Authors: P. R. Carey & J. Archibald

サンドバインダーシステム

Technical Paper

第１１部：フェノールウレタンアミンコールドボックスシステム
サンドバインダーシステムに関する有益な情報を満載した全１３部連載の第 11 部

セクション B
このプロセスに必要な装置
砂混錬装置 - PUCB プロセスには様々な混練装置を使用することができます。砂供給システム
は、混練砂のエアレーションを最小にするものが最適です。砂混練システムは、迅速に使用でき、要求に応じて新しい混練砂を補充できる混練量に基づいて選択する必要があります。振動バ
ッチミキサー、高速バッチミキサー、および実質的にすべてのタイプの連続ミキサーは、高生産PUCB 操作に特によく使われています。

コンピュータ制御による混練機の樹脂計量は、高品質な砂の連続供給、バインダー添加量の低減、鋳造欠陥を最小限に抑えるのに役立っています。一般に、コンピュータ制御の樹脂計量パッケージの投資回収期間は 12 ヶ月未満です。

中子ブロー装置-PUCB の中子や主型はガス化フードの配置を利用することもできますが、ほとんどの場合、中子/主型ブロー装置で生産されています。図 6-9 に示すように、中子／主型造型機は小型でシンプルなものから大型で複雑なものまであります。空気輸送される混練砂と適切な金型の組み合わせにより、PUCB の中子/主型はブロー/ガス/パージ工程で迅速に充填・硬化させることが可能です。

図６ ランぺ中子造型機

図８ゲイロード中子造型機

図７ ローラメンディ中子造型機

図９レッドフォード中子造型機

未硬化のコールドボックスの砂は少しでも動くと、金型の上型のスクリーンに砂が付着してしまうので、理想的な中子ブロー装置は、上型を下型にしっかりとロックする一定のクランプを備えています。ブローサイクルとガッシングサイクルの間の中子型の動きを全くなくせなくても、最小限にすることは重要なことです。どのような動きであっても、可能な限りスムーズな方法で行わなければなりません。この点は、中子の重量と厚みが増すにつれて、より重要になります。
サンドマガジン - サンドマガジンは、混練砂ホッパーと中子造型機の間に設置されています。ホッパーからの混練砂で満たされると、乾燥した圧縮空気がマガジン内に充満し、混練砂を PUCBの金型に運びます。理想的なサンドマガジンは、1 セットの中子をブローするのに必要な最小限の砂しか入っておらず、ブローサイクルが終了するまでにマガジンからほぼすべての砂が吹き飛ばされるように設計されている必要があります。サンドマガジンの基本的なタイプは、ブロワー、シューター、エクストルーダーの 3 種類である。
触媒ガス化システム - ガス化システムの主な機能は、所定量の液体アミンを計量し、その物理的状態を液体からガスまたは蒸気に変え、キャリアガスと結合させ、最後に気化した材料を液体に再凝縮させずに使用するために中子型に供給することである。

触媒のガス化システムには、中子造型機ごとにガス化ユニットを設置する方法と、造型機群を集中管理する方法の 2 つがうまくいっている。
オンデマンドジェネレーターとも呼ばれる個別ガス化装置は、一般的に 1 台の機械にアミンを供給するために使用されます。個々のガス化装置は、アミンを測定し、ガスキャリアの流れに注入し、制御圧力でアミンとキャリアガスを温度制御および断熱配管を通して中子造型機に供給します。
オンデマンドジェネレーターには、さまざまな設計があります。ストロークインジェクターは、注射器のようなポンプでアミンを計量し、キャリアガスと混ぜ合わせます。
標準的なインジェクターユニットは、計量オリフィスを通してキャリアガスの流れにアミンを導入します。このタイプのユニットでは、液体アミンの流れは、時間と圧力で制御されます。制御された量の液体アミンがインジェクターオリフィスに供給され、それを通してポンプまたは他の定圧供給装置を使用して、一定量の液体アミンを供給します。
アミンおよびキャリアガスのいずれかを加熱する気化発生装置は、気化器とみなされます。「気化器」という用語は、アミンおよびキャリアガスを加熱してアミンの気化を促進し、キャリアガスが気相に保持できるアミンの体積を増加させることを意味します。アミン発生器の加熱キャリ
アと加熱パージエアーは、ガスの消費量を最小限に抑え、ガッシングとパージのサイクルを短縮する非常に有効な方法であることが証明されています。また、中子や主型に残留するアミンも最小限に抑えることができます。もちろん、適切に装備された金型と組み合わせて使用する場合です。
オンデマンドジェネレーターは一般に、乾燥した圧縮空気をキャリアガスおよびパージガスとして利用します。このタイプのシステムには、明らかに経済的なメリットがあります。このタイプのシステムには、ガスキャリアとして不活性ガス（一般に窒素）を使用するユニットと比較した場合の明らかな経済的メリットがあります。ただし、二酸化炭素は、かつてはアミンのキャリアガスとして使用されていましたが、水分の存在下でアミンと反応して炭酸塩を形成し、装置を詰まらせ、生産性の低下と過剰なメンテナンス費用がかかる可能性があるため、ほとんど使用されていないことに留意してください。

