(57)【要約】従来には無い出発材料から、オーライト化と分類とを組み合わせることにより、鋳物質砂を生成するためのシステムおよび方法。流入する粒状物質は、最初に、制御エネルギー磨滅ユニットへと方向付けられ、このユニットで粒子同士が互いに衝突される。そのような衝突により、粒子を粉砕することなく表面の突起およびコーティングを削り取ることで、粒子が清浄化されて丸められる。その後、粒子流は、マルチフラクション分類器へと方向付けられてこれを通過する。この分類器において、粒子流は、２つ以上の使用可能なグレードの鋳物砂に分離される。分類段階においては、空気分類器が好ましい。
2004537420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース材料の粒子から鋳物砂を形成する方法であって、
制御エネルギーインパクタ内での処理によって粒子を成形するステップであって、前記処理によって粒子を互いに衝突させることにより、表面の凹凸を削り取り、滑らかな粒子を生成するステップと、
空気分類システムを用いて滑らかな粒子を分類することにより、少なくとも１つのグレードの完成した砂を生成するステップと、
を含んでいる、方法。
【請求項２】
前記ベース材料が１種類の砂であり、前記分類するステップは、滑らかな粒子を分離して２つのグレードの単一種類の砂を形成し、そのうちの一方のグレードの砂が鋳物砂として使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ベース材料が少なくとも２つの鉱物成分を含んでおり、前記分類するステップは、滑らかな粒子を２種類の破片に分離し、各種類の破片が一方の成分の大部分を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記２つの成分がケイ砂および非ケイ砂である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記ベース材料は、鋳物砂として使用するには不適切な化学的特性および物理的特性の少なくとも１つを有するケイ砂である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ベース材料は、玄武岩、灰長石、灰曹長石、ゲーレン石、緑簾石、菫青石、および輝石のうちの１つである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ケイ砂は、非ケイ砂の平均粒径の少なくとも２倍の平均粒径を有するとともに、非ケイ砂の平均サイズの１．５倍よりも小さい粒子を１０％未満含んでいる、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記粒子を成形するステップの前に、２種類の成分鋳物砂を含むベース材料を選択するステップを更に含み、各鋳物砂は、第１の鋳物砂の平均粒径が第２の鋳物砂の平均粒径の少なくとも２倍となるような異なる比重を有し、前記分類するステップは、滑らかな粒子を少なくとも成分鋳物砂に分離する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記粒子を成形するステップは、ベース材料中に存在する結合剤残留物を、空気分類器によって分類される細かい粒子まで小さくする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ベース材料は、使用されたモールドおよびコアからの混合砂であり、前記方法は、前記粒子を成形するステップの前に、使用されたモールドおよびコアを粉砕するステップを更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記粒子を成形するステップの前に、鉱酸溶液を用いてベース材料を処理して、アルカリ性残留物の除去を容易にするステップを更に含んでいる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記粒子を成形するステップの前に、鉱酸溶液を用いて砂を処理して、アルカリ性物質の除去を容易にするステップを更に含んでいる、請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
前記分類するステップの後に、水またはアルコールで溶かした酸性溶液を完成した砂に加え、完成した砂のその後の水中での分散によりｐＨが７．５以下となるようにするステップを更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記分類するステップの後に、水またはアルコールで溶かした酸性溶液を完成した砂に加え、完成した砂のその後の水中での分散によりｐＨが７．５以下となるようにするステップを更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
多くの長石類から鋳物品質砂を生成して分類するためのシステムであって、
流入する粒状物質をオーライト化するための制御エネルギー磨滅ユニットであって、そのオーライト化された粒子が丸くなるが粉砕されないようにする制御エネルギー磨滅ユニットと、
オーライト化された粒子を少なくとも２つのグレードの鋳物砂に分離するためのマルチフラクション分類器であって、前記少なくとも２つのグレードの鋳物砂は、少なくとも１０％未満の水晶を含むとともに、ＸＡＩ（１−２）Ｓｉ（３−２）Ｏ８（Ｘは、ナトリウム、カリウム、カルシウム、鉄、マグネシウム、あるいは、これらの混合物から成る群から選択される）の化学式を有することを特徴としているマルチフラクション分類器と、
を備えている、システム。
【請求項１６】
前記マルチフラクション分類器は、
流入する粒状物流を分離するための振動グリッドと、
少なくとも３つのチャンバに分割された分類領域であって、第１のチャンバは、リサイクルループの磨滅ユニットへと戻されるオーバーサイズの破片を生じ、第２および第３のチャンバは、粗い生成物および細かい生成物をそれぞれ生じる分類領域と、
を備え、
前記生成物は、チャンバ断面１ｍ２当たり１．３から２．５Ｍ３ｓｅｃ−１の気流を使用して前記分類器内で形成される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１、第２、第３のチャンバは、約２２０ｍｍ、７６０ｍｍ、８５０ｍｍの長さをそれぞれ有している、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
多くの長石類から鋳物品質砂を生成して分類するためのシステムであって、
流入する粒状物質をオーライト化するための制御エネルギー磨滅ユニットであって、そのオーライト化された粒子が丸くなるが粉砕されないようにする制御エネルギー磨滅ユニットと、
オーライト化された粒子を少なくとも２つのグレードの鋳物砂に分離するためのマルチフラクション分類器であって、前記少なくとも２つのグレードの鋳物砂は、（ｉ）２質量％未満が重量平均粒径の１／４よりも小さく、且つ、５質量％未満が重量平均粒径の３倍よりも大きい粒径分布を有していること、（ｉｉ）１．５ｍｍ未満の重量平均の平均粒径を有するとともに、それを形成する岩の密度の少なくとも５５％の充填密度を十分に与えるべく粒子が十分に詰まっているようなオーライト状を成していること、および（ｉｉｉ）強熱減量が３％未満であること、を特徴としているマルチフラクション分類器と、
を備えている、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鋳造の分野に関し、特に、従来に無い出発材料から鋳物品質砂（ｆｏｕｎｄｒｙ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｓａｎｄ）を生成するとともに、そのようにして生成された砂を２つ以上の鋳物グレードの生成物に分類するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
