으로 도시하였고 주물용 모래(14)를 함유하는 공급 깔때기(12)를 포함하는 장치에서 수행될 수 있다. 주물용 모래(14)는 회전 밸브 또는 기타 탕구(gate) 수단(16)을 통해서 제1 회전 터널(18)로 공급되며, 터널(18)에서 모래는 회전 요로 또는 회전 터널을 사용하는 당업자에게 알려진 바와 같이 주입단(20)으로부터 배출단(22)까지 진행한다. 화살표(24)로 도시된 냉각제 매체, 바람직하게는 액상 또는 기체상 한제(예를 들면 냉각된 질소 기체)는, 화살표(26)으로 도시한 모래의 이동에 대하여 역류 관계로 터널(18)을 통해 공급된다. 주물용 모래(14)가 터널(18)을 통해 이동할 때 모래(14)는 적어도 -40℃(-40℉), 바람직하게는 -80℃(-112℉) 이하의 온도로 냉각된다. 배출단(22)에서 냉각된 주물용 모래 배출 터널(18)은 회전 밸브 또는 기타 탕구 수단(28)을 통해 마멸 수단(예: 충격 발파기)(30)으로 공급되고, 상기 수단(30)에서 모래 입자는 결합제로부터 분리된다. 마멸 단계(30)의 생성물(15)는 회전 체(32)를 사용하여 분류시키며, 상기 체(32)는 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 적당한 모터(36)에 의해 회전하는 회전 스크린(34)를 포함한다. 회전 스크린(34)의 생성물은 실리카 모래(17)이며, 이 모래는 점토와 미립자가 제거된 것으로서, 그 점토와 미립자는 화살표(40)으로 나타낸 바와 같이 회전 체(32)의 배출구(38)로부터 배출된다. 회수된 실리카 모래(15)는 회전 밸브 또는 탕구 수단(42)를 통해 열 회수 장치(44)로 공급된다.

열 회수 장치(44)(또 다른 회전 터널일 수 있음)에서, 회수된 실리카 모래(15)는 재순환 기체(예: 질소)(24)와의 열 교환 처리를 통과함으로써 모래(17)에 보유된 냉동 가치를 재순환 질소 기체(24)에 제공한다. 정제된 모래(17)이 재순환 질소 기체에 대하여 역류로 열 회수 장치(44)를 통과한 후에는, 생성물의 화살표(50)으로 도시한 바와 같이 주위 온도하에서 생성물이 회전 밸브 또는 탕구 수단(48)을 통해 제거될 수 있다. 정제 또는 재생된 모래(50)은 즉석에서, 생사 재료로서, 또는 코어 또는 주형 모래 재료로서 재사용할 수 있다. 화살표(24)로 도시한 냉각된 질소 기체는 초기 냉각 접촉 장치(터널)(18)로 재순환하여 유입되는 주물용 모래(14)를 냉각시킨다. 액상 질소 분무 장치(52)를 재순환 루우프(54)에 포함시킴으로써, 회전 터널(18) 내부의 기체의 온도를 조정할 수 있다. 재순환 루우프는 통상의 온도 탐침자(56) 및 유량 조절 밸브(58,60)을 포함하여, 회전 터널(18) 내부의 질소 기체의 온도를 조정할 수 있다. 시스템(10)은 재순환 루프(54)에 배기구(62)를 구비하여 과량의 질소를 시스템으로부터 배기시킬 수 있다. 순환은 재순환 루프(54)에 포함된 적당한 팬 모터(66)에 의해 구동되는 팬(64)를 사용하여 수행할 수 있다.

질소는 본 발명을 실시하는데 사용할 수 있는 많은 저온 유체중의 하나이다. 기타 저온 유체로는 구체적으로 헬륨, 아르곤 및 이산화탄소를 들 수 있다.

