JP2005193267A - 鋳型砂とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】焼成ボーキサイト等のAl2O3−SiO2系の耐火物原料を溶融させ、この溶融物に高圧空気などのガスを吹き付けて、微粒状に飛散させながら冷却固化する。これにより、Al2O3が70重量%以上でSiO2が20重量%以下の化学成分を有し、アルミナ結晶相を結晶構成の主要構成物とし、且つ30〜3000μmの粒度分布を有する溶融球状物を形成する。
【選択図】 なし
Description
しかしながら、Al2O3−SiO2系の原料にあっては、例えば、カオリン繊維(SiO2が52.3重量%)やボーキサイト繊維(SiO2が23重量%以上)のように、SiO2の含有量が高いと溶融体の粘性が高いため、高圧ガスの吹き付けで繊維状になりやすい。従って上記の従来技術の原料や合成ムライト(3Al2O3・2SiO2;化学成分はAl2O3が71.8重量%、SiO2が28.2重量%)の原料を溶融した場合も、SiO2の含有量が高いため、高圧ガスで飛散した溶融物は繊維状や楕円状の粒子になり易く、鋳型砂に適した球状粒子を容易に得ることができない問題がある。
即ち、本発明1は鋳型砂に関し、Al2O3が70重量%以上でSiO2が20重量%以下の化学成分を有し、アルミナ結晶相を結晶構成の主要構成物とする溶融球状物からなり、この溶融球状物が30〜3000μmの粒度分布を有することを特徴とする。
上記のアルミナ結晶相は、α−アルミナとγ−アルミナとからなるが、γ−アルミナに比べてα−アルミナは結晶構造が安定しているため、上記の溶融球状物は、結晶構成がα−アルミナを主要構成物とするとより好ましい。なお、γ−アルミナは1000℃以上に加熱することで、結晶構造をα−アルミナに変化させることができる。なお、この鋳型砂への加熱は、鋳型へ注湯する際の金属溶湯の保有熱で加熱するものであってもよく、この場合は、最初の鋳型砂にγ−アルミナが含まれていても、鋳造後に回収された鋳型砂はα−アルミナが多く含まれる状態になる。
なお、上記の溶融球状物には、アルミナ結晶相などの結晶構成の他に、Al−Si系の非晶質相が含まれる場合があるが、これらの非晶質相は加熱を受けることによりアルミナ結晶相へ転移して安定化し、より好ましくなる。
また、粘結剤の使用量が少ないので、鋳造後の鋳型の崩壊性が良好であり、回収時の残留物を少なくできる。しかも、砂粒子が球状であると同時に硬度が高く破砕性が低い。これらの結果、鋳型砂の回収効率を高くでき、再使用性に優れる。
さらに、砂粒子の硬度が高く破砕性が低いことから、粉塵の発生量を低減でき、作業環境を良好にできるうえ、産業廃棄物を少なくすることができる。
この鋳型砂製造装置(1)は、耐火物原料(2)を収容し溶融する溶解炉(3)と、耐火物原料(2)の溶融物(4)を飛散させるための高圧空気を吹出す高圧空気吹付け装置(5)と、飛散して冷却固化した溶融球状物(6)を捕集する捕集容器(7)とからなる。
また、この実施形態では、高圧空気で飛散された溶融物が大気中を移動する間に自然冷却するように構成してあるが、上記の鋳型砂製造装置(1)は、冷却水などを用いた強制冷却手段を備えていてもよい。
最初に、Al2O3−SiO2系の耐火物原料(2)が、例えば100mm以下等の適当なサイズレベルになるまで粉砕されて、上記の溶解炉(3)に収容される。
なお、本発明で使用する原料は、結晶水を除く化学成分が、Al2O3が70重量%以上でSiO2が20重量%以下に調製してあればよく、焼成ボーキサイトのほか、ボーキサイト、溶融アルミナ、焼結アルミナ、バンド頁岩、シャモット、熱焦宝石、焦宝石、仮焼フリントクレー、フリントクレー、カイヤナイト、シリマナイト、アンダルサイト、メタカオリン、カオリン等を、単独で、或いは所定の化学成分となるように複数種類を混合して用いることができる。
これにより、上記の溶融物(4)は風砕分散されて所定の粒度分布を持つ粒子となり、直ちに溶融粒子自体の表面張力によって球状化するとともに、大気中を移動する間に自然冷却され固化する。そして、所定の粒子径を有した溶融球状物(6)となって捕集容器(7)内に落下堆積し捕集される。