アミンガス発生装置は、アミンガスの液漏れや供給ラインで、前サイクルからのパージエアーと現サイクルからのアミンとの混合を防ぐために、できるだけ造型機に近い場所に設置する必要があります。最適な結果を得るために、すべてのキャリアと触媒の供給ライン、アキュムレータータンクなどは、加熱および断熱されている必要があります。断熱されたラインの温度は、ガス発生器から最終供給地点まで４℃の低下にとどめることが望ましい。これは、触媒ガスを液状に戻すことがないようにするためです。アミン加熱時に熱源としてカルロッドヒーターを使用する場
合、何らかの不具合が生じた場合に発火源となる可能性があるため、注意が必要です。

オンデマンド気化装置は通常、混練機に取り付けられた小さな貯蔵タンクからアミンを供給しています。このように液体アミンの供給量が限られているため、タンクには定期的に可燃性の液体を手動で充填する必要があります。オンデマンドインジェクターユニットの中には、システム内の全ユニットにサービスを提供するマニホールドシステムによって、中央液体アミン供給システムと結びつけることができるものもあり、個々の供給容器への面倒な充填をなくすことができます。

大量に使用する場合、複数の個別のアミンガス化装置のコストを最小にするために、集中型触媒ガス化装置システムを利用することができる。集中型アミン生成システムには、いくつかの設計がある。多くの場合、前述のオンデマンド型ユニットを改良したものですが、「バブラー」または「スパージャー」タイプの発生装置とすることも可能です。この設計では、不活性ガス（一般に窒素）を、液体アミンに浸されたフリット付きガラスフィルターに通す。窒素はフィルターから小さな気泡となって出てきて、液体アミンを通過する際にアミンを含んで飽和状態になります。アミンで飽和したガスは、計画的に配置された加熱されたアキュムレータータンクに送られ、貯蔵と中子／主型への供給が行われます。アキュムレーターからは、気化したアミンが液体として再凝縮しないように、ヒートトレースと断熱を施したキャリア配管を通過します。最終的には中子造型機の入気プレナムに到達し、コールドボックスの金型に導かれます。

砂 1 トンあたり 0.9〜1.25 kg のアミンが使用されるのが良いとされています。正しく設計され、構成された分配システムと、適切に調整された金型を使用すれば、気化器発生装置は、1 トンの混練砂あたり 0.36 kg という少ないアミンで中子主型を製造することができることに注目すべきである。
ガス入気プレナムと配管-ガス入気プレナムは、金型の入気ベント部にアミンを迅速かつ均一に分配することができる最小限の容積にする必要があります。

触媒ガスとパージ・エアをパターンに送るために使用されるアミン供給システムは、硬化サイクルの最初の 1〜5 秒間、比較的低い圧力（0.014〜0.069 MPa）で大量の触媒ガスを中子型の上型型に素早く供給できるものでなければなりません。その後、0.1〜0.24 MPa のパージエアーを素早く送り込み、触媒をパターン内の混練砂全体に完全に分散させ、混練砂から掃き出す必要があります。これを効果的に行うには、触媒コントロールバルブから中子自体への経路が、可能な限り無制限かつ直接的である必要がある。そのためには、機械側の触媒バルブから、触媒が最初に砂に接触するまでの間のガス輸送量をできるだけ少なくする必要がある。さもなければ、各サイクルの開始時に、前回のサイクルからパイプとプレナムに残っている過剰な未触媒パージ空気が、新しい触媒ガスのサージの前にシステムを通して押し出されるため、硬化の遅れが生じることになります。

