(57)【要約】【課題】鋳型に使用した砂骨材を回収して再利用する自硬性法において，砂の回収率を改善することで廃棄物の発生を抑制し，粘結剤添加量を低減することでコスト削減を可能とする鋳型製造方法および鋳型を提供する。【構成】肌砂には従来の天然の砂骨材あるいは細粒のムライト系等の人工砂を使用し，裏砂にはニッケル製錬時に発生するスラグを風砕または水砕して製造される粗目で安価な粒子を砂骨材として使用し，市販の粘結剤を用いて硬化させた混錬砂で構成する。【効果】鋳型材料費を著しく低減できる。再生した肌砂の性状が従来法（けい砂使用）より改善され、更に鋳物の品質とコストが改善される。廃棄物を低減でき、再生電力も著しく低減できる。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）溶湯が直接接触する肌砂に天然砂または人工砂からなる砂骨材を利用し、（２）前記肌砂の背後をバックアップする裏砂に、ニッケル製錬時に発生する鉱滓を風砕、又は水砕して得られるフォルステライト系の人工砂であって、２０〜３０メッシュの網目の篩を通過しない粗目の砂を使用し、（３）前記肌砂および裏砂の粘結剤として、酸硬化フラン樹脂、酸硬化フェノール樹脂、水溶性アルカリフェノール樹脂、フェノールウレタン樹脂、水ガラスのいずれか一種を使用することを特徴とする鋳型の製造方法。
【請求項２】
前記肌砂として、細粒のムライト系の人工砂を用いることを特徴とする請求項１記載の鋳型の製造方法。
【請求項３】
前記肌砂は、前記裏砂よりも細粒であって２０〜３０メッシュの網目の篩を通過するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の鋳型の製造方法。
【請求項４】
鋳型として使用した前記肌砂および裏砂を回収し、篩分けによって肌砂および裏砂として再利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋳型の製造方法。
【請求項５】
前記篩分けでは、２０〜３０メッシュの篩を使用することを特徴とする請求項４記載の鋳型の製造方法。
【請求項６】
前記裏砂には、６メッシュの篩を通過しないものを含まないことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の鋳型の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載された肌砂と裏砂と粘結剤とによって構成されていることを特徴とする鋳型。
【請求項８】
請求項１〜６に記載された方法で得られた鋳型の組成物を、使用後に回収して再生し、該再生砂を細粒の肌砂と粗粒の裏砂に篩分け、篩分けた肌砂と裏砂をそれぞれ個別のタンクに収納し、前記各タンクの砂を選択的に混練することを特徴とする鋳物砂回収再生方法。
【請求項９】
請求項１〜６に記載された方法で得られた鋳型の組成物を、使用後に回収して再生した砂を細粒の肌砂と粗粒の裏砂に篩分ける篩分け装置と、前記篩分け装置で分別された肌砂と裏砂をそれぞれ収納する個別のタンクと、前記各タンクの砂を選択的に収容して混練する混錬機とを備えることを特徴とする鋳物砂回収再生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、有機及び無機の自硬性法やガス硬化法において、従来の砂骨材又は新しい砂骨材を使用して鋳型製造コストを低減し、併せて鋳物品質を向上させる鋳型の製造方法、または鋳型に使用した砂骨材を回収して再利用する場合の鋳型の製造方法に関するものであり、さらに前記鋳型に用いられた鋳物砂を回収して再生利用する再生方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の有機及び無機の自硬性法に於いては、廃棄物規制の下に、その殆どは使用した砂を回収して再利用するリサイクル法が採用されている。そのリサイクル法では、単一種類の砂骨材（主にけい砂）に粘結剤を配合した混錬砂が鋳型として用いられ、鋳型は特殊砂（焼着防止用スポットサンド）以外はすべて同一の混錬砂で製造されてきている。
【０００３】
鋳物の品質を維持するためには、直接溶湯に接触する部分には耐火度が高く細粒で高品質な砂骨材が必要であるが、その他の部分では耐火度や強度はそれほど必要としない。しかし、単一種類の砂骨材を使用しているため、やむなく高品質の砂骨材を鋳型全体に使用しているのが実情である。鋳物の形状によって異なるが、高品質な砂骨材の必要重量は全体の砂使用量の２０〜３０％が一般的である。細粒の砂骨材は粘結剤添加量も多く必要であり、鋳型材料費が高くなっている。