殆どの鋳物砂は、天然に生じる珪砂またはケイ砂を篩い分けし或いは湿式分類することにより形成される（ここで使用される「ケイ砂」は、石英中に見出されるシリカを含む砂を言うものとする。ここで使用される「非ケイ砂」は、十分な量のシリカを含まない砂を言うものとする）。鋳造に適するケイ砂は、低レベルのアルカリ、および、有機ボンドカーボンおよび無機ボンドカーボンの両方から成るとともにハロゲン誘導体および硫黄誘導体から成るアルカリ性の土壌金属（ｅａｒｔｈ  ｍｅｔａｌ）を含んでいる。そのような砂は、０．１５から１．３ｍｍの重量平均の平均粒径を有し、且つ、そのほぼ９０％以上が平均０．５から１．５という狭いサイズ分布を有する丸みを帯びた粒子から成る。
【０００３】
時として、ケイ砂の熱的な特性または物理的な特性が受け入れられない場合、鋳造工場は、やむを得ず、良好な特性を有する他の砂を使用する。これらの代わりとなる非石英（非ケイ砂）は、ケイ砂ほど一般的ではなく、ましてや非常に高価であり、橄欖石（鉄を生じるケイ酸マグネシウム）、クロム鉄鉱（クロマイト第１鉄、ＦｅＣｒ２Ｏ４）、ジルコン（ジルコニウムオルトシリケート、ＺｒＳｉＯ４）を含んでいる。このような石英の高価な代替物は、その一般的な使用が規制され、特に要求の多い精密部品を製造する鋳造工場は、一般に、ケイ砂、あるいは、かなりの割合でケイ砂を含むリサイクルされた砂混合物を使用して、モールドの外側部分を形成するとともに、新しい非ケイ砂を使用して、モールドの内側部分すなわちコアを形成する。
【０００４】
鋳物砂は、鋳造プロセスで扱われる温度に耐えなければならず、また、モールドおよびコアを形成するために使用される結合剤と不利な反応を起こしてはならない。鋳物砂は、その充填密度が高くなるように充填されることにより、鋳物成型物の表面を滑らかにする必要があるが、鋳造中に形成されるガスを容易に逃がすことができる十分な多孔性を有していなければならない。高い充填密度は、互いを超えて簡単に移動でき且つできるだけ幅広いサイズ分布を有する、天然に生じる丸みを帯びた粒子を使用することによって達成される。しかしながら、良好な多孔率は、低レベルの細かい粒子を必要とし、一方、滑らかな鋳肌は、低レベルの大きな粒子を必要とする。したがって、これらの要因の両方によって、粒径分布の幅が限られてしまう。一般的な高品質のケイ砂は、その粒径分布がこれらの両方の要求に歩み寄る、丸みを帯びた粒子から成る。この粒子は、その少なくとも９５％が平均サイズの±７５％内であり、その２％未満が平均サイズの１／４を下回る。
【０００５】
石英鋳物砂に必要な物理的特性と化学的特性との組み合わせは、そのような生成物が天然に生じる場所の数を制限してしまう。したがって、かなりの距離にわたって砂を輸送しなければならない場合もあり、そのため、現場の通常の建設業者の砂よりもかなり高いコストで石英鋳物砂を形成しなければならなくなる。多くの国、特に北アフリカや中東等といった世界の乾燥地域にある国は、鋳物砂としての使用に適した原産の石英源を欠いており、北ヨーロッパおよび西ヨーロッパからかなりのコストで鋳物砂を輸入しなければならない。
【０００６】
石英鋳物砂を供給できる場所の数を制限する他の要因は、多量のケイ砂、例えば海砂が、鋳造処理を大きく妨げる貝殻や骨の破片または石灰石粒子によって汚染されていることである。そのような妨げは、これらの汚染物が一般的に使用される結合剤と反応しおよび／または鋳造で一般的に使用される温度で腐食（ｄｅｃｏｍｐｏｓｅ）してしまうという事実によって引き起こされる。
【０００７】
石英の利用可能性の問題だけでなく、石英の使用は、呼吸器疾患に関連付けられてきた。世界保健機関は、公式に、石英粉塵を発癌性物質として分類してきた。そのため、ケイ砂は、作業場においては規制および警戒の対象である。また、使用済みの砂、特に高いレベルの石英粉塵を含む鋳造フィルタからの塵埃も同様に規制される。このことは、コンクリートおよびアスファルトでの使用済みケイ砂の有用な使用を制限してしまう。
【０００８】
石英に伴う他の弱点は、その非線形な熱膨張率である。石英は、約５６０℃で結晶転移し、かなりの体積増大を伴う。モールドの様々な部分の温度は鋳造中において異なるため、これらの部分が不均一に膨張して、クラックが発生し、このクラック中に溶融金属が染み出てくる。鋳造後に、これらの染み出た金属は、鋳物から突出する薄いウエハとして現われるため、時間のかかる仕上げ作業で除去しなければならない。最悪の場合、鋳造部品を廃棄しなければならなくなる虞がある。「フィニング（ｆｉｎｎｉｎｇ）」として知られるこの現象は、鋳造での最も一般的な廃棄原因である。
【０００９】
石英と同様に、現在利用可能な石英の代替物も、環境的に疑わしい。橄欖石は、強アルカリ性であり、ニッケルを含んでいる。これらの両方によって、皮膚や肺に炎症が生じる。そして、橄欖石は、クロム鉄鉱と共に、有毒廃棄物として考えられており、特定の廃棄物処理場で処分しなければならない。ジルコンは、弱い放射性を有し、作業場で警戒が必要であるとともに、廃棄物処理場も限られる。
【００１０】
現在使用されているケイ砂の代替物源は、数がかなり少なく、その多くは、多数の鋳造工場が存在する領域外に位置している。そのため、鋳造工場は、ケイ砂と比べてかなりの輸送費を負担しなければならない。また、ケイ砂とは異なり、これらの代替物は、比較的高く評価されている代替物用途を有している。例えば、ジルコンおよび橄欖石は、耐火性物質の製造において使用され、一方、クロム鉄鉱は、金属クロムの製造で使用される鉱石である。これらの要因により、代替物であるこれらの砂は、ケイ砂よりも１０倍から２０倍は高価となり、したがって、鋳造工場において単独の砂として使用されることはめったにない。
【００１１】
適した砂を得る際の困難性においては、砂の「寿命」を考えることが重要である。鋳物砂は、使用後、処分され、あるいは、建設材料等の鋳造以外の目的で使用され、あるいは、再利用される。使用済みの鋳物砂は、有機材料、酸、重金属を含んでいる可能性があるため、環境の専門家は、通常、鋳物砂を適当な有毒廃棄物処理場で処分することを主張するが、これにより、鋳物砂に関連する総コストがかなり増大する。財政的および環境的な面を考えて、使用済みモールドおよび／またはコアのリサイクルによる砂の回収および再利用を含む、砂の正味の使用を最小限に抑える手段が講じられる。これらの理由から、多くの鋳造工場は、使用済みの砂を回収して再利用する装置を設置することが経済的に実行可能であると考えている。
【００１２】
使用済みの砂を再利用するには、炭化物および残留結合剤等の異物をできる限り完全に除去する必要がある。使用済みのモールドおよび／またはコアは、一般に振動スクリーンを使用して破壊され、小さく且つ容易に扱える集合体にされる。その後、炭化物および残留結合剤が除去される。砂回収装置は、一般に、熱的な方法または機械的な方法を使用する。
【００１３】
熱的な処理では、過剰な空気中で砂が７００℃以上まで加熱され、有機結合剤が燃焼される。その後、処理された砂は、気流中で流動化されることにより、再使用される前に塵埃が除去される。そのような熱的なプロセスは、焼却によって有機結合剤の残留物を除去する。このように、熱的なプロセスは、かなり良質な砂を生じさせるが、エネルギーが強く、高価であり、全ての砂／結合剤の組み合わせに適するわけではない。また、熱的なプロセスは、環境的に望ましくないガス（硫黄、窒素および炭素の酸化物）の排出を伴う。
【００１４】
従来の磨滅では、穏やかに繰り返して砂粒子を互いに擦り合わせ、それにより、緩く保持された間質性の結合剤および炭化物が塵埃へと変えられる。そのような機械的なプロセスはコストが低いが、回収された砂の質が粗悪であり、その鋳造工場での使用は、新しい砂または熱的に回収された砂における使用よりもかなり制限される。熱的回収方法および機械的回収方法の両者は、サイクロンまたは流動床によって塵埃を除去する。
【００１５】
モールドおよびコアのために時として異なるタイプの砂が使用されるので、使用済みの砂の回収は非常に複雑である。鋳造プロセスが終了すると、使用済みのモールドおよびコアを互いに分離することは殆ど不可能である。そのため、これらの２つの目的のために使用される異なる砂が混合された状態となる。従来のリサイクル方法では、この混合物をその成分へと十分に分離することができず、したがって、高価な非ケイ砂および安価なケイ砂の両方を使用する鋳造工場は、新しい非ケイ砂および特定の量のケイ砂を頻繁に購入しなければならない。
【００１６】