加熱パージエア - PUCB プロセスの効率と生産性を向上させる最も効果的で比較的安価な方法の1 つは、加熱パージエアを使用することである。パージエアを加熱し、ヒートトレースされた断熱配管を通過させ、トリエチルアミン（TEA）混合物のプレナム入口温度を 99 ℃（TEA 気化温度は 92℃）、ジメチルエチルアミン（DMEA）のそれを 43℃（DMEA 気化温度は 37℃）にすることにより、しみつきとサイクル時間を劇的に減少させることが可能です。さらに、起動前に工具を予熱することで、ドライサイクルやブローを行い、最初の数個のコアを廃棄する習慣をなくすことができます。1 回のブロー重量が 68kg 未満のコア生産には 9 kW のヒーターが適しており、69kg を超えるブロー重量には 12 kW のヒーターが使用されます。TEA は 149℃を超えると分解し始めるので、149℃以下の温度に保つよう注意する必要があります。

排気プレナムと配管 - 適切に設計された PUCB 排気システムは、高圧パージ中に大きな背圧を発生させてはならないし、吸引式廃棄装置を使用する場合は排気プレナム内に高真空を発生させる必要があります。排気配管は、入気システムの流量の 3 倍以上でなければならない。この場合も、配管には制限を設けず、エルボや T 字配管の数は最小限とします。

排気プレナムには、−0.07〜+0.07 MPa のゲージを設置する必要があります。
−0.007〜+0.007 MPa の圧力が望ましく、運転中はその範囲を維持するように努力するべきです。

排気スクラバーシステム - 触媒がバインダーを硬化させた後、それは排気配管を通って、図 1011 に示すような湿式の充填塔スクラバーに運ばれます。スクラバーの水性硫酸雰囲気中でアミンを遊離硫酸と反応させ、アミン硫酸塩を形成します。スクラバーの底に溜まるスラッジ状の物質は化学的に再生できるので、鋳造工場から廃棄物の流れをなくすことができます。スクラバー

システムの主な機能は、不快な化学臭が大気中に放出されるのを防ぐことです。しかし、スクラバーは中子型の排気プレナム内に負圧を発生させるため、中子を通る触媒ガスのスムーズで均一な流れを促進し、金型キャビティを通るアミン蒸気の流れを整えるのに役立ち、高品質の中子や主型の生産を支援するために使用できます。

図 10 ダコタ スクラバー

図 11 ゲイロード スクラバー

中子型のベントシステムが開発され、標準ガッシングとパージ時間が確立されるとき、それは一定の排気プレナム圧力に基づいている。ファンの停止やその他のシステムの不具合によって圧力が変動すると、中子型を通るガスの流れが変化し、砂の硬化がうまくいかなくなる可能性があります。そのため、スクラバーの一貫性は重要であり、監視装置として真空/圧力計をコールドボックスの排気プレナムに設置する必要があります。
図 12 圧縮空気

潮解性ドライヤー

再生ドライヤー
ドライエ

ドライヤー

アー出口

冷凍ドライヤー

エアー出口

操作塔

熱交換機

ドライ塔

パージ制御弁ウェッ

冷気から熱風へ熱交換機

エアー入口

トエアー入口流れ選択バルブ

パージ排気口

コンプレッサーコンデンサ―
レシーバー

圧縮空気システムの役割は、中子型に混練砂を吹き込み、砂全体に触媒ガスを分散させ、サイクル終了時に砂から触媒をパージするために、乾燥した圧縮空気を供給することである。コールドボックスの運用を成功させるためには、空気が乾燥していることが非常に重要です。コールドボックスの砂やブローおよびパージ用空気に水分が含まれていると、中子や主型の品質、および保存期間が短くなります。産業用圧縮空気は通常、水分や油分を含んでいるため、エアドライヤが必要となります。産業用エアドライヤには、潮解性、再生性デシカント、および還流式の 3 つの

基本的なタイプがあります。ドライヤーを効果的に使用するには、大気圧での露点を−4℃以下に維持する能力が必要です。
再生式吸着式ドライヤーシステムは、初期コストが比較的低く、メンテナンスも非常に簡単で、-18℃をはるかに下回る大気圧の露点を維持することができます。冷媒タイプのエアドライヤでも十分ですが、低い露点は得られず、一般に再生型吸着式より購入とメンテナンスが高くなります。潮解性タイプは安価ですが、PUCB プロセスでは満足のいくものではありません。
露点を継続的に監視し、たとえその影響が中子造型機で観察できなくても、露点上昇の最初の兆候で是正措置を取ることが重要です。残念ながら、高露点の圧縮空気による中子の劣化は、一般に中子や主型が保管場所から取り出され、使用できる状態になるまで認識されないことが多いようです。