また、この実施形態では上記の高圧空気を水平方向から吹き付けたが、本発明ではこの高圧空気を、溶融物(4)の落下方向に沿ってシャワー状に広角に吹き付け、これにより溶融物を風砕分散して球状物とすることも可能である。
これに対し、上記の実施例1〜3では化学成分がいずれもAl2O3が70重量%以上でSiO2が20重量%以下であり、X線回折の分析結果によると、実施例3のようにSiO2が10重量%以下の場合には、結晶構成にムライトが含まれず、全てアルミナ結晶相が占めていた。また、実施例1と2においても、X線回折によるアルミナ結晶相(α−アルミナまたはγ−アルミナ)のメインピーク強度がムライト(3Al2O3・2SiO2)よりも高い値を示している。これらの結晶の単体でのメインピーク強度はほぼ等しいので、上記のメインピーク強度から判断して、これらの実施例においても結晶構成の主要構成物はアルミナ結晶相が占めていることが判る。そして、これらのアルミナ結晶相を主要構成物とする上記の各実施例では、いずれも高圧空気で飛散した溶融物が球状になり易く収率が97%以上と大幅に改善されており、特に、アルミナ結晶相のみからなる実施例3では、99%という極めて高い収率で鋳型砂を得ることができた。
なお、上記のγ−アルミナは、上記の溶融物に高圧空気を吹き付けて急速に冷却した結果発生したことが想定されるが、このγ−アルミナは1000℃以上の再加熱を行うとα−アルミナへ変態して安定化することが知られている。従って、本発明の溶融球状鋳型砂は、予め1000℃以上に加熱して結晶構成を全てα−アルミナにしたのち使用することが可能である。ただし、本発明の鋳型砂で鋳型を成型して鋳造に用いると、金属溶湯は1500℃以上の高温で鋳込まれるので、上記の加熱処理を施さない鋳型砂であっても、鋳造後の鋳型から鋳型砂を回収して再使用する場合は、必然的にγ−アルミナが減少し安定なα−アルミナが増加する。
嵩密度は従来のものに比べやや大きいが、鋳型砂としての使用に支障はない。なお、嵩密度が大きいのは、従来のものに比べてアルミナ成分が多いためと考えられる。
また、pH値は6〜8の中性領域を示しており、酸消費量も従来のものと同等であり、鋳型砂の特性値として全く支障は無かった。
これらの粘結剤としては、例えばフラン樹脂、フェノール樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、アルカリフェノール樹脂、ケイ酸ソーダ、ベントナイト、耐火粘土、コロイダルシリカ、エチルシリケート加水分解液等が挙げられる。
具体的にこの鋳型砂を、フラン鋳造法やアルカリフェノール鋳造法の肌砂に適用して鋳型を成型し、10〜30tの高Cr鋳鋼品を鋳造したところ、鋳物離れの良い美麗な鋳肌を持つ無欠陥の鋳物をつくることができた。
本発明の鋳型砂を使用して、フラン樹脂法により鋳型を成型した。フラン樹脂(花王クエーカー社製、340B)は鋳型砂100重量部に対し1.0重量部使用し、酸硬化剤(花王クエーカー社製、C−14)はフラン樹脂100重量部に対し50重量部使用した。また、成型時の気温は20℃で、湿度は60%であった。
得られた鋳型の経過時間毎の圧縮強さ及び充填密度を、従来の焼結法による鋳型砂を用いた鋳型と比較して測定した。その結果を表1に示す。
本発明の鋳型砂を使用し、アルカリフェノール樹脂法により鋳型を成型した。アルカリフェノール樹脂(神戸理化社製、商品名PHENIX 510A)は鋳型砂100重量部に対し2.0重量部使用し、有機エステル硬化剤(神戸理化社製、C−10)はアルカリフェノール樹脂100重量部に対し20重量部使用した。また、成型時の気温は20℃で、湿度は60%であった。
得られた鋳型の経過時間毎の圧縮強さ及び充填密度を、従来の焼結法による鋳型砂を用いた鋳型と比較して測定した。その結果を表2に示す。