他の事例において、２つのグレードの同じ砂、例えばモールドを形成するための砂と、コアを形成するために粒径分布が異なる砂とを好んで使用してリサイクルする鋳造工場は、混合物を十分に分離することができない。これは、従来のリサイクル方法における制限によって、そのように極類似した材料を簡単に分離できないためである。したがって、これらの鋳造工場は、全ての目的のための１つのグレードの砂を選択してリサイクルすることで妥協するか、あるいは、１つの用途のための新たな砂を頻繁に購入するとともに、他の用途のために最適状態には及ばない混合されたリサイクル生成物を使用するか、のいずれかを選択しなければならない。
【００１７】
リサイクル可能な砂の割合は、使用される結合剤系（ｂｉｎｄｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）によって制限される可能性もある。これは、幾らかの結合剤が鋳造温度で石英と反応し、これらが、ケイ酸ナトリウムまたはフェノール樹脂と苛性アルカリとの混合物といった強アルカリ性材料を含む最も一般的に使用される結合剤を幾らか含んでいるためである。これらのバインダ樹脂は、磨滅または熱的な処理によって除去することが難しく、熱的なリサイクル中またはその後の鋳造中に加熱されると、砂と反応して、砂の耐熱特性をかなり危うくする融点の低いケイ酸塩を形成する。
【００１８】
また、鋳造工場は、砂のリサイクルのための分類方法の選択が限られ、また、鋳物砂の大規模生産で当初使用された方法を経済的に利用することができない。湿式分類は、異常に高い作業コストがかかり、環境的に危険な廃液を生じる。篩い分けは、細かい粒子と共に使用することが困難であり且つコストがかかる。また、篩い分けは、生成物の破片が注意深く再混合されない場合には、その粒径分布が最適な充填特性を与える生成物を形成することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
以上を鑑みて、本発明の目的は、他の材料から鋳物砂を生成するとともに、そのような鋳物砂のリサイクルを行なうシステムおよび方法により、適切な品質の鋳物砂を取得するという困難を克服することである。
【００２０】
本発明の他の目的は、機械的なオーライト化処理（ｏｏｌｉｔｉｚａｔｉｏｎ  ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ）とその後の空気分類とを組み合わせることにより、粒子の形状および粒径の両方の精密制御を達成することである。
【００２１】
本発明の更なる目的は、以前から鋳物砂に適していないと考えられていた現地で入手できる安価な石英材料および非石英材料を使用することができるシステムおよび方法である。
【００２２】
本発明の更に他の目的は、モールドおよび鋳物をリサイクルして、その内部に含まれている砂を再利用のために分離および回収するシステムおよび方法である。
【００２３】
本発明の別の目的は、１つの入力流れから２つ以上の異なるグレードの鋳物品質砂を同時に回収することができる粒子分類システムである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
この目的および他の目的に基づき、本発明は、制御エネルギー粒子衝突磨滅ユニットと、その後のマルチフラクション分類器とを組み合わせるものである。原材料またはコアおよびモールドからの使用済みの砂のいずれかを構成する流入粒子材料は、制御エネルギー磨滅ユニット内に置かれ、このユニットで粒子同士が互いに衝突する。これらの衝突により、粒子のエッジ、表面の突起、およびコーティングが削り取られるが、粒子自体は粉砕されない。このオーライト化処理により、粒子が丸められて清浄され、これにより、幅広いサイズ分布にわたる粒子を有する砂流が形成される。その後、砂流は、マルチフラクション分類器へと方向付けられてここを通過する。この分類器において、砂は、２つ以上の使用可能なグレードの鋳物砂に分類される。
【００２５】
本発明のこれらの目的および他の目的、本発明の意図する多くの利点は、添付図面と共に以下の説明を参照することにより、簡単に明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図示の本発明の好ましい実施の形態を説明するにあたっては、明確にするため、特定の専門用語を使用する。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されるものではなく、それぞれの特定の用語が、同様の目的を達成するために同様の態様で機能する技術的に等価な全てのものを含んでいることは言うまでもない。
【００２７】
鋳物砂は、鋳造での使用に適するその多くの特性にしたがって規定することができる。これらの特性としては、そのような鋳物砂が塵埃すなわち７５μ未満の粒子を殆ど伴わないという特性、鋳物砂が角張ることなく丸みを帯びた粒子から成るという特性、粒子の少なくとも８５％が０．５から１．５の平均直径を有する粒径分布を鋳物砂が通常において成しているという特性、および鋳物砂が耐摩耗性を有しているという特性、を挙げることができる。鋳物砂のために使用される鉱物は、高い引張強さと、十分に高い焼結温度とを有していなければならないとともに、鋳造中にガスを発生させる虞がある任意の化学変化に晒されてはならない。
【００２８】
殆どの鋳物砂は、丸みのある粒状砂から成る天然に生じる堆積物から選択される。そのようなもののうち、シリカ（石英）は、最も一般的なものである。しかしながら、本発明は、天然に生じる非常に幅広い鉱物から満足できる鋳物砂を形成することができる手法について説明する。そのような砂は、
（ｉ）１０％未満の水晶を含むとともに、長石類に属し、ほぼＸＡＩ（１−２）Ｓｉ（３−２）Ｏ８（Ｘは、ナトリウム、カリウム、あるいは、好ましくはカルシウム、鉄、または、マグネシウム、あるいは、そのような結晶の混合物であっても良い）の化学式を有すること、
（ｉｉ）サイズが１ｍｍ未満、好ましくは０．２ｍｍ未満の晶子から成ること、
（ｉｉｉ）粉末材料における焼結点（Ｎｅｔｚｓｃｈ（登録商標）膨張計内のサンプルの体積が温度Ｔｓ−３０℃での場合よりも１％小さくなる時の温度Ｔｓとして規定される）が少なくとも７５０℃、好ましくは１０００℃を超えること、
（ｉｖ）Ｎｅｔｚｓｃｈ（登録商標）膨張計内の圧縮粉末に関して測定した１５０℃から７５０℃の間での熱膨張が０．５％未満であること、
（ｖ）Ｎｅｔｚｓｃｈ（登録商標）膨張計内の圧縮粉末に関して測定した１５０℃から７５０℃の間での熱膨張においては、温度Ｔ＋３０℃での伸長が温度Ｔでのそれよりも０．０２％を超えて大きくならないこと、
（ｖｉ）固体試料に関して測定した一軸圧縮強度が少なくとも７０メガパスカルであること、
（ｖｉｉ）窒素中で２分間１００℃で加熱した時の重量損失が０．５％未満であること、
（ｖｉｉｉ）窒素中で２分間８００℃で加熱した時の重量損失が１．５％未満であること、
（ｉｘ）モース硬度が少なくとも５であること、
（ｘ）コバルト、ニッケル、マンガン、クロムといった遷移金属の含有量が５％未満であること、および
（ｘｉ）ＩＳＯ１０３９０：１９９４（Ｅ）で測定したｐＨが３．５から９．１であること、
を特徴としている。
【００２９】
これらの特徴を有する砂は、鋳物砂としての使用に適していると考えて良い。これらの仕様を満たす鉱物の範囲は魅力的な価格で自由に利用することができるが、その多くが鋳物砂として使用されたことがなかった。したがって、ここで説明する本発明は、鋳物砂を生成するために使用することができる原材料の数を大幅に延ばすため、従来技術をかなり向上させるものである。適した材料としては、玄武岩、灰長石、灰曹長石、ゲーレン石、緑簾石、菫青石、および輝石を挙げることができるが、これらに限定されない。
【００３０】
長石類の鉱物は、極めて一般的であり、全ての鉱物の６０％程度を構成していると言われている。したがって、ここで説明する本発明にしたがって生成される鋳物砂は、殆どの鋳造工場に現在供給されている石英系の砂よりもかなり多く且つ幅広く利用することができる範囲の原材料から形成することができる。そのような材料を選択的に使用することにより、特に良質のケイ砂源から離れて位置する鋳造工場においては、鋳物砂を取得して使用する際のコストをかなり低減することができる。
【００３１】