中子型の設計一般的に鋳鉄は大量生産用の金型として使用されますが、実験用や少量生産の場合には他の多くの材料を使用することができます。アルミニウム合金、木材、エポキシ、ウレタン、アルミニウ
ムフレームとプラスチックライニングの複合材などです。プラスチック製の主型は、初期費用が安く、修理が簡単で、交換費用も少なくて済みます。しかし、プラスチックは洗浄剤や多くの離型剤に侵されるため、鋳鉄のような⻑寿命化は望めません。パターンの高温熱伸縮がないため、見切り面の隙間が 0.13mm 以下であれば、見切り面バリのない中子を製造することができる。
ブローチューブ - 従来、ブローチューブは中炭素鋼、厚肉管、または機械加工された金属棒から作られていました。金属製のブローチューブは、ブローチューブと上型ブローチューブシールの間から砂が吹き出すのを防ぐため、弾力性のあるブローチップシールが必要です。
最近では、ナイロンや注型ウレタン製のブローチューブが開発されています。圧縮性があるため、柔軟性のあるゴム製の先端シールが不要となり、コストダウンと品質向上（ゴム製先端は摩耗が激しいため）が図れる。図 13 に基本的なスチール製とナイロン製のチューブを示す。ブロ
ーチューブのサイズと配置を適切にすることにより、ブロー圧や砂の流速が低くても高密度の中子を確実に生産することができます。

図 13 PUCB 用ブローチューブブローチューブの内径が 13mm 以下のものは避けるべきです。ブローチューブの内径が 13mm未満の場合、目詰まりを起こしやすく、中子や主型の成形不良や設備停止の原因となります。内径が 25.4mm を超えるブローチューブも、ブローチューブのシールに砂を落とす傾向があるため、避ける必要があります。また、内径の大きなブローチューブは、中子表面に大きな傷跡を残すことになります。
ブローチューブの⻑さは、ブローチップをブローチューブのシートに接触させたときに、0.8mmの圧縮が可能であることが必要です。ブロープレートは、ブローチューブがブローシートに接触する前に、上型にあるブッシングにかみ合う位置決めピンを備えている必要があります。ブロー
チューブは決して位置決めとして機能してはいけません。

ブローチューブの総面積を決定するためのガイドラインは、ブローする砂 1kg につき 11.0〜20.0mm2 のブローチューブ断面積を使用することです。中子が薄い場合は、厚みがある場合よりもブローチューブの面積を大きくする必要があります。ブローチューブの位置は、可能な限り中子の重い部分に配置する必要があります。

ブローチューブと砂がパターン表面に衝突する点との距離を最大にすることで、樹脂のしみつきを減らし、金型の磨耗を軽減します。可能であれば、ブローチューブを薄い中子部分に直接吹き込んだり、砂が深いポケットに入るような傾斜のある壁面に設置することは避けてください。そうしないと、砂がブロー口の真下の金型表面を摩耗させます。

ベント - 多くのパターンのベントが利用可能である。ワイヤー、スリットスチール、レーザーカット、セラミック、エレクトロメッシュなどがある。生産性の高い用途で最も広く受け入れられているのは、1）30 メッシュのステンレス鋼と真鍮のボディを使った織ワイヤー、2）0.5mm のスリットを持つ穴あき真鍮板です。しかし、最も効果がありそうなのはレーザーカットで、セラミックタイプも期待できる。ワイヤー編み、レーザーカット、セラミックは通気面積が大きく、洗浄もしやすいので、可能な限り採用されています。残念ながら、その用途はかなり平坦な面に限られる。起伏のある表面または垂直な表面で通気が必要な場合は、真鍮のスリット付きベント孔を使用して、ベント面が中子形状よりへこむように設置します。
ベントのサイズと配置は、中子の品質、サイクルタイムの短縮、および触媒の消費量低減を達成するための重要な要因である。コールドボックスでは、ベントを十分に検討することが熱硬化プロセスよりもはるかに重要である。ベントは、高密度の中子を吹き込む能力だけでなく、中子全体に触媒ガスを均一に拡散させる能力にも影響します。コールドボックスでは、パターンの半分に少なくとも 50mm 間隔でベント孔を設けるとよいでしょう。