【０００４】
また、鋳物欠陥の一つであるガス欠陥を改善するためには、粘結剤添加量を減らすことが必要であるが、鋳型の強度を維持するためには粘結剤添加量を低減することは難しく、そのため鋳型にガス針を刺してガス抜き孔を設けて対応する場合が多い。そのために余分な作業コストがかかっている。
【０００５】
このような鋳物の品質とコストの改善を解決する方法として、すでに特許文献１や特許文献２が紹介されている。
特許文献１では、肌砂に小粒径の骨材と水溶性アルカリフェノール樹脂を用いた混錬砂を、裏砂には大粒径の骨材と酸硬化フラン樹脂を用いた混錬砂を用いて鋳型を形成し、使用後にクラッシャーで砂粒にした後ふるい分けによって各々を分離して回収し別々に再生する方法が提案されている
また、特許文献２では、粘結剤に水溶性アルカリフェノール樹脂を用い、砂骨材として基本的にムライト系の砂骨材を用いて部分的に細粒のクロマイトサンドを使用し、ふるい分けによりクロマイトサンドを分離、磁力選鉱して再利用する方法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２９４１３５２号明細書
【特許文献２】
特許第３２６８１３７号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した方法では種々の課題があり、特許文献１では実際に次のような課題がある。
（１）アルカリ性の肌砂と酸性の裏砂はその接触する境界が硬化しないため接着しない。従って、造型時に肌砂と裏砂を物理的に結合させる芯金（カギ形のひっかき棒等）を多数使用しなければならず、人手による作業工数がかかると共に使用後に芯金の回収も必要となり、さらにコストが増加する。
（２）従来の鋳物砂は、高品質のものでも鋳込み時の高温での熱履歴やクラッシング時の破砕により大粒径の骨材が一部小粒径化する場合があり、肌砂に裏砂が混入することが考えられる。ここでは約１０％の混入が管理限界とされているが、混入率の管理が困難であり、アルカリと酸の影響は敏感かつ複雑でシビアな鋳型の硬化速度と強度の管理が必要となる。また、一般に市販されている鋳物砂は天然の耐火物で小粒径と大粒径の砂が混在しており、そのままでは適用し難く、原材料をふるい分けて調整することにより原料砂のコストが高くなる。
（３）肌砂と裏砂を別々に再生する場合、再生設備が二重に必要になり設備投資が増加するが、同じ再生機で再生する場合交互に再生するため再生効率が低下する。
【０００８】
また、特許文献２に示される方法は、熱的に苛酷な鋳鋼分野では品質面で有効であるが、ムライト系の砂骨材の単価が従来のけい砂の約８倍もするため、けい砂をムライト系の砂骨材に切り替える場合、初期投資金額が膨大となり、鋳鋼の分野はもとより国内の約９０％を占める鋳鉄分野でのユーザーは手をこまねいているのが実情である。
【０００９】
一方、最近では廃棄物規制対策のために、砂の回収率を９５％程度（けい砂の例）から９８％以上に上げざるを得ない状況にあり、ニッケル製錬時に排出されるスラグを風砕した２ＭｇＯ・ＳｉＯ２を主成分とするフォルステライト系の球状人工砂が広まりつつある。人工砂は天然砂と比較して耐破砕性が高いため回収率が高く、粉塵の発生も少ないことから廃棄物を少なくすることが出来る。この人工砂の製造に於いては溶融スラグを風砕して製造するため均一に細粒の粒子のみを製造することは困難である。このため、肌砂に使用できる細かい粒子は少量しか出来ず、そのため大半は粗目の粒子が排出されるため、他に用途がなければ産業廃棄物として処理されるか、あるいは原料として再溶解するといった無駄なコストが発生して人工砂を高価なものとしており、従来のけい砂の約５倍以上の価格で販売されている。
【００１０】
このように、粘結剤添加量を低減し鋳物の品質確保とコスト低減を両立する新たな鋳型製造方法が要望されている。また、廃棄物規制対策のために人工砂を使用することは解決策の一つとなり得るが、コスト的に高いため初期投資が大きく人工砂の普及の妨げとなっており、安価な人工砂の開発が求められている。
一方、ニッケル製錬においては風砕等により製造した細粒の人工砂とともに排出される粗目の粒子を利用する新たな分野の探索が必要となっている。