この発明において説明する長石鋳物砂は、ケイ砂を現在用いている鋳造工場での使用に特に有益である。これは、長石鋳物砂の使用によって、空気中における石英粒子の量を減らすことができ、それにより、作業環境を良くして、呼吸器疾患の危険性を低下させることができるからである。ここで説明する生成物からの使用済みの砂および濾過塵埃は、石英を殆ど含んでおらず、あるいは、全く含んでおらず、アスファルトおよびコンクリート等の用途で危険無く使用することができる。
【００３２】
長石鋳物砂は、強塩基でもなく、放射性物質でもないので、また、遷移金属を殆ど含んでおらず、あるいは、全く含んでいないので、本発明に基づいて生成される砂生成物は、現在の商業的用途においてケイ砂に代わる現在の代替物と比べて、環境および作業場に利益を与える。また、ここで説明する生成物は、至る所に存在しているので、これらの代替物よりもかなり安価である。
【００３３】
本発明にしたがって生成される生成物は、（ｉ）２質量％未満、好ましくは１質量％未満が重量平均粒径の１／４よりも小さく、且つ、５質量％未満、好ましくは２質量％未満が重量平均粒径の３倍よりも大きい粒径分布を有していること、（ｉｉ）１．５ｍｍ未満の重量平均の平均粒径を有するとともに、それを形成する岩の密度の少なくとも５５％、好ましくは６０％以上の充填密度を十分に与えるべく粒子が十分に詰まっているような魚卵岩状（ｏｏｌｉｔｉｚｅｄ）を成していること、および（ｉｉｉ）強熱減量が３％未満、好ましくは２％未満であること、を特徴としている。
【００３４】
本発明の最大の利点は、おそらく、これらの特徴を有する生成物から形成されるコアおよび／またはモールドと合成樹脂またはケイ酸ナトリウムから形成される結合剤とを使用して成形される鋳物により、スクラップ発生率を減少させることができ、且つ、仕上げ作業に伴うコストを低減することができるという意外な発見である。これは、特に１００℃から７００℃の温度で、石英よりも低く且つより均一な熱膨張率を長石砂が有しているためである。
【００３５】
（Ｉ．砕石からの鋳物品質砂の形成）
本発明は、鋳造で使用できるとは今まで考えられなかった他の出発材料から、適した鋳物砂を形成するための技術を含んでいる。これは、（ｉ）粒子同士を互いに衝突させ或いは摺接させる制御エネルギーインパクタ内で好ましくは１回以上繰り返し処理して、エッジまたは表面の凹凸を削り取るが、粒子自体を粉砕することはせず、その後、（ｉｉ）結果として得られた砂生成物を、１または複数の鋳造グレードの生成物と、１または複数の二次生成物とに分ける分類を行なうことを含む２段階のプロセスによって達成される。前記分類は、動的な媒体として空気または水を用いて行なわれても良く、あるいは、所望の粒径分布を与えるために必要な篩い分け器を備えた篩い分けステーションで行なわれても良い。
【００３６】
図１に示されるような基本的な実施の形態において、本発明は、物理的または熱的に適した鉱物を２つ以上のグレードの鋳物砂に変えるのに適したプラントに関する。このプラントは、制御エネルギーインパクタ即ちオーライト化器（ｏｏｌｉｔｉｚｅｒ）２０と、少なくとも２つ、好ましくは３つ以上のチャンバ（図１には、対応する生成物出口を有するＰ１、Ｐ２、Ｐ３として示されている）を有する分類器３０とを備えている。オーライト化器２０は、分類器３０よりも高いスループット率で作動する。この場合、過剰な分は、オーライト化器２０に戻されて、繰り返し磨滅される。
【００３７】
図１は、直径が１ｍｍを下回る乾燥した粒子、すなわち、岩石破砕工程によって得られた篩い分け残留物を、鋳造工場での使用に適した２つのグレードの砂にグレードアップすることができるプラントを示している。プラントは、２つの処理ループ、すなわち、魚卵岩化ループＡと、分類ループＢとから成る。ループＢは、ループＡよりも低い正味スループットで作動する。オーライト化器への供給物は、ループＢで生成される最も大きい鋳物砂生成物の平均サイズの２倍よりも大きい粒子を重量で１０％未満含むことが望ましい。これは、篩い分けにより、あるいは、適当な粉砕機内で予め粉砕することにより、容易に実現することができる。
【００３８】
ループＡは、貯蔵用のサイロＳ１と、制御エネルギーオーライト化器２０と、Ｓ１からの供給物を制御エネルギーオーライト化器２０へと運ぶコンベヤＴ１と、オーライト化器２０からの材料を分類器３０へと搬送するコンベヤＴ２とを有している。制御エネルギーオーライト化器２０は、図２に典型的に示されるＢａｒｍａｃ（登録商標）３０００  ＳＤ  Ｄｕｏｐａｃｔｏｒとして具体化されると良い。図２に示されるように、Ｂａｒｍａｃ（登録商標）粉砕機は、流入する材料の流れを中心に集める供給ホッパ２１を有している。制御プレート上のチョーク２２は、ロータ２４上への材料の流れを制御する。ロータ２４へと貫流できない余分な材料は、カスケードポート２３を通じて溢れ出る。チョーク２２を調整することにより、カスケードポード２３を通じて溢れ落ちる材料の流量を増大させても良い。
【００３９】
ロータ２４は、流入する材料を加速させるとともに、そのような材料を粉砕チャンバ２５内へと連続的に排出する。また、粉砕チャンバ２５内では、溢れ出る材料が、ロータ２４によって加速された材料と再び混ぜ合わされる。浮遊粒子の大群が粉砕チャンバ２５内を絶え間なく動き回る。粒子は、エネルギーを失ってチャンバ２５から落下する前に、平均５秒から２０秒間だけそのままの状態で保持される。チャンバ２５から出る粒子の流出速度は、５０から８５ｍ／ｓの範囲である。材料は、チャンバ２５から出ると、コンベヤＴ２によって分類ループすなわちループＢへと方向付けられる。
【００４０】
ループＢは、空気分類器３０と、オーライト化された余分な材料をＳ１へと搬送して戻すコンベヤＴ３と、分類された最も大きい粒子（オーバーサイズ）をＰ１からＳ１へと搬送するコンベヤＴ４と、中間の大きさの鋳物砂をＰ２から貯蔵室へと搬送するコンベヤＴ５と、細かい鋳物砂をＰ３から貯蔵室（ここでは、袋として示されている）へと搬送するコンベヤＴ６と、０．１ｍｍを上回る粒子を気流から除去するサイクロン４０と、サイクロン４０によって分離された粒子を微細鋳造塵埃貯蔵室へと搬送するコンベヤＴ７とを有している。空気分類器３０は、渦流減衰ユニットＥと、供給物を分類器内で均一に分布させる振動グリッドＶと、３つの生成物チャンバＰ１、Ｐ２、Ｐ３とを有している。
【００４１】
図１に示されるプラントの一連の工程中、オーライト化器２０には１０ＫＷモータが設けられるとともに、８ｍ３／ｈの割合で供給物がＳ１からオーライト化器２０へと供給される。供給物の２／３がロータ２４の中心上に落下するようにオーライト化器のチョーク（供給スプリッタ）２２を調整した。一方、残りの１／３は、カスケードポート２３を通じてロータ２４の外側に溢れ落ちた。ロータ２４は最大速度で作動された。
【００４２】
分類ループすなわちループＢにおいて、オーライト化された材料は、０．６リットル／秒の割合で分類器の幅にわたって均一に供給された。振動グリッドは、５０Ｈｚの周波数および１．５ｍｍの振幅で作動された。また、チャンバＰ１、Ｐ２、Ｐ３の長さはそれぞれ、２２０ｍｍ、７６０ｍｍ、８５０ｍｍであった。気流は２．１ｍ／秒であった。これらの条件により、表１に示される粒径分布を有する斜長岩破片が形成される。
【００４３】
【表１】
2004537420.tif 000003
【００４４】
本発明を使用することにより、目的物を形成するモールドのためにケイ砂を現在使用しおよび／またはコアを形成するための合成樹脂を現在使用している鋳造工場では、売り物になる単位生産当たりの製造コストがかなり低減する。
【００４５】
玄武岩、すなわち、先に示した鋳物砂の仕様を満たす長石は、インパクタ内で処理されて粉砕された０から４ｍｍの篩い分け破片から、鋳物砂へと形成されても良い。その後、インパクタからの材料は、適当な方法で分類される。表２は、通常のケイ砂の特性と、この発明にしたがって形成された玄武岩の鋳物砂の特性とを比較したものである。
【００４６】
【表２】
2004537420.tif 000004
【００４７】
表３は、通常のケイ砂の特性と、この発明の方法にしたがって斜長岩から形成された非ケイ砂の特性とを比較したものである。
【００４８】
【表３】
2004537420.tif 000005
【００４９】
本発明は、基準外材料から成る粉砕された岩石から鋳物品質砂を形成すること、および、使用されたコアおよびモールドを含む鋳物砂をリサイクルして２つ以上のグレードの使用可能な鋳物砂を回収することを含んでいる。以下、これらの各態様について説明する。