上型側の総開放面積は、ブローシート部分（該当する場合）を含め、3.58〜5.73 ㎝ 2/砂 kg であることが望ましい。金型排気ベントの総開放面積は、総入気ベント面積の約 50〜80％となるようにします。入気ベント面積に対して排気が少ない状態は、触媒ガスを中子の全体に拡散させるのに必要な背圧を作り出し、その結果、均一に硬化された製品が得られます。触媒ガスが拡散しやすいように、低いポケットや鋭角の近く、重要な部分にベントを設置し、ガスをその方向に導く必要があります。また、砂を通過したガスが反対側のベントから排出されるようなショートパスを防ぐため、ベントの位置はずらさなければなりません。
ベントをパターン内に配置し、その厚みが 25.4mm 以下の場合、ベント通路、すなわちベント後方のプレナムへつながる開口部は、ベントの直径より若干小さくてもかまいません。しかし、金型の厚みが 25.4 ㎜より大きい場合、ベント通路はベントの直径より少なくとも 3.2 ㎜大きくする必要があります。こうすることで、ベント通路の詰まりが少なくなり、清掃も簡単になります。
一般的に、直径 1/4 インチ以下の通気孔は、最小限の価値しかないため、避けるべきです。最良の結果を得るためには、直径 3/8 インチ以上のベントが望ましい。

中子や主型の品質で非常に重要なのは、金型の清浄度です。詳細なクリーンアウト手順が不可欠である。その手順には、装置、洗浄の方法、順序、頻度が記述されていなければなりません。ベントは常に注意を払う必要がある。一般に、一定時間ごとに生産を中断し、機械を停止して、金属洗浄剤でベントを洗浄する必要がある。その際、クリーナーを樹脂に染み込ませ、機械を再稼働させるまで吹き払わないようにしなければならない。

通風孔の徹底的な清掃とメンテナンスは作業の休止中に行わなければならない。理想的には、すべてのベントを毎晩、ワイヤーブラシやベントクリーニングブレード（スロット付きベントの場合）で清掃するか、骨材でブラストする必要があります。摩耗したベントは、定期的に取り外して交換する必要があります。

ピンとブッシング-コアボックスの位置決めピンとブッシングは、毎週ゲージで測定する必要があります。通常、抜型ピンとブッシングの間のクリアランスは、0.13mm が望ましいとされています。このクリアランスが 0.25 mm になると、砂が抜型ピンを通過してしまい、中子の品質が悪くなります。そのような問題が起こる前に、ピンとブッシングを交換する必要があります。

中子型のシール - PUCB プロセスでは、生産性、環境、経済性の観点から、すべての見切り面のシールが重要です。適切なシーリングは、硬化時間の短縮、触媒の使用量の低減、臭気の低減、設備停止時間の低減に役立ちます。シールは、ガス通気プレナムとパターン上型、パターンの見切り線間、排気プレナムとパターン下型の間に設置する必要があります。
シールの圧縮強度は、パージとブローの間に上型が下型から分離しないように十分低く、かつブロー、ガス、パージの各サイクルのガス圧で吹き飛ばされないように十分高くなければなりません。ブロー後に中子型が分離すると、しみつきや見切り面の砂バリが発生することがある。
プレナムシールは、一般に入気プレナムの下側と排気プレナムの上側に設置されます。中子型見切り面のシールは、一般的に水平方向に分割された金型では中子型の下型にあります。蟻溝形状
は上型の表面に設置しやすいですが、下型の位置には角型または丸型が適しています。
図 14 PUCB 用シール

見切り面に使用するシールの圧縮力は、シールの直線 10 ㎜当たり 2.3〜5.7kg であることが必要です。入気と排気のプレナムの間に入るシールは、より高い圧縮力を持つことができますが、表面を一緒に固定するメカニズムによって圧縮できなければなりません。

結論
現在のフェノールウレタン・コールドボックスプロセスは、革新的な機器開発、環境上の必要性、新しい鋳造用途に基づき、約 60 年にわたる改良の結果生み出されたものです。この成熟したシステムの最も素晴らしい点は、今もなお劇的な改良が続けられていることでしょう。
この技術は、高生産、高精度な砂型鋳造のための圧倒的な選択肢となりました。予測可能な寸法、自動化されたハンドリング、経済的な生産性などが相まって、世界で最も売れているバインダーシステムとなっています。重工業、自動車、特殊鋼、鉄鋼、真鍮、アルミ合金などの精密鋳造品の製造には、PUCB システムが使用されています。

参考文献
Fig. 1 & 6: LAEMPE+REICH CORP.
Fig. 2: Klein Palmer Inc.

Fig. 3: OMCO Group
Fig. 4: Tinker Omega Manufacturing LLC
Fig. 5: Palmer Manufacturing & Supply Inc.
Fig. 7: Loramendi S.Coop.
Fig. 8: ASK owned picture
Fig. 9: TROMLEY INDUSTRIAL HOLDINGS INC.
Fig. 10: Dakota International Inc.
Fig. 11: Gaylord Foundry Equipment Inc.
Fig. 12: Van Air Systems Inc.
Fig. 13 & 14: ASK owned picture