Authors: P. R. Carey & M. Lott

サンドバインダーシステムズ

Technical Paper第７部：酸硬化による PNB とブロー造型ノーベーク
サンドバインダーシステムの最新情報が満載の全 13 部シリーズの第７回目
フェノールノーベークプロセス
1960 年頃に導入されました。優れた熱間強度と低コストにより、大型鋳物への用途で、ある程度受け入れられましたが、より反応性の高いフランバインダーと比較して、市場シェアをあまり獲得できませんでした。 それを変えるために、1960 年代後半に一連の出来事が起こりました。 フルフリルアルコールが不足したため、鋳造事業者たちはフランノーベークシステムに代わるものを探していました。ちょうどその頃、スルホン酸がフェノール樹脂と組み合わされ、突然、フェノール樹脂がはるかに優れたノーベークバインダーになりました。
PNB は、高い熱間強度と低コストのノーベークを必要とする用途に選ばれます。

この樹脂
フェノール樹脂はレゾールベース、つまりモル比でフェノールよりもホルムアルデヒドの方が多い。水分は通常10〜25％含まれている。比較的粘度が高く、⻑期間、特に高温で保存すると増粘します。この樹脂は 60℉(15℃)
で 3〜4 ヶ月、80℉(27℃)で 1.5〜2 ヶ月保存できますが、95℉(35℃)の温度での保存はお勧めできません。図 1
は、「新鮮な」フェノールノーベーク樹脂の典型的な粘度／温度曲線です。フェノール樹脂を適切に硬化させるには、強力なスルホン酸が必要です。表 1 は、様々な硬化剤を使用した場合の可使時間と抜型時間、および様々な硬化剤を使用した PNB システムで達成可能な直後引張強度と最終引張強度を示しています。
フェノール樹脂の代表的な特性を表２にまとめました。
図１PNB レジンの温度と粘度の関係
粘度（c Ps ） x1000

製造直後のフェノールノーベイクレジン温度（℉ ）PNB は、以下の理由で特別な処理の配慮が必要です。
フェノールノーベーク樹脂は、フランノーベーク樹脂に比べ比較的反応性が低い。
反応が鈍いため、比較的強いスルホン酸を使用する必要がある。よりマイルドで腐食性の低い 75%または 85%のリン酸を使用することはお薦めしません。
他のタイプの酸をブレンドすることは、貯蔵器を腐食する可能性があります。それは、硫⻩の排出をもたらし、鋳物表面に硫⻩が付着します。
サンドヒーターは砂処理設備や混錬装置に必要なものです。
樹脂は、既に高い粘度を持っているため、保管中に粘度は増加します。すなわち、特に暖かい条件では、バインダーの保管期間に限界があります。
粘度は、70℉(21℃)以下に温度が下がると劇的に上昇します。

操業上で注意すること
バッチミキサーと連続ミキサーはともに PNB で使用されるかもしれません。
フェノール樹脂は粘度が高く、⻑期間保存するとさらに粘度が高くなるので、樹脂の温度、樹脂の供給ラインの大きさと温度、ポンプ能力などに特に注意が必要です。
すべての酸硬化ノーベークと同様に、究極の強度特性を得るためには、混練砂は常に混合後できるだけ早く使用する必要があります。
ストリップ時間は、樹脂、硬化剤、添加剤、温度の組み合わせによって、5 分から 2 時間以上まで変化します。
適切に酸硬化剤されたフェノールノーベークは、硬化するときに赤みがかったピンク色に変化します。砂が適所に働かせる前にかなり色を変えたら、不満足な特性は起因する。
酸硬化フェノールノーベークは、理想的な条件下でも流動性が比較的悪いので、振動テーブルと併用して、さらに突き固めを施す必要があります。

環境への配慮
鋳物砂の廃棄や再利用に影響を与えるバインダー成分は、いずれも重要な問題である。PNB 砂のサンプル（硬化砂と振出砂の両方）を、米国環境保護庁（USEPA）の規則で規定されている毒性特性および浸出手順（TCLP）の下で評価した。サンプルは分析され、フェノールについて報告されたデータは表 4 に記載されています。