【００５０】
（ＩＩ．リサイクル鋳物砂および２以上のグレードの鋳造生成物の回収）
コアおよびモールドから砂を回収する場合、第１のステップは、これらのコアおよびモールドを粉砕して、最大粒径がほぼ５ｍｍの砂にすることである。その後、これらの砂は、制御エネルギー磨滅ユニット２０を通過する。典型的に、インパクタ２０は、Ｂａｒｍａｃ  Ｄｕｏｐａｃｔｏｒ（登録商標）またはＲｈｏｄａｘ（登録商標）慣性コーンクラッシャとして具体化されると良く、結果として得られる生成物の少なくとも８０から９０％が１ｍｍ未満の粒径を有し且つ７５μ未満の粒子の含有量が１２％以下となるように作動する。この磨滅段階中、砂表面をコーティングする任意の有機結合剤の少なくとも２０％は、縮小されて細かい粒子となる。処理された砂は、その後、例えば図１に関して前述した分類器３０内で分類される。
【００５１】
分類器３０内で、各粒子は、単位質量当たりのそれらの抗力（ｄｒａｇ）により落下し、これにより、単位体積当たりの抗力が同様な粒子同士が互いに集まる。分類チャンバの床に落下できる程度に単位質量当たりの抗力が十分低い粒子は、３つのチャンバすなわち図示のように生成物出口を有する受け部Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３により、３つの破片に分離される。チャンバの床に到達することができないほど単位質量当たりの抗力が高い粒子は、気流と共に排出され、サイクロン４０および／またはエアフィルタ内で除去される。チャンバおよび／または受け部を画成する隔壁の位置を通り抜ける気流速度は、必要に応じて変更される。分類器が３つの受け部から成る最低限の場合、第１の受け部Ｐ１は、砂リサイクルループにおいて磨滅ユニット２０へと戻されるオーバーサイズの破片を生じる。第２および第３の受け部Ｐ２、Ｐ３は、より粗い生成物およびより細かい生成物をそれぞれ生じる。
【００５２】
図３に示されるように、インパクタ２０からの材料は、高さが１ｍで且つ幅が１．２ｍのチャンバを有する４つのテイクオフ分類器を使用して分類されても良い。生成物は、チャンバ断面１ｍ２当たり、少なくとも１．０Ｍ３ｓｅｃ−１の気流、好ましくは１．３から２．５Ｍ３ｓｅｃ−１の気流を使用して形成することができ、それにより、以下の分類された材料が生じる。
【００５３】
ｉ）供給物がチャンバ内に落下する部位の真下の部位からその口部が（−１０ｃｍ）から＋３０ｃｍ延びる第１の受け部「＋」内で収集する第１のオーバーサイズ破片、
ｉｉ）供給物がチャンバ内に落下する部位の真下の部位からその口部が＋３０ｃｍから＋７０ｃｍ延びる第２の受け部Ａ内で収集する大粒子生成物、
ｉｉｉ）供給物がチャンバ内に落下する部位の真下の部位からその口部が＋７０ｃｍから＋１２０ｃｍ延びる受け部Ｂ内で収集する小粒子生成物、
ｉｖ）受け部Ｃ（供給物流入部から１２０から１６０ｃｍ）およびエアフィルター内で収集する塵埃（細かい）破片。
【００５４】
表４は、リサイクルされた混合砂から平均粒径が０．１８から０．４５ｍｍの２つの砂を３チャンバ分類器内で回収する際にこの発明を適用することにより形成される破片における一般的な粒径分布を示している。
【００５５】
【表４】
2004537420.tif 000006
【００５６】
高精度部品を鋳造する多くの鋳造工場は、需要が殆どないモールドのために安価なケイ砂を使用しつつ、石英を殆ど含まない或いは全く含まない高価な低膨張細砂から、重要なコア要素を形成する。低膨張砂を使用することにより、鋳造工場は、ケイ砂を用いた場合よりも正確に部品を鋳造することができるとともに、ケイ砂を用いた場合よりも厳しい許容範囲を満たすことができる。しかしながら、従来のリサイクル方法では、異なる砂を区別することができず、高価な材料を回収して再利用することができない。これは、極僅かな量の石英による汚染によって、そのような砂がコアでの使用に不適当であると事実上見なされる可能性があるからである。このことは、低膨張細砂が一般に例えばクロム鉄鉱やジルコン等の石英よりも高い比重を有する物質であるという事実によって悪化する。
【００５７】
他の砂の平均粒径の少なくとも２倍、好ましくは少なくとも２．５倍の平均粒径を有するケイ砂を鋳造工場が選択する場合には、本発明の方法を使用して、そのような砂混合物を分離することができる。また、ケイ砂は、（例えば事前分類により）クロム鉄鉱またはジルコン砂の平均サイズの１．５倍よりも小さい粒子を１０％未満、好ましくは３％未満含んでいなければならない。
【００５８】
２つの生成物におけるサイズ分布曲線の重なり合い、および、他の砂による１つの砂の汚染を最小限に抑えるため、粗い生成物のための容器と細かい生成物のための容器との間に、更に別の受け容器を設けても良い。これにより、以下のように、破片の数を５個まで増やすことができる。
【００５９】
ａ）制御エネルギー磨滅ユニットへ戻されるオーバーサイズ粒子、
ｂ）ケイ砂の粗い単粒子、
ｃ）石英粒子および幾らかのクロム鉄鉱またはジルコン砂の粗い粒子から成る中間の大きさの破片（この破片は、例えば鋳造ではない目的で、除去されて処分される）、
ｄ）主にクロム鉄鉱またはジルコン砂の粒子から成る破片、および
ｅ）主に、サイズが０．１ｍｍ未満の粒子から成る細かい破片。
【００６０】
表５は、前述した同じ供給物を使用して、５つの破片への分配が実際にサイズ分布にどのように影響し得るかを示している。石英が少ない或いは全く無い砂を使用すると、空気中における石英粒子の量が減少し、作業環境が良くなるとともに、呼吸器疾患の発生率が減少する。一方、クロム、ニッケル、および／またはマンガンの含有量が少ない鉱物を使用できることにより、ゴミ集積場に廃棄され得る廃砂によって土壌および水が汚染される虞を最小限に抑えることができる。
【００６１】
【表５】
2004537420.tif 000007
【００６２】
サイズが２ｍｍよりも小さい粒子を少なくとも５０質量％含み且つ１から２％未満の石灰石または骨や貝殻の破片を含む砂は、前述したように処理されることにより、鋳物砂の品質に変えることができる。１つのグレードの鋳物砂だけが必要な場合には、前述した分類プラントは、３つのチャンバ、すなわち、オーバーサイズ用のチャンバ、鋳物砂用のチャンバ、小サイズ用のチャンバだけを有する。
【００６３】
主に非アルカリ性または弱アルカリ性成分から成るが、それにもかかわらず、その後の使用を妨げる十分な量で石灰石、貝殻破片、珪灰石等の更に強いアルカリ性物質を少量含んでいる砂は、砂リサイクルループに導入される前に、以下のように前処理される。
【００６４】
まず最初に、１０から６０％の鉱酸、好ましくは硫酸または硝酸を含む十分な量の溶液を加えて、砂を均一に湿らせるとともに、そのようにして処理された砂と水とを１：３で混ぜ合わせた混合物のｐＨ値を５から６まで減少させる。その後、砂は、揮発性物質が０．５％未満になるまで乾燥される。次に、７５μ未満の粒子の含有量が少なくとも３％増大するまで、好ましくは磨滅前の粒子の含有量よりも５％以上増大するまで、Ｂａｒｍａｃ  Ｄｕｏｐａｃｔｏｒ（登録商標）等の磨滅ユニット内で砂を繰り返し処理する。
【００６５】
鉱酸を加えると、石灰石および他の汚染物質は、その後の高エネルギー磨滅ステップ中に粉末まで小さくなることができる程度の大きさまで変化する。これらの汚染物質は、そのような砂が前述した方法によって前処理されていない場合には、効果的に除去されない。
【００６６】
この手順は、鋳物砂リサイクルの一環として特に有用であるが、２つのステップに分割できることは言うまでもない。すなわち、１つの場所で砂を前処理し、その後、他の場所で砂を処理することができる。酸による前処理と、制御エネルギー磨滅と、分類とを組み合わせて使用することにより、鋳物砂を形成する以外の目的で、カルシウムケイ砂を処理して形成することもできる。
【００６７】
表６に示されるように、ここで説明する発明は、充填度が良好な砂の生成につながるという点で、従来技術のリサイクル処理をかなり向上させるものであり、従来の方法を使用して回収した場合よりも塵埃含有量が少なく且つ申し分のないモールド（コアを含む）を形成するために必要な結合剤の量が少なくて済む。また、回収率も従来技術の方法を用いた場合より高い。更に、従来のリサイクル方法は、アルカリ性の結合剤残留物を含む鋳物砂を回収するために使用すると、効果が限られる。