【００１１】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、鋳型製造コストを低減し、併せて鋳物品質を向上させる鋳型の製造方法を提供するとともに、鋳型に使用した砂骨材を回収して再利用することを可能にする鋳型の製造方法を提供することを目的とする。さらに前記鋳型に用いられた鋳物砂を回収して再生利用する再生方法および装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明の鋳型の製造方法のうち請求項１記載の発明は、（１）溶湯が直接接触する肌砂に天然砂または人工砂からなる砂骨材を利用し、（２）前記肌砂の背後をバックアップする裏砂に、ニッケル製錬時に発生する鉱滓を風砕、又は水砕して得られるフォルステライト系の人工砂であって、２０〜３０メッシュの網目の篩を通過しない粗目の砂を使用し、（３）前記肌砂および裏砂の粘結剤として、酸硬化フラン樹脂、酸硬化フェノール樹脂、水溶性アルカリフェノール樹脂、フェノールウレタン樹脂、水ガラスのいずれか一種を使用することを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の鋳型の製造方法は、請求項１記載の発明において、前記肌砂として、細粒のムライト系の人工砂を用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の鋳型の製造方法は、請求項１または２に記載の発明において、前記肌砂は、前記裏砂よりも細粒であって２０〜３０メッシュの網目の篩を通過するものであることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の鋳型の製造方法は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、鋳型として使用した前記肌砂および裏砂を回収し、篩分けによって肌砂および裏砂として再利用することを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の鋳型の製造方法は、請求項４記載の発明において、前記篩分けでは、２０〜３０メッシュの篩を使用することを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の鋳型の製造方法は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、前記裏砂には、６メッシュの篩を通過しないものを含まないことを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の鋳型の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載された肌砂と裏砂と粘結剤とによって構成されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の鋳物砂回収再生方法は、請求項１〜６に記載された方法で得られた鋳型の組成物を、使用後に回収して再生し、該再生砂を細粒の肌砂と粗粒の裏砂に篩分け、篩分けた肌砂と裏砂をそれぞれ個別のタンクに収納し、前記各タンクの砂を選択的に混練することを特徴とする。
【００２０】
請求項９記載の鋳物砂回収再生装置は、請求項１〜６に記載された方法で得られた鋳型の組成物を、使用後に回収して再生した砂を細粒の肌砂と粗粒の裏砂に篩分ける篩分け装置と、前記篩分け装置で分別された肌砂と裏砂をそれぞれ収納する個別のタンクと、前記各タンクの砂を選択的に収容して混練する混錬機とを備えることを特徴とする。
【００２１】
すなわち本発明では、前記で述べた課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、単独の粘結剤を用いる自硬性法に於いて、肌砂には従来の天然砂（けい砂等）からなる砂骨材を適用し、裏砂にはニッケル製錬時に多量に発生する産業廃棄物のスラグを風砕または水砕することにより得られる、球状で大粒径で、２ＭｇＯ・ＳｉＯ２を主成分とする安価なフォルステライト系人工砂を使用することにより、従来のけい砂を用いる場合よりコストと品質を著しく改善できる方法を見出した。なお、本発明では肌砂の使用量としては、２０〜３０質量％を示すことができる。