試験した PNB バインダーシステムには、EPA の規制値を超えるいかなる物質の溶出量もないことが判明した。
なお、フェノールは連邦 TCLP 規則では規制されていませんが、一般的には州レベルで規制されています。このデータから、PNB から溶出可能なフェノールは検出限界値以下であったことがわかります。しかし、鋳物砂の有益な再利用のためには、フェノールレベルが州の規制レベル以下である必要がある。したがって、フェノールに関する特定の州および地域の規制を参照する必要があります。すべての鋳物工場が、廃棄砂を検査して浸出液の値を決定するのは良い考えです。

総合的に考慮すること
珪砂は一般に AFS/GFN の全範囲で問題なく使用できます。レイクサンド、バンクサンドは使用可能ですが、ADV（酸消費量）に注意する必要があります。また、砂の表面化学に影響を与える可能性のある汚染物質を特定し、硬化剤レベルの適切な調整を行う必要があります。クロマイトやジルコンなどの砂は、特殊な鋳物用として問題なく使用されている。オリビン砂はアルカリ性であるため、推奨されません。

砂の再生
PNB は酸硬化である。従って、PNB 混練砂の機械再生は、おそらく負の ADV を持つ砂をもたらすでしょう。このため、硬化剤の調整が必要となり、ツインスクリューやリボンフローミキサーで、機械停止時に混練砂が完全に排出されない場合には、本システムを使用できない可能性があります。機械再生後に砂中に残る無機成分、例
えばスルホン酸からの硫⻩は、独特の機械再生の問題を引き起こす可能性があります。
また、熱による再生は、特別な問題を引き起こすことがあります。湖や堤防の砂は通常、貝殻やその他の残留物からなる炭酸塩をかなり含んでいます。これらの物質は、鋳造工程からの熱と熱再生工程の温度にさらされることで、高アルカリ性で水（および酸）に溶ける石灰に変化する可能性が高いのです。したがって、再生砂は ADVの変化を注意深く観察し、必要に応じて硬化剤を調整して補う必要があります。
機械式および焙焼再生装置から排出される砂の温度を監視し、制御する必要があります。温度は硬化剤と同様に重要なシステム運転パラメータであることを忘れないでください。

灼熱減量(LOI)LOI 試験とは、生砂、混練砂、再生砂に含まれる可燃性物質と水分の量を測定するものである。生砂の LOI は、可燃性物質と水分の存在量を示します。混練砂の LOI は、砂に含まれるバインダー、硬化剤、場合によっては添加物の量を示します。再生砂の LOI は、再生後の砂に残っている可燃物の量を示します。再生砂の LOI の最適値は 0 であるが、一般的には 2％以下が許容される。LOI の値が通常より高い場合、過剰なガスが発生し、再生砂に残留していることを示しています。これは操業上、鋳物欠陥の原因となります。

温度管理
フェノールノーベークは、低温よりも高温でよりよく反応します。理想的な環境温度は 85-100℉(30~40℃)です。
70℉(20℃)以下の温度では、バインダーの粘度が増加し、すでに遅い化学反応はさらに遅くなります。通常の使用温度は 100℉を超えないようにしてください。110℉(43℃)を超えると、かなり可使時間短くなり、その後の突き固めに問題が生じます。
パターン温度の制御は、フェノールノーベーク中子/主型造型において特に重要な管理項目です。 金型のインサートは特別な懸念の原因です。 硬化剤は比較的高温で凍結する可能性があり、90°F(32℃)以上で保管すると樹脂の粘度が急速に上昇するため、液体プロセス材料は夏と冬に温度調節された場所に保管する必要があります。
ルームヒーター/エアコンを備えた十分に断熱された、または特別に構築されたコンパートメントは、この目的を果たすことができます。