【００６８】
【表６】
2004537420.tif 000008
【００６９】
時として、結合剤系と都合悪い反応を起こす物質が、鉱物それ自体の表面に僅かに含まれている場合がある。このような反応は、幾らかのアルカリ性鉱物と、酸触媒を使用し或いはイソシアン酸塩を含む結合剤系とによって起こり得る。このようなことは、出来上がった砂、すなわち、磨滅および分類後の砂に対して、水またはアルコールで溶かした５％から５０％の酸、好ましくはアリール酸またはアリール−アルキルスルホン酸、酢酸または蟻酸等の脂肪族系酸、安息香酸等の芳香族系酸または硫酸等の鉱酸、硝酸またはリン酸、これらの酸のアンモニウム塩を含む十分な量の溶液を加えることにより改善することができる。通常は、搬送および貯蔵によって、揮発性物質の必要な除去を十分に達成することができるが、必要に応じて、砂を乾燥させるべきである。加える量は、砂が均一に湿って浸酸処理され且つ水中での砂の分散によってｐＨが７．７を超えない量にすべきである。
【００７０】
弾性結合剤の残留物を含む鋳物砂を最適に回収するため、他の形態の前処理が必要になる場合もある。これは、砂を結合する樹脂を脆化させることができる十分な温度までモールド部品が鋳造中に加熱されなかった場合であるかもしれない。このようなことは、例えば軽金属を鋳造する際に起こり得る。そのような砂は、通常、コストおよび排気を増大させる虞があるにもかかわらず、熱的な手段によって回収されなければならない。しかしながら、本発明を使用すると、そのような脆化を達成できる十分な時間、所定の温度まで砂を加熱することにより、例えば２分間３００℃まで砂を加熱することにより、そのような砂を効率的に回収することができる。その後、前述した手順にしたがって、また、必要に応じて酸による前処理を更に含めて、砂を処理し、結合剤残留物を除去することができる。
【００７１】
本発明は、前述したように、様々な分類器をオーライト化器と組み合わせて使用して、実行されても良い。しかしながら、好ましい実施の形態においては、空気分類器が使用される。特に、本発明は、以下に詳述するような空気分類器を使用して具体化されるのが最も良い。
【００７２】
（ＩＩＩ．好ましい空気分類器の説明）
好ましい空気分類器は、上流側端部と下流側端部とを有する、水平に配置された分類チャンバを備えている。上流側端部および下流側端部により、空気をチャンバの内外にそれぞれ流すことができる。チャンバを通じて空気を上流側端部から吸引してチャンバ気流を形成する空気吸引装置がチャンバの下流側端部に隣接して配置されている。粒子物質は、上流側端部の近傍のチャンバの上部に設けられた供給物流入力部を通じてチャンバ内に供給される。チャンバ内に流入した粒子は、チャンバ気流に飛沫同伴される（ｅｎｔｒａｉｎｅｄ）。
【００７３】
好ましい空気分類器は、チャンバの上流側端部の上流側でこれに隣接して位置されたスクリーン部と、スクリーン部の上流側でこれに隣接して設けられたハニカム部とを更に有している。チャンバ内に流入する空気は、先ず最初にハニカム部を通過し、その後、スクリーン部を通過する。ハニカム部は、空気中の渦を除去し、スクリーン部は、空気の高速移動部分を低速移動部分よりも大きく減速させる。その結果、平滑化された空気の速度プロファイルが流路全体にわたって更に一定となる。供給物流入力部を通じてチャンバ内に導入された粒子は、スクリーン部を出た平滑化された空気中に飛沫同伴される。
【００７４】
複数の受け部は、チャンバの底面に沿って上流側から下流側に向かって直列に配列されている。チャンバ気流に乗って移動された粒子が気流から外れて落ちると、これらの粒子は、受け部内に集められる。大きくおよび／または重い粒子は、早期に気流から外れて落ち、供給物流入力部の最も近傍に位置する受け部内に集められる。一方、小さくおよび／または軽い粒子は、長期間気流に乗って移動し続け、チャンバの下流側端部に近い受け部内に集められる。
【００７５】
好ましい実施の形態において、供給物流入力部は、入力部で大きい粒子から細かい粒子を分離するのに役立つ振動スクリーンフィーダを有している。このスクリーンフィーダにより、空気が個々の粒子に作用することができ、大きな粒子を収集することを目的とする受け部内に導入される虞がある細かい粒子の量を減少させることができる。また、より多くの細かい粒子を適切な受け部へと飛沫同伴させて移動させ続けることができるように、空気の上方への流れが受け部内に導入されて吸気口の上側に配置されたスクリーンによって緩和されても良い。
【００７６】
チャンバの上流側端部にハニカム部およびスクリーン部を設けるとともに、吸引によって空気を分類器を通じて引き込むことにより、乱気流が減少される。また、特に、流入する供給物流の分類能力を振動によって高めると、本発明により、粒状物質のより正確な分類が可能となる。
【００７７】
図４には、好ましい空気分類器が典型的に示されている。この空気分類器３０は、図３に示されたように動作すべく構成されていても良い。
【００７８】
空気は、ハニカム部１４およびその下流側に設けられた少なくとも１つのスクリーン１６を通じて、分類器チャンバ１２内に引き込まれる。粒子は、気流から、複数の受け部２０のうちの１つへと落下する。空気を引き込むために、分類器の出口端部には、バックフィルタ（図示せず）の後に、ブロワ（図示せず）が配置されている。ブロワの吸引端部は、分類器の出口端部に取り付けられており、これにより、空気を分類器を通じて引き出すことができる。以上により、全ての空気を部屋または大気から分類器の外側へ引き込むことができる。この場合、空気は、空気をリサイクルしてファンまたはブロワによって分類器に送り込む従来の構成における空気と比較して、かなり穏やかになる。その結果、流入する気流から乱流および渦を除去して、渦および乱流を実質的に含まない均一な速度の分類器空気を得るプロセスが、大幅に簡略化される。ハニカム部１４は、渦を減少するために使用される。また、本発明により、流入する空気中の渦が少ないため、セルの長さとセルの直径との比（Ｌ／Ｄ）がたった４しかないハニカム部１４を使用して、僅かな量の渦を除去することができる。
【００７９】
ハニカム部のセルサイズは、長手方向の気流の高さの１／１０未満でなければならない。セルサイズを更に小さくして、時として気流の高さの１／３０から１／２００とし得る場合には、機能が向上する。
【００８０】
従来の分類器とは異なり、本発明のハニカム部１４は、スクリーン１６の手前側に配置されている。このような配置は、ハニカム部のオープンセル間の複数の固体セパレータがそれらを通過する空気中に乱伴流（ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  ｗａｋｅ）を形成するため、望ましい。この乱気流のスケールは、スクリーンによって形成されて低減される乱流よりも大きい。そのため、最も平滑化された気流を与えるために、これを除去しなければならない。そのような乱気流の除去は、スクリーン１６の手前側にハニカム部１４を配置することにより達成される。しかしながら、必要に応じて、分類能力をあまり損なわない状態で、スクリーンの後側にハニカム部を配置することができる。
【００８１】
図４に示されるように、本発明は、流入する気流を滑らかにするために、複数のスクリーン１６を有していても良い。好ましい実施の形態においては、スクリーンが適切に選択される場合、２つのスクリーン、最大で３つのスクリーンを設けるだけで、速度の平均変化を平均速度の±５％未満に十分抑えることができる。
【００８２】
本発明で用いられる一般的な速度である０．５から５ｍ／秒の平均空気速度でこれらの結果を得るために、スクリーンは、５５から６０％の開口率（ｆｒａｃｔｉｏｎ  ｏｐｅｎ  ａｒｅａ）を有していなければならない。開口率が低いと、速度プロファイルの平滑化が成されるが、エネルギー消費量が高くなる。開口率を高くするには、多くのスクリーンを使用する必要があるが、装置のコストが増大する。選択される最適なスクリーンの開口率は、速度プロファイルを平滑化するために必要なエネルギーを最小限に抑え且つ気流中の乱流を減らすことができる最小数のスクリーンが必要とされる開口率である。
【００８３】