【００２２】
また、肌砂に、高品質で細粒のムライト系球状人工砂などの人工砂を使用することで、砂骨材費は上昇するものの、砂の回収率を向上させ粘結剤添加量を低減することができ、さらに廃棄物低減およびコスト削減が可能となる。斯かる効果は、ムライト系球状人工砂において特に顕著である。
例えば、この方法であれば、肌砂使用量は全体の約２５％であり、肌砂に人工砂を使用した場合のコストは、鋳型全体に人工砂を使用した場合の約１／４のコストで済み、一方、裏砂は約７５％が産業廃棄物のスラグを風砕または水砕した球状で安価な砂であるため全体としてはけい砂と同等のコストとなる。また、これらの人工砂は球状で表面が滑らかであり、また裏砂の場合は肌砂ほどの強度は必要ないため従来法よりも粘結剤添加量が少なくて済み、鋳型材料費が著しく低減できる。さらに、これらの人工砂は耐破砕性が優れているため、使用砂の再生回収率も従来の９５％（けい砂の例）から９８％以上に改善され、新砂補給費や廃棄費用が改善できる。
【００２３】
肌砂は鋳物の熱により前記した粘結剤がよく分解されるため再生しやすく、回収肌砂の性状が従来法より一層改善され、裏砂は大粒径のため通気度が良く、従来のようなガス抜きのためのガス針作業が省略できる。同様に肌砂は鋳物の熱により粘結剤が良く分解し、裏砂は表面が滑らかで球状のため再生効率が良く、電力使用量も従来の約１／２に低減できる。
【００２４】
また、肌砂と裏砂を分離する篩のメッシュ数は、市販の人工砂は３０メッシュ以上の粗粒域の分布が極端に少ないため３０メッシュで十分であるが、より精度良く肌砂と裏砂を分離するためには２０メッシュの篩を使用しても良い。また、裏砂の粒度の上限には特に制限はないが、形状の均一性を確保するために６メッシュを通過しないものは使用しない方が好ましい。さらに圧縮強度のバラツキを低減するためには８メッシュを通過しないものを使用しない方がより好ましい。
【００２５】
また、本発明の鋳物砂回収再生装置は、再生砂を分離するには、現状の設備を大きく改造する必要はなく、従来のサンドクーラー入口の手前かあるいは貯蔵タンク入口手前に所定の震動篩機設けて分離して個別に貯蔵できるようにし、またミキサー上の貯蔵タンクを改造して分割し、分離した肌砂と裏砂の混錬砂を容易に得ることが出来る様にすれば、スライドゲート等の利用により同じミキサーで肌砂と裏砂の混錬砂を容易に得ることが出来る。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
肌砂として、細粒のムライト系の人工砂であって、２０〜３０メッシュの網目の篩を通過するものを用意する。一方、ニッケル製錬時に発生する鉱滓を風砕、又は水砕して得られるフォルステライト系の人工砂であって、２０〜３０メッシュの網目の篩を通過しない粗目の砂を裏砂として用意する。さらに肌砂および裏砂の粘結剤として、酸硬化フラン樹脂、酸硬化フェノール樹脂、水溶性アルカリフェノール樹脂、フェノールウレタン樹脂、水ガラスのいずれか一種を用意する。
【００２７】
鋳型作製に際し、図１、２に示すように長方形型の模型１を用意して定盤上にセットし、該模型１の表面を混錬した細目肌砂２で覆い、その裏を混錬した粗目裏砂３で充填し、硬化させる。なお、図中５、６は湯道である。鋳型硬化後は模型１を離型し、アルコール塗型を塗布して乾燥させた後、鋳鉄を鋳込む。
冷却、型バラシ後、回収した砂を、図３に示すように再生機１０を用いて再生し、３０メッシュの篩を有する篩分け機１１を通過させて肌砂と裏砂を分離する。これらの肌砂と裏砂とは、それぞれ１つのタンク１２を分割して用意された分割タンク１２ａ、１２ｂに収容する。なお、タンク１２の下方部には、スライドゲート１３が設けられており、分割タンク１２ａと分割タンク１２ｂの何れかを選択して収容物を取り出すことができる。タンク１２から取り出された肌砂または裏砂は、いずれか一方が混錬装置１４に供給される。混錬装置１４は、混練タンク１４ａとモータ１４ｂとを有しており、混錬タンク１４ａに肌砂または裏砂と粘結剤とを収容し、モータ１４ｂによって駆動して混錬を行うものである。
この回収再生装置によって得られる肌砂の混錬物と裏砂の混練物は、それぞれ鋳型用の砂として繰り返し使用することができる。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
