Array ( [harmful] => 0 [next] => Array ( [id] => A,2013-22630 [meishou] => 湯口装置 ) [prev] => Array ( [id] => A,2013-22628 [meishou] => 金属接合体の製造方法及び金属接合体 ) ) 鋳物砂の再利用方法

鋳物砂の再利用方法

【課題】ベントナイトを含む使用済み鋳物砂を、新たな生砂型の造形に再利用するための簡便な方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬し、該混錬物を用いて生砂型を造形する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、鋳物砂を再利用するための技術に関し、特に鋳物砂に含まれるベントナイトを再活性化させる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
代表的な鋳物用砂型として、自硬性砂型と生砂型とが挙げられる。自硬性砂型は、乾燥させた砂に粘結剤を加えたものを用いて造形したあと硬化処理することによって硬化する砂型である。一方、生砂型は乾燥させていない砂にベントナイトと石炭粉を加えて水で練ったものを用いて造形したものである。
【0003】
ベントナイトは層状ケイ酸塩鉱物であるモンモリロナイトを主成分とした鉱物であり、モンモリロナイトの結晶粒子は大きさで約0.2μm、厚さで約10Åである。ベントナイト中のモンモリロナイトは、この結晶間に介在している陽イオンが水和することにより膨潤され、そこに剪断力を加えることにより結晶がバラバラになり粘土質に変化する。生砂型の強度は、粘土質になったベントナイトと石炭粉とが石英である砂粒を被覆し、その被覆膜が個々の砂粒を粘結させることにより生じるものである。
【0004】
鋳造時、鋳型には1500℃以上の溶湯が入れられるため、鋳型の溶湯と接触する部分は高温に曝されることとなる。生砂がそのような高温に曝された場合、ベントナイト中の水分が蒸発すると共に、結晶構造がダメージを受けてしまう。そのため、一度鋳型に使用した生砂は、水分を加えて再利用しようとしても上手く水分が浸透せず、再生砂を用いて造形した鋳型は強度が低くなるという問題がある。従って、そのようなダメージを受けたベントナイトは、何らかの手段により水分を含ませて再活性化させる(本来の粘性を有する状態にする)必要がある。
【0005】
鋳物砂の再生に関する技術としては、例えば特許文献1および2に記載されているようなものが知られている。特許文献1および2には、自硬性鋳型に使用した砂を再利用して造形した鋳型の強度を向上させるための粘結剤組成物が開示されている。しかし、特にベントナイトの劣化の問題に着目した、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生方法はこれまで知られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開平8−215788号公報
【特許文献2】特開平5−23781号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂、例えば注湯後の生砂型を型ばらしした際に得られる使用済み鋳物砂を、新たな生砂型の造形に再利用するための簡便な方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは上述したような問題を検討した結果、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂は、特定の添加物を加えた水を加えて混錬することで、水分が速やかに浸透してベントナイトが再活性化し、新たな生砂型の造形に用いても十分な強度が得られることを見出した。本発明の要旨は以下のとおりである。
(1)ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬し、該混錬物を用いて生砂型を造形することを含む、鋳物砂の再利用方法。
(2)添加剤が、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択され、添加剤の水中濃度が0.3質量%以上である、(1)に記載の方法。
(3)添加剤が、アニオン系界面活性剤、またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物である、(2)に記載の方法。
(4)アニオン系界面活性剤が酸性リン酸エステルもしくはその塩、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩またはα−オレフィンスルホン酸塩であり、キレート剤がポリカルボン酸塩である、(3)に記載の方法。
(5)添加物が、アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択され、添加物の水中濃度が15質量%以上である、(1)に記載の方法。
(6)ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加剤を水中に0.3質量%以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。
(7)アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加物を水中に15質量%以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、簡便な方法でベントナイトを含む使用済み鋳物砂を生砂型の造形に再利用できるようになる。従って、本発明は生砂型を用いた鋳造工程のコストダウンに貢献する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】添加剤(モノブチルリン酸ナトリウムとジブチルリン酸ナトリウムの同量混合物)の濃度を様々に変えて、混錬回数(90秒/回)と抗圧力の関係を調べた結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明は、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再利用方法に関する。本明細書において「使用済み鋳物砂」とは、少なくとも一度、鋳物用砂型の造形に用いられ、注湯後に型ばらしした際に回収される鋳物砂を意味する。本発明が対象とする使用済み鋳物砂は、ベントナイト(注湯時の熱により変性したベントナイトを含む)を含むものであれば、生砂型に用いたものであっても、自硬性砂型に用いたものであっても、あるいはその他の鋳物用砂型に用いたものであっても構わない。しかしながら、生砂型に用いた使用済み鋳物砂であれば、含有成分などの観点から、それを再利用して新たな生砂型を造形するのに好都合である。生砂型に用いた使用済み鋳物砂は、通常、主に石英からなる砂と、石炭粉と、ベントナイトとを含み、自硬性砂型の造形に用いるような合成樹脂などからなる粘結剤は含まないものである。
【0012】
本発明で再利用する使用済み鋳物砂は、型ばらしの際に回収した後、特に分別などすることなく、添加物を含む水を加えて混錬する工程に付してよい。分別などの工程を省くことにより、鋳物砂の再利用にかかるコストを抑えることができる。ただし、必要に応じて金属類を分離する工程や、不純物などを洗浄する工程に付してもよい。
【0013】
本発明の使用済み鋳物砂の再利用方法は、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬することを特徴とする。
【0014】
ノニオン系界面活性剤としては、例えばポリオキシアルキレンアルキルエーテル(AE)、ポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテル(APE)、アルキルグルコシド(AG)、ポリオキシアルキレン脂肪酸エステル、ショ糖脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル、ポリオキシアルキレンソルビタン脂肪酸エステル、脂肪酸アルカノールアミドなどが挙げられる。これらのノニオン系界面活性剤におけるポリオキシアルキレン部分は、オキシエチレン単位および/またはオキシプロピレン単位からなることが好ましく、その繰り返し単位数は5〜30モルであることが好ましい。また、上記のノニオン系界面活性剤に含まれる炭素鎖の炭素原子数は8〜24、特に10〜16であることが好ましい。これらのノニオン系界面活性剤のうち、特に好ましいものはポリオキシアルキレンアルキルエーテルであり、中でも炭素数10〜16の脂肪族アルコールのエチレンオキサイド7〜20モル付加物である。
【0015】
アニオン系界面活性剤としては、例えばモノアルキルリン酸エステル塩(MAP)を含む酸性リン酸エステルおよびその塩、アルキル硫酸エステル塩(AS)、アルキルエーテル硫酸エステル塩(AES)、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩(LAS)、アルカンスルホン酸塩(SAS)、ジアルキルスルホコハク酸塩、α−オレフィンスルホン酸塩(AOS)、高級脂肪酸塩(石鹸)などが挙げられる。ここで、上記のアニオン系界面活性剤に含まれる炭素鎖の炭素原子数は、酸性リン酸エステルおよびその塩の場合には1〜4個であることが好ましく、その以外のアニオン系界面活性剤の場合には8〜24個であることが好ましい。これらのアニオン系界面活性剤のうち、特に好ましいものは酸性リン酸エステルおよびその塩、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩、ならびにα−オレフィンスルホン酸塩であり、中でもメチルリン酸およびその塩、エチルリン酸およびその塩、ドデシルベンゼンスルホン酸塩、炭素鎖の炭素数が8〜18のα−オレフィンスルホン酸塩である。
【0016】
キレート剤としては、例えばエチレンジアミン四酢酸(EDTA)、ヒドロキシエチルエチレンジアミン三酢酸(HEDTA)、ジヒドロキシエチルエチレンジアミン二酢酸(DHEDDA)、1,3−プロパンジアミン四酢酸(1,3PDTA)、ジエチレントリアミン五酢酸(DTPA)、トリエチレンテトラミン六酢酸(TTHA)、ニトリロ三酢酸(NTA)、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸(HIMDA)、L−アスパラギン酸−N,N−二酢酸(ASDA)およびそれらの塩などのポリカルボン酸系キレート剤、アミノトリメチレンホスホン酸(NTMP)、ヒドロキシエタンホスホン酸(HEDP)などのホスホン酸およびそれらの塩などのホスホン酸系キレート剤、ならびにグルコン酸などのその他のキレート剤が挙げられる。これらのキレート剤のうち、特に好ましいものはポリカルボン酸系キレート剤であり、中でもEDTA、DTPAおよびそれらの塩である。
【0017】
アルコールとしては、直鎖または分岐鎖の炭素数1〜12のアルコール、例えばメタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、sec−ブタノール、イソブタノール、t−ブタノール、1−ペンタノール、1−ヘキサノールなどが挙げられる。これらのアルコールの中でも、特にエタノールおよびイソプロパノールが好ましい。
【0018】
ケトンとしては、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどが挙げられる。これらのケトンの中でも、特にアセトンが好ましい。
【0019】
添加剤としてノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、またはそれらの2種以上の組み合わせを用いる場合、添加剤の水中濃度は0.3質量%以上、さらに0.5質量%、特に1.5質量%以上、とりわけ3.0質量%以上とすることが好ましい。添加剤が上記のものである場合、このような濃度であれば使用済み鋳物砂に含まれるベントナイトへの水の浸透性を十分向上させることができる。なお、これらの添加剤は過剰に加えても、コスト高の原因となったり、臭気による作業環境が悪化したりすることが懸念されるため、添加剤の水中濃度は10質量%以下、特に7.5質量%以下、とりわけ5.0質量%以下とすることがより好ましい。
【0020】
添加剤としてアルコール、ケトン、またはそれらの2種以上の組み合わせを用いる場合、添加剤の水中濃度は15質量%以上、特に17.5質量%以上、とりわけ19質量%以上とすることが好ましい。また、これらの添加剤の水中濃度は、25質量%以下、特に22.5質量%以下、とりわけ21質量%以下とすることが好ましい。
【0021】
添加剤としては、アニオン系界面活性剤、またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物が特に好ましく、アニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物がとりわけ好ましい。添加剤をアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物とする場合、その混合比は質量比で30:70〜70:30、特に40:60〜60:40、とりわけ50:50とするのが好ましい。アニオン系界面活性剤とキレート剤との組み合