PNB vs. FNB
酸硬化フェノールノーベークシステムは、通常、速硬化性フェノールウレタンの良い代替品とは考えられていませんが、農産物を原料とするフランシステムの有効な代替品となる可能性があります。しかし、フランノーベークの代わりにフェノールノーベークを使用する場合、プロセスを慎重に実行する必要があり、すべてのプロセスパラメータを慎重に管理する必要があります。

フラン樹脂の供給不足
鋳造業界では、鋳物を製造するために、フラン系（FNB）とフェノール系（PNB）の 2 種類の酸硬化バインダーが使用されています。フェノール樹脂は石油をベースとした製品です。フラン系は、トウモロコシの穂軸、⻨殻、綿実殻、バガスなどの農業副産物から得られるフルフリルアルコールをベースにしている。ノーベーク鋳造業者が、材料の取り扱い、中子・主型の造型、鋳造特性などを考慮してバインダーを選択する場合、通常フラン系が選択されることになる。しかし、材料供給面で選択する場合は、一般的に供給不安のないフェノール系を選択することになる。この記事が書かれた当時（1990 年代）、世界の鋳造業者はフルフリルアルコールが 20〜40％不足していた。
鋳造業界では、フラン系樹脂の不足は他人事ではありません。最初は 1960 年代後半に発生し、オイルウレタンノーベークが大きなシェアを占めるようになった。1975 年にも不足が発生し、比較的新しいフェノールウレタンのコールドボックスとノーベークシステムが台頭しました。多くの大手鋳造メーカーが、少なくとも一時的にフランノーベークからフェノールノーベークバインダーに切り替えたのです。
フラン系製品のユーザーにとって、フルフリルアルコールの世界的に供給がひっ迫することがある。フランノーベークバインダーが選択されている場合、通常 1、2 年の供給不足が発生します。
このため、フラン系鋳造用樹脂ユーザーの多くは、代替バインダーシステムへの切り替えを迫られることになります。フランホットボックスやウォームボックスのユーザーにとっては、フェノールホットボックスや他の中子製造プロセスが代替品となりますが、大型鉄鋳物メーカーにとって明らかにバインダーシステムの代替となるの

は、フェノールノーベーク、あるいはより論理的にはフェノール変性フランシステムでしょう。

吹き込み型ノーベーク(BNB)中子と主型プロセス
必要な中子の数が標準的なノーベークプロセスの能力を超える場合、またはシェル、油中子、ホットボックスからの変換が必要な場合、BNB プロセスは実行可能な代替手段です。BNB プロセスは、どの粘結剤中子/主型造型プロセスにも匹敵する生産サイクルで、シンプルな金型で中子と主型を製造することができます。
BNB はもともとヨーロッパで導入されたもので、北米には 1980 年の AFS セントルイス鋳造博覧会で登場しました。中子製造の大きな革新の一つで、様々なメーカーが機械を展示し、それぞれのメーカーがこの工程に独自の名前を付けていました。Baker Perkins FAS CORE、Shalco BLO-SET、Dependable Fordath などです。やがて、Beardsley & Piper 社が 8 ポンド(3.6kg)の混練砂を吹き込む機械と、25 ポンド(11.4kg)の容量のユニットを発表し、ABC プロセスと呼ばれるようになりました。その後、レッドフォード・カーバー社が「シンプル・アドバンテージ」という名称で装置を導入していました。
ドイツで開催された GIFA では、ノーベークの混練砂を金型に吹き込むための興味深い装置がローラメンディ社から展示されました。この装置は、前後にドアの付いた鉄製の真空チャンバーと、その上部に設置された混練砂ホッパーから構成されています。ホッパーはチャンバー上部からパイプでつながっており、金型を巻き込むとその上部にクランプ機構が取り付けられています。真空になったところで、パイプ内のバルブが作動し、低圧の圧縮空気で混練砂を金型に送り込みます。充填が完了すると、金型が取り除かれ、箱状のトレイが排出パイプの下に移動し、マガジンから残留する砂を受け取ります。このブローバキュームアシスト充填技術により、ブローマガジンやブロー作業を補助するプランジャー状の装置を必要とせず、複雑な金型に混練砂を均一に充填し、圧縮することができます。