ワイヤ直径が３０から１００の複数のスクリーンを離間配置して、各スクリーンのワイヤによって乱流の減衰を行なえるようにすることが最も好ましい。これにより、前側のスクリーンのワイヤによってもたらされる伴流をその後のスクリーンが平滑化してしまうことを避けることができる。ワイヤ直径が１００を超えると、全ての実用的な目的のため、これらの個々の伴流が消失し、また、乱流速度変動のスケールが小さくなって平均速度のたった１％まで減少する。スクリーンを更に離して配置すると、分類器の長さが長くなる。同じ理由から、個々のハニカム部におけるセル間の固体セパレータの平均厚さの３０から１００倍程度、ハニカム部の下流側に最初のスクリーンを配置すべきである。
【００８４】
最後の検討材料として、スクリーン１６は、初期コストおよびスクリーンのメンテナンス／洗浄／交換コストを最小限に抑えられるように、十分頑丈なワイヤから成っていなければならない。極めて細かいスクリーン、例えば１００メッシュのスクリーンを互いに接近させて配置することができるが、これらのスクリーンは、高価であり、流入する塵埃が簡単に詰まってしまう虞がある。非常に粗いスクリーン、例えば２メッシュのスクリーンは、かなり離して配置しなければならず、これにより、分類器の長さが長くなってしまう。実際には、これらの制限により、スクリーンは２から２０メッシュのものが使用される。一例として、８メッシュのスクリーンは、約８０ミル（２，０００ミクロン）すなわち約１／１２インチの開口を有している。これにより、スクリーンのワイヤは、約２０ミル（５００ミクロン）となって比較的頑丈になるとともに、スクリーンを約２インチ離間させる必要がある。
【００８５】
ハニカム部およびスクリーンの構成が空気分類器の性能に与える影響を評価するために、様々な試験が行なわれた。各試験においては、砂の供給位置のすぐ上流側で分類器を横切る速度が測定された（そして、平均化された）。この測定値は、ハニカム−スクリーン部を所定位置に設けた場合と設けなかった場合とについて得られた。ハニカム−スクリーン部を所定位置に設けた場合の試験結果１が表７にまとめられている。この試験における平均空気流は１．６８ｍｐｓであった。ハニカム−スクリーン部を設けなかった場合の試験結果２が表８にまとめられている。この試験における平均空気流は１．６２ｍｐｓであった。これは、かなり良い結果であったので、更なる調整を行なわなかった。分類される砂は、ホッパ内に置かれ、移動するコンベアベルト上へと流すことができるようになっていた。振動フィーダは１００％に設定された。試験中、装置の側面の窓を見ることにより、砂を観察した。ハニカム−スクリーン部を所定位置に設けた場合には、砂流が安定して水平だった。ハニカム−スクリーン部を所定位置に設けなかった場合、砂には大小の渦巻きが左右に観察された。各試験の終了後に、砂の破片を収集した。サンプルを取得して、篩分析を行ない、達成された分離状態を測定した。表７と表８とを比較すれば分かるように、ハニカム−スクリーン部が所定位置に設けられている分類器を動作させると、非常にシャープな粒子分類を行なうことができる。
【００８６】
大きな粒子は、分類器の底部にある受け部Ａ内に落下すると、空気が個々の粒子に作用し始める前に供給物流の上流部分で一緒に落下した細かい粒子と共に運ばれる。この現象は、供給量が増大するにつれて顕著になる。これらの細かい粒子は、大きな粒子によって表わされる生成物においては望ましくない。受け部の底面または側面に空気を供給することにより、任意の受け部内における細かい粒子の量を減少させて、分離をシャープに行なうことができる。この上方に立ち上がる空気は、細かい粒子を、受け部の上部から、主分類器気流中へと運び出す。そして、細かい粒子は、この主分類器気流により、下流側にある細かい粒子用の受け部へと運ばれる。この技術は、任意の受け部内に落下する細かい粒子の割合を減らすために使用することができる。任意の受け部内に供給される空気の流量は、主要な分類作用を過度に乱さないように、主分類器の気流の流量の１／３未満でなければならない。
【００８７】
【表７】
2004537420.tif 000009
【００８８】
【表８】
2004537420.tif 000010
【００８９】
また、本発明の空気分類器は、流入する供給粒子を個別に気流に対して与えることができる手段を有している。意外にも、これは、供給物流が薄いカーテンとして気流中に流入できる場合には、かなり大きな供給量で行なうことができる。この場合、粒子は、気流の方向に均一に拡散し、これにより、均一な気流が分類器内に流入するという利点の幾つかを取り戻すことができる。供給物が分類器内に流入するための開口を広げるとともに、供給物流が気流に流入する直前に、気流の方向または気流と直交する方向で振動する１つ又は２つのスクリーン１８を介して供給物流を落下させることにより、供給物流の拡散を行なうことが最も望ましい。スクリーン１８の振動は、細かい粒子を大きな粒子から分離するとともに、細かい粒子を個別に分類器の気流中へ自由に運ぶのに役立つ。この振動の振幅は小さいことが最も望ましい。なぜなら、振幅が大きいと、粒子がかなり遠くまで飛んでしまう虞があるためである。また、周波数が高い場合には、スクリーンの詰まりを防止するのに役立つ。振幅は５ｍｍ未満にしなければならない。また、周波数は約３サイクル／秒にしなければならない。スクリーンの開口は、これを自由に通過することができる最大粒子の直径の少なくとも３倍であることが最も望ましい。
【００９０】
供給物流がこのようにして拡散すると、分類器の理想的な動作で得られる分離精度が低下する。これは、供給物がもはや１つの位置で流入しないからである。しかしながら、供給物を拡散させる理由は、供給量が多い時の実際の動作が既に理想からかけはなれているためである。供給物流の幅の増大によって得られる別の拡散により実現される分類の向上は、数インチの供給物流の広がりを相殺して余りある。しかしながら、気流方向での供給物流の広がり幅は、重要な生成物受け部における供給物流方向での受け部開口の１／４を超えてはならない。１／８であると、更に影響が減る。
【００９１】
振動スクリーンフィーダを設けずに得られた試験結果と、振動スクリーンフィーダを設けて得られた試験結果とがそれぞれ表９および表１０に示されている。これらのデータから分かるように、供給物流は、それが気流方向で僅かに拡散する際に固体カーテンのように振舞う。大きな固体は、上流側の領域中へ非常に自由に落下し、粒子の清浄な分離がなされる。この場合、各受け部内の細かい粒子は僅かである。
【００９２】
【表９】
2004537420.tif 000011
【００９３】
【表１０】
2004537420.tif 000012
【００９４】
図５は、ハニカム−スクリーン部が無く且つ振動スクリーンフィーダ１８を使用していない空気分類器を使用した際の、粒径範囲と供給点からの移動距離との関係を示すグラフである。図６は、振動スクリーンフィーダが無いが、ハニカム部の後側の所定位置に３つのスクリーンが設けられたハニカム−スクリーン部１６が有る場合の同じパラメータのグラフである。図示のように、ハニカム−スクリーン部が設けられていると、全ての点で、粒子のサイズ分布の幅が著しく減少する。
【００９５】
図７は、ハニカム−スクリーン部が所定位置に設けられている場合において、空気分類器の性能を３つの供給量で比較している。供給量が多い時に分離の有効性が減少する理由は、供給粒子が固体カーテンとして落下する落下距離が増大して、気流が乱れて、空気が粒子に対して個別に作用することが妨げられるからである。
【００９６】
先に述べたように、受け部の底面または側面に空気を供給して、その受け部内の空気に上向きの平均速度を与えることにより、任意の受け部内における細かい粒子の量を減らして、分離精度を高めることができる。そのように導入された空気によって影響を受ける粒子のサイズは、空気の上向きの平均速度の大きさによって制御される。
【００９７】
図８は、上方へ移動する空気を受け部２０内に導入するための２つの受け部吸気口２２の位置を示している。また、受け部の上端であって且つ受け部吸気口２２の上側に配置されたスクリーン２４も図示されている。速度に応じて、受け部へと流れるこれらの吸気口内の空気は、強い渦を導入することができる。そのため、スクリーン２４は、気流を緩和し、より均一な上向きの速度を生じさせる。スクリーン部は、主分類器の前方にある吸気口用に使用されるスクリーン部のために使用される方法と同様の方法で設計される。受け部のスクリーンの詰まりを避けるため、スクリーンの開口は、受け部内に落下する最大粒子の直径の少なくとも４倍でなければならない。