肌砂に細目で粒径が０．１１〜０．４５ｍｍの市販のニッケルスラグ人工砂１５０ｋｇを用意し、裏砂には粒径が０．８５〜２．１０ｍｍの粗目のニッケルスラグ人工砂１２００ｋｇを用意し、これらを用いて図１に示すアルカリフェノール鋳型を製造し、１３６０℃の溶湯により４５０ｋｇの鋳鉄を鋳込んだ。肌砂としては、細目の砂１００重量部にアルカリフェノール樹脂１．５重量部、エステル硬化剤０．３重量部を添加して混錬した。また裏砂としては、粗目の砂１００重量部アルカリフェノール樹脂１．０重量部、エステル硬化剤０．２重量部を添加して混錬した。
【００２９】
上記鋳込みを行った後、冷却、型バラシ後、回収した砂を１ｔ／Ｈの処理能力を持つ再生機を用いて再生し、３０メッシュの篩を通過させて肌砂と裏砂を分離して調査した。その結果を表１に示す。比較例として、輸入５号けい砂を用いて肌砂とほぼ同強度となるように、砂１００重量部にアルカリフェノール樹脂１．４重量部、エステル硬化剤０．２８重量部を添加、混錬して鋳型を製造し１３５０℃の鋳鉄の鋳込みを実施した後、同様の再生を実施した。その結果も同じく表１に示す。アルカリフェノール樹脂を使用した場合、粘結剤使用量を従来のけい砂よりも２５％低減でき、再生に使用される電力も低減出来ることを確認した。また、鋳型には特にガス抜き孔を設けていないが、試験材の表面にはガス欠陥等の有害な欠陥は認められなかった。また、回収率は、本発明の鋳物砂を使用することにより明らかに比較例よりも高くなっている。
【００３０】
【表１】
2004042137.tif 000002
【００３１】
（実施例２）
肌砂に細目で粒径が０．１１〜０．４５ｍｍの市販のムライト系人工砂１５０ｋｇを裏砂には粒径が０．８５〜２．１０ｍｍの粗目のニッケルスラグ人工砂１２００ｋｇを用いてフラン鋳型を製造し、１３５０℃の溶湯で４５０ｋｇの鋳鉄を鋳込んだ（図１）。肌砂としては、細目の砂１００重量部にフラン樹脂０．６重量部、酸硬化剤０．３重量部を添加して混錬した。また裏砂としては、粗目の砂１００重量部フラン樹脂０．４重量部、酸硬化剤０．２重量部を添加して混錬した。
【００３２】
冷却後、型バラシ、回収した砂を１ｔ／Ｈの処理能力を持つ再生機を用いて再生し、３０メッシュの篩を通過させて肌砂と裏砂を分離して調査した。その結果を表２に示す。比較例として、輸入５号けい砂を用いて砂１００重量部にフラン樹脂０．８重量部、エステル硬化剤０．４重量部を添加、混錬して鋳型を製造し１３６０℃の鋳鉄の鋳込みを実施した後、同様の再生を実施した。その結果を表に示す。フラン樹脂を使用した場合、粘結剤使用量を従来のけい砂よりも約半分に低減でき、再生に使用される電力も低減出来ることを確認した。また、鋳型には特にガス抜き孔を設けていないが、試験材の表面にはガス欠陥等の有害な欠陥は認められなかった。また、回収率は、本発明の鋳物砂を使用することにより明らかに比較例よりも高くなっている。
【００３３】
【表２】
2004042137.tif 000003
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の鋳型製造方法または鋳型を用いることにより、次の効果がある。
（１）本発明の鋳型製造方法または鋳型を用いることにより、高価な肌砂を少量使用し、残りを安価で低い強度の裏砂で賄う事が出来る結果、鋳型材料費を著しく低減できる。
（２）本発明の鋳型製造方法または鋳型を用いることにより、再生した肌砂の性状が従来法（けい砂使用）より改善され、更に鋳物の品質とコストが改善される。
（３）本発明の鋳型製造方法または鋳型を用いることにより、廃棄物を低減でき、再生電力も著しく低減できる。
【００３５】
また本発明の鋳型砂回収再生方法または再生装置を用いることにより、鋳物砂を効率よく回収して再利用可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における鋳型の縦断面図である。
【図２】図１のＡ視図である。
【図３】本発明の鋳物砂回収再生行程を示す図である。
【符号の説明】
１　　模型
２　　肌砂
３　　裏砂
１０　　再生機
１１　　篩分け機
１２　　タンク
１２ａ　分割タンク
１２ｂ　分割タンク
１３　　スライドゲート
１４　　混錬機
【図１】
2004042137.tif 000004
【図２】
2004042137.tif 000005
【図３】
2004042137.tif 000006