吹き込みノーベークの砂
硬化剤の酸とノーベーク混練砂を吹き込むと、硬化のためのガス化サイクルが不要になるため、そのステップだ
けでなく、可燃性ガスの捕捉、中和、廃棄の必要性もなくなるのです。可燃性、臭気、気化性の高いアミン触媒の取り扱い、使用、密閉捕捉、中和、廃棄の必要がないことは、環境とエコロジーに新たなインセンティブを与えています。また、液体触媒を用いた PUNB は、コールドボックスに比べ耐湿性が優れている。

吹き込みノーベークの要領
バインダーがノーベークプロセスが普及はじめて以来、ノーベークバインダーを使用して中子と主型をブローすることが試みられてきました。 しかし、PUNB 用の高速触媒システムが開発されて初めて、品質と生産性の観点から実用化されました。
吹き込んだ混練砂が、均一に高い密度の中子を充填する必要があり、これは、余分な砂を使用した場合にのみ作成できることが発見されました。 したがって、吹き込みノーベークの混練砂で均一に充填するために必要かつ重要なのは、吹き込みが完了した後、ブローノズルの上にいくらかの余分な砂を残すことです。 もちろん、この残留砂は除去する必要がありますが、これはプロセスのマイナス面です。

吹き込みノーベークの技術
中子や主型の製造には、どのようなノーベーク砂でも、混練砂を金型に吹き込むことで使用できますが、ノーベークバインダーシステムは、触媒作用が強すぎると物性が著しく低下してしまいます。フェノールウレタン系は、過剰触媒にすると強度や耐湿性が多少低下するが、他のノーベーク系に比べると過剰触媒の影響はすくないです。
BNB 中子や主型の造型では、砂を 2 つの流れに分けてコーティングすることができます。一方はフェノールウレタン・バインダーシステムのパート I で、もう一方はパート II でコーティングされます。強力な硬化剤でコーティングされた砂の 2 つの流れは、特殊な高速ミキサーで一緒にされ、短時間混合された後、パターンに導入するためのブロータイプのマガジンに落とされます。砂の金型への導入は、ABC プロセスのようにプランジャーで補助することも、シンプルアドバンテージプロセスのように単にパターンに吹き込むことも、ローラメンディのブローバキュームアシスト/大気圧プロセスのように真空で補助することも可能です。
また、高速ターボ・ゼロリテンションミキサーを使用し、両方のバインダーで同時にコーティングすることも可能です。これは、Simple Advantage プロセスで利用されているコーティング技術です。
前述したように、中子や鋳型の充填性を均一にするためには、ブロー工程で過剰な砂を使用する必要がある。この砂はブローサイクルの終了時に除去されなければならない。

ノーベークとコールドボックスと他のプロセスを比較する
型の摩耗に関しては、プロセスが非常に低い吹き込み圧力を利用して鋳型の空間を充填するため、BNB コアブローが有利です。これは、ABC マシンのブローマガジンの砂が最初に流動化されるために可能になります。次に、重力、圧力、およびベント付きプランジャーメカニズムによって鋳型の空間に押し込まれます。 すべての BNB
中子吹込み装置がプランジャーを使用しているわけではないことに注意してください。 たとえば、Simple
Advantage マシンは、プランジャーレス設計を採用しています。
砂が型に少ししか侵入しないため、摩耗しやすい木型と、耐久性のあるアルミ合金型を使用できます。 古いボロ
ボロの型は、通常、高いコストをかけなければコールドボックスプロセスのガス硬化に使うことはできません。
BNB プロセスはガス抜きサイクルを必要としないため、綿密に配置された多数のベントが不要になり、硬化触媒ガスを捕捉して中和廃棄する必要もありません。
また、液状触媒を用いたフェノールウレタンのノーベークは、コールドボックスより耐湿性が優れています。