【００９８】
表１１および表１２は、分類器の受け部Ｇ内に空気が吹き込まれないで実行された分類、および分類器の受け部Ｇ内に空気が吹き込まれて実行された分類による受け部の破片データのサイズ分布をそれぞれ示している。表１１および表１２の両方において、分類器の空気速度は１．１ｍ／秒であり、供給量は５ｋｇ／分であった。文字「Ｔ」は、０．１ｇｍ未満の量を示すために使用されている。受け部内に空気を吹き込んで実行された表１２にまとめられた分類において、空気は、最大で約１２０ミクロンの粒子に影響を与える上向きの平均速度で導入され、これにより、その受け部に流入するそのような粒子の数が減少した。データから分かるように、上向きの空気流により、最小粒子（＜７５ミクロン）の量が約３倍ほど減少しており、また、次に大きい破片の量が３倍近くまで減少している。
【００９９】
【表１１】
2004537420.tif 000013
【０１００】
【表１２】
2004537420.tif 000014
【０１０１】
表１３および表１４は、分類器の受け部Ｅ内に空気が吹き込まれないで実行された分類、および分類器の受け部Ｅ内に空気が吹き込まれて実行された分類による同様のデータをそれぞれ示している。表１３および表１４の両方において、分類器の空気速度は１．１ｍ／秒であり、供給量は５ｋｇ／分であった。文字「Ｔ」は、０．１ｇｍ未満の量を示すために使用されている。図示のように、上向きの気流により、この受け部内における細かい粒子の量は、僅かな量まで減少している。
【０１０２】
【表１３】
2004537420.tif 000015
【０１０３】
【表１４】
2004537420.tif 000016
【０１０４】
前述の説明および図面は、本発明の原理の単なる一例として考慮すべきである。本発明は、様々な形状およびサイズに設定されても良く、好ましい実施の形態の寸法によって限定されるものではない。当業者であれば、本発明の多数の用途を簡単に想起することができる。したがって、ここに開示された特定の実施例または図示して説明した構成および動作そのものに本発明を限定することは望ましくない。むしろ、本発明の範囲内で、適した変形例および等価物の全てを手段として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明にしたがって粒子を丸めて分類することにより鋳物砂を生成するのに適したプラントの図である。
【図２】本発明と共に使用できるオーライト化器の図である。
【図３】本発明に係る空気分類器を示す図である。
【図４】本発明に係る好ましい空気分類器を示す図である。
【図５】スクリーン部および振動スクリーンフィーダが無い図４の好ましい分類器を使用して行なわれた試験における粒径範囲と距離との関係を示すグラフである。
【図６】スクリーン部が所定位置に設けられ且つ振動スクリーンフィーダが設けられていない図４の空気分類器を使用した粒径範囲と距離との関係を示すグラフである。
【図７】スクリーン部が所定位置に設けられた好ましい空気分類器の性能を３つの供給量で比較したグラフである。
【図８】好ましい空気分類器における受け部の吸気口の構成を示している。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年10月16日(2003.10.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を小さくして滑らかにするとともに、幾つかのグレードのサイズに分類することにより、ベース材料の粒子から鋳物砂を形成する方法であって、
ケイ砂および非ケイ砂を含む少なくとも２つの鉱物成分を有するベース材料を用意するステップと、
制御エネルギーインパクタ内での処理によって粒子を成形するステップであって、前記処理によって粒子を互いに衝突させることにより、表面の凹凸を削り取り、滑らかな粒子を生成するステップと、
空気分類システムを用いて滑らかな粒子を分類することにより、それぞれが前記一方の鉱物成分の大部分を含んでいる少なくとも２種類の破片を生成するステップと、
を含んでいる、方法。
【請求項２】
前記ケイ砂は、鋳物砂として使用するには不適切な化学的特性および物理的特性の少なくとも１つを有している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ベース材料は、玄武岩、灰長石、灰曹長石、ゲーレン石、緑簾石、菫青石、および輝石のうちの１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ケイ砂は、非ケイ砂の平均粒径の少なくとも２倍の平均粒径を有するとともに、非ケイ砂の平均サイズの１．５倍よりも小さい粒子を１０％未満含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記粒子を成形するステップは、ベース材料中に存在する結合残留物を、空気分類器によって分類される細かい粒子まで小さくする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ベース材料は、使用されたモールドおよびコアからの混合砂であり、方法は、前記粒子を成形するステップの前に、使用されたモールドおよびコアを粉砕するステップを更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記粒子を成形するステップの前に、鉱酸溶液を用いてベース材料を処理して、アルカリ性残留物の除去を容易にするステップを更に含んでいる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記粒子を成形するステップの前に、鉱酸溶液を用いて砂を処理して、アルカリ性物質の除去を容易にするステップを更に含んでいる、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記分類するステップの後に、水またはアルコールで溶かした酸性溶液を完成した砂に加え、完成した砂のその後の水中での分散によりｐＨが７．５以下となるようにするステップを更に含んでいる、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記分類するステップの後に、水またはアルコールで溶かした酸性溶液を完成した砂に加え、完成した砂のその後の水中での分散によりｐＨが７．５以下となるようにするステップを更に含んでいる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
粒子を小さくして滑らかにするとともに、幾つかのグレードのサイズに分類することにより、ベース材料の粒子から鋳物砂を形成する方法であって、
少なくとも２つの成分鋳物砂を含むベース材料を選択するステップであって、各鋳物砂は、第１の鋳物砂の平均粒径が第２の鋳物砂の平均粒径の少なくとも２倍となるような異なる比重を有するステップと、
制御エネルギインパクタ内での処理によって第１および第２の鋳物砂の粒子を成形するステップであって、前記処理によって粒子を互いに衝突させることにより、表面の凹凸を削り取り、滑らかな粒子を生成するステップと、
空気分類システムを用いて滑らかな粒子を分類することにより、前記第１および第２の鋳物砂に対応する少なくとも２つのグレードの完成した砂を生成するステップと、
を含んでいる、方法。
【請求項１２】
前記粒子を成形するステップの前に、ベース材料を約３００℃の温度で約２分間加熱することによりベース材料を前処理して、任意の弾性結合剤残留物を脆化させるステップを更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記粒子を成形するステップの前に、ベース材料を約３００℃の温度で約２分間加熱することによりベース材料を前処理して、任意の弾性結合剤残留物を脆化させるステップを更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
【国際調査報告】
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