이산화실리콘(SiO₂)은 모래 입자 표면상에 수화된 겔을 형성하는 것으로 생각된다. 이산화실리콘이 충분히 신속하게 냉각될 경우, 그 수화된 구형체는 표면에서 수축되고 박리되어 결합제를 실리콘 입자로부터 해리시킨다. 일단 해리된 후에는, 모래 입자의 표면으로부터 결합제 물질을 기계적인 마멸에 의해 제거할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 소기의 결과를 달성하는데 유효한 또 다른 메카니즘은 저온에서 얼음이 형성될 때 물의 동적 팽창이다. 물과 점토의 팽창과 수축시의 차이는 결합이 분쇄될 때 실리카로부터 점토의 박리를 유발한다. 점토와 실리카의 결합 해리는 매우 낮은 에너지 상태에서 발생하므로 모래 입자에 대한 손상은 극소화된다. 원칙적으로, 모래를 분쇄기에서 한제(예: 저온 질소)와 접촉시킴으로써 모래가 점토로 피복되기 시작하는 것과 같은 방식으로 점토를 제거할 수 있는 것으로 생각된다. 모래가 실온으로 복귀하여 점토가 재활성화되고, 그 자체가 모래 입자에 부착함에 따라서, 모래는 실제로 액상 질소가 증발할 때 입자들을 현탁시키는 액상 질소의 높은 표면장력의 결과로서 점토 또는 역청탄 입자가 제거되지 않은 전처리 단계동안과 같은 상태로 복귀된다. 따라서, 모래는 -40℃(-40℉) 이하, 바람직하게는 -80℃(-112℉) 또는 그 이하의 온도에서 결합제 및 다른 첨가제들을 분리시키도록 처리하여야 한다.

본 발명의 방법의 시뮬레이션의 일례에 있어서, 생사는 모래를 분쇄할 때 모래 분쇄기내로 액상 질소를 분무함으로써 냉각시켰다. 이러한 방법에 의하면, 다량의 점토, 예를 들면 60 내지 70% 이하의 점토가 제거되었다. 그러나, 모래를 처리하는데 소요되는 양의 액상 질소는 경제적으로 부합되지 않는데, 모래를 실온으로부터 -80℃(-112℉) 로 냉각시키는데 약 3 시간이 소요되기 때문이다. 이러한 제1 방법에서 제거된 점토의 양은 약 60 내지 65%였다. 모래를 적절한 온도로 냉각시키기 위해 회전 터널을 사용하여 또 다른 테스트를 수행하였다. 모래를 회전 터널에 넣고 적절한 온도에 도달할때까지 터널에 유지시켰다. 모래가 처리 온도(예를 들면 -80℃(-112℉)에 도달한 후에, 모래를 -80℃(-112℉)로 냉각된 분쇄기로 옮겨 처리하였으며, 이후 1 1/4 시간동안 15분 간격으로 샘플을 인출하였다. 샘플을 현미경으로 조사한 결과 샘플내의 점토의 양이 감소한 것으로 밝혀졌다.

테스트 결과 본 발명의 방법에 의해 재생시키는데 사용된 주물용 모래에는 약 1 내지 15%의 수분(바람직하게는 6 내지 10%의 수분)이 존재하여야 하는 것으로 밝혀졌다. 마멸 및 회수 단계 이전에 모래의 온도는 -40℃(-40℉), 바람직하게는 -80℃(-112℉) 이하이어야 한다.

점토 미립자를 재료의 온도가 0℃ 이상으로 되기 전에 제거하는 것이 중요하며, 그렇지 않을 경우 점토는 재수화되고 그 자체가 모래 입자에 재부착될 것이다.

모래 재생 시스템에서 처리하는데 사용되는 생사는 통상 코어 형성 과정으로부터 유래한 수지 결합된 모래를 함유하기 때문에, 성공적인 처리 방법은 그 혼합물을 극저온 냉각을 사용하여 처리하는 단계를 포함하여야 하며, 또한, 실험실에서 성형 및 코어 제조에 사용된 수지 결합된 모래 시스템에 대해 실험을 수행하였다. 수지 결합된 모래를 극저온 기법을 사용하여 생사 시스템의 처리에 사용된 것과 동일한 조건하에 처리하였다. 상기 시스템의 저온 처리 결과 수지 또는 접착제 피복층이 충분하게 제거되는 것으로 입증되었다. 물을 함유하거나 함유하지 않는 열가소성 또는 열경화성 수지 시스템의 저온 처리 결과에 의하면, 기계적인 마찰에 의해 마멸 처리하였을 때 모래로부터 수지를 분리시킬 수 있도록 수지에 취성을 부여하는 것으로 밝혀졌다. 이와 같이 취성이 부여되는 것 이외에도, 극저온은 모래/결합제 계면에서 수지의 접착을 파단시킴으로써, 수지가 모래 표면으로부터 용이하게 제거될 수 있도록 한다.