BNB の利点
BNB プロセスを使用すると、鋳造業者は、コーティングされた砂を木材、アルミ合金、またはその他の工具材料の単純な形状の型に吹き込むことで、中子と主型をすばやく製造できます。 液体タイプの触媒を利用してフェノール/ウレタンのノーベーク反応を高速に進めることにより、現在のすべての高生産な吹込みタイプのコールドボックスシステムに代わる、ユニークで用途の広い代替手段が提供されます。
BNB プロセスは、鋳造業界に最初に導入されたとき、小さな中子と主型に限定されていました。 その後、大型の機械は中子造型能力を 150 ポンド(68.0kg)に増やしました。 最終的に、革新的な鋳造エンジニアはブロー容量を 250 ポンド(113.4kg)に増やしました。 また、複数の吹込み手順を追加して、あらゆるサイズの中子と主型を製造できるようにしました。 したがって、サイズに関する実質的な制限は、型およびハンドリング装置の容量のみとなりました。 このマルチブロー機能は、同じマシンで小さな中子と大きな中子の両方を作る場合に特に便利です。
BNB プロセスの初期には、装置に関する砂のコーティングやミキシングの問題が多く発生しました。そのため、すぐに業界で広く受け入れられることはありませんでした。⻑年にわたり、装置は改良され、劇的に改善されてきました。より効率的なミキサー、より優れた制御装置、改良された中子と主型の取り扱い設計などが、最も注目すべき改善点である。
プロセスにまだ 1 つの厄介な問題は、中子全体で適切な密度が達成されるように、ブロー重量は常に中子型を満たすために必要な砂の実際の重量よりも大きくなければならないということです。 次に、余分な混練砂を、型の上部とブロー装置（残っている場合）から取り除く必要があります。
フェノールウレタン、フェノール/エステル、ケイ酸ソーダ/CO2 コールドボックスプロセスによるコールドボッ
クス中子や主型の製造に代わるものとして、ノーベーク中子吹込装置が徐々に、しかし継続的に出現している。

プロセスの違い
BNB システムは、特別に配合された触媒を除いて、標準的なフェノールウレタンノーベーク（PUNB）システム（このシリーズの第４部で前述）と同じです。化学成分や樹脂の取り扱い要件については、すべてのフェノールウレタンシステムが非常によく似ています。BNB、コールドボックス、標準的なノーベークの違いは、触媒と混練砂のプロセス使用にあります。コールドボックスタイプは、気化した触媒ガスと緩衝樹脂を使用し、可使時間を延ばすことができます。BNB のサイクルタイムはコールドボックスと同等かそれ以上であるが、一般に 1 サ
イクルあたり 1〜2 個の中子を吹き込むように設定されており（コールドボックスでは 10 個以上）、フェノールウレタン製のコールドボックス中子機に見られる高価な中子自動取出し装置を備えているものはほとんどない。
この 2 つのプロセスの最も顕著な類似点は、温度と特定の触媒への暴露に基づいて非常に速く、むしろ予測通りに反応するバインダーを使用して、均一で高密度の中子を迅速に作ることができるということである。コールドボックスプロセスと BNB プロセスの最大の違いは、型と付帯装置にあります。新しいコールドボックスプロセ
スの混練砂は、比較的高度で高価な中子型に吹き込まれます。通常は鉄製で、エジェクターピン、砂を導入するブローチューブ、硬化ガスの導入・分散・排気を可能にする理論的な位置にあるベントが設置されています。BNBの金型は通常、木製かアルミ合金製で、ベントはありません。

過去、現在と未来
かつて、多くの鋳物屋さんがノーベークの混練砂を吹込んでみたことがありました。しかし、この方法では必要な品質と生産性を確保できないことがわかりました。しかし、バインダー技術の向上、専用中子造型機、砂混錬の大幅な改善、革新的な中子処理装置により、初期の試験で見られた多くの欠点が改善されたのです。新しい装置、より優れた樹脂システム、そして環境への配慮により、ノーベークコーテッドサンドの吹込みプロセスは、クリーンで信頼性が高く、収益性の高い高品質の中子と主型の生産が可能なことを明らかにしました。

References
図 1−ASK 所有の図