本発明の鋳型砂を使用し、コールドボックス法により鋳型を成型した。バインダー(保土谷化学社製)の使用量は、パートI(308SR)、パートII(608TT)とも、それぞれ鋳型砂100重量部に対し0.5重量部とした。また、成型時の気温は20℃で、湿度は60%であった。
得られた鋳型の経過時間毎の抗折強度と充填密度を、従来の焼結法による鋳型砂を用いた鋳型と比較して測定した。その結果を表3に示す。
本発明の鋳型砂を使用し、フェノール樹脂法により鋳型を成型した。具体的には、鋳型砂を150℃に加熱した後、フェノール樹脂を鋳型砂100重量部に対し2.0重量部添加して混練し、105℃になったときに硬化剤(ヘキサメチレンテトラミン)を添加し、更に冷風を吹き込みながら混練した。その後、流動性を高めるためステアリン酸カルシウムを鋳型砂100重量部に対し0.05重量部添加してRCSを得た。なお、成型時の気温は20℃で、湿度は60%であった。
得られたRCSを用いて圧縮強度を、従来の焼結法による鋳型砂を用いた場合と比較して測定した。その結果を表4に示す。
本発明の鋳型砂を使用し、アルカリフェノール樹脂法により熱膨張率測定用の試験片を作製した。具体的には、アルカリフェノール樹脂(花王クエーカー社製、S661K)を鋳型砂100重量部に対し1.2重量部使用し、有機エステル硬化剤(花王クエーカー社製、QX140)をアルカリフェノール樹脂100重量部に対し25重量部使用して、直径50mm×高さ50mmの試験片を作製した。成型時の気温は20℃で、湿度は60%であった。
上記の試験片を放置し硬化させた後、直示式熱膨張計にセットし、1000℃に保持した電気炉内で急熱した時の熱膨張率を、従来技術の鋳型砂、クロマイトサンド及びフラタリー珪砂(輸入珪砂)と比較して測定した。その結果を表5に示す。
本発明の鋳型砂を使用してアルカリフェノール樹脂法により鋳型を成型し、市販の砂再生機を使用して再生砂を得た。さらにこれらの操作を3回繰り返して鋳型を成型し、24時間放置後の圧縮強度を測定した。なお、アルカリフェノール樹脂は鋳型砂100重量部に対し1.6重量部使用し、硬化剤は樹脂100重量部に対し25重量部使用した。成型時の気温は20℃で、湿度は60%であった。
得られた鋳型の圧縮強度を、従来技術による鋳型砂を用いた鋳型と比較して測定した。その結果を表6に示す。
6…溶融球状物
Claims (7)
- Al2O3が70重量%以上でSiO2が20重量%以下の化学成分を有し、アルミナ結晶相を結晶構成の主要構成物とする溶融球状物からなり、この溶融球状物が30〜3000μmの粒度分布を有することを特徴とする、鋳型砂。
- 上記の溶融球状物の化学成分のうち、SiO2が10重量%以下である、請求項1に記載の鋳型砂。
- 上記の溶融球状物の結晶構成がα−アルミナを主要構成物とする、請求項1または請求項2に記載の鋳型砂。
- フラン樹脂、フェノール樹脂、オイルウレタン樹脂、フェノールウレタン樹脂、アルカリフェノール樹脂、珪酸ソーダ、ベントナイト、耐火粘土、コロイダルシリカ、及びエチルシリケート加水分解液から選択される粘結剤を含む、請求項1から3のいずれか1項に記載の鋳型砂。
- Al2O3−SiO2系の耐火物原料を溶融させ、この溶融物に高圧ガスを吹き付けて微粒状に飛散させながら冷却固化することで、Al2O3が70重量%以上でSiO2が20重量%以下の化学成分を有し、アルミナ結晶相を結晶構成の主要構成物とし、且つ30〜3000μmの粒度分布を有する溶融球状物を形成することを特徴とする、鋳型砂の製造方法。
- 上記の耐火物原料が、焼成ボーキサイト、ボーキサイト、溶融アルミナ、焼結アルミナ、バンド頁岩、シャモット、熱焦宝石、焦宝石、仮焼フリントクレー、フリントクレー、カイヤナイト、シリマナイト、アンダルサイト、メタカオリン、及びカオリンから選ばれた1種又は2種以上の混合体である、請求項5に記載の鋳型砂の製造方法。
- 上記の溶融球状物を1000℃以上に加熱することで、この溶融球状物の結晶構成の主要構成物をα−アルミナにする、請求項5または請求項6に記載の鋳型砂の製造方法。
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