본 발명에 의하면, 생사(예: 점토 결합제) 및 코어 모래(예:화학적 또는 수지 결합제)를 함께 혼합하여 본 발명의 방법에 의해 처리함으로써, 주조용 모래 또는 코어 모래로서 재사용할 수 있는 모래를 회수할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시양태와 관련하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 구체예의 상세한 내용에 의해 한정되는 것은 아니다. 첨부된 특허청구의 범위에 의하여 정해지는 바와 같은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 다양한 변형예를 실시할 수 있다.

Claims (16)

1. 결합제를 함유하고 기타 첨가제를 함유하거나 함유하지 않는 주물용 모래로부터 모래를 재생하는 방법으로서,

   - 상기 주물용 모래를 0℃(32℉) 또는 그 이하의 온도로 냉각시키는 단계.

   - 상기 주물용 모래의 온도를 0℃(32℉) 또는 그 이하의 온도로 유지시키면서, 상기 모래를 상기 결합제 및/또는 첨가제로부터 분리시키는 단계 및

   - 상기 모래를 재사용을 위해 회수하는 단계를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각된 주물용 모래를 마멸 단계로 처리하여 상기 점토로부터 모래의 분리를 촉진시키는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계는 상기 주물용 모래를 기체상 또는 액상 한제와 접촉시킴으로써 수행하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 냉각 단계는 기계적인 냉동에 의해 냉각된 기체와 상기 주물용 모래를 접촉시킴으로써 수행하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 주물용 모래를 -40℃ 이하의 온도로 냉각시키는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 모래가 점토 결합된 주물용 모래이며, 상기 모래를 냉각시키기에 앞서 함수량이 약 1 내지 15 중량%가 되도록 처리하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 냉각된 주물용 모래를 회수 시스템으로 운송하고, 모래, 결합제 및 첨가제를 별도의 분류물로서 회수하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 주물용 모래를 -80℃ 이하의 온도로 냉각시키는 방법.
9. 결합제를 함유하는 주물용 모래로부터 모래를 재생하는 시스템으로서,

   - 상기 주물용 모래를 -40℃(-40℉) 이하의 온도로 냉각시키기 위한 장치,

   - 상기 냉각된 주물용 모래를 수용하여 상기 주물용 모래중의 결합제로부터 모래를 분리시키기 위한 수단 및

   - 모래를 회수하고, 상기 모래로부터 냉동 가치(refrigeration value)를 회수하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
10. 제9항에 있어서, 상기 주물용 모래를 상기 장치에서 저온 기체와 접촉시키기 위한 수단을 포함하는 시스템.
11. 제10항에 있어서, 상기 기체는 저온 유체와의 접촉에 의해 냉각되는 시스템.
12. 제10항에 있어서, 상기 저온 기체의 일부는 상기 회수된 모래로부터 분리된 기체인 시스템.
13. 제10항에 있어서, 상기 저온 기체가 질소인 시스템.
14. 제10항에 있어서, 상기 장치가 회전 터널인 시스템.
15. 제10항에 있어서, 재순환 기체와의 열 교환에 의해 상기 재생된 모래로부터 냉동 가치를 회수하기 위한 제2 회전 터널을 포함하는 시스템.
16. 제10항에 있어서, 상기 주물용 모래를 -40℃(-40℉) 이하의 온도로 냉각시키기에 앞서 상기 주물용 모래중의 함수량을 조정하기 위한 수단을 포함하는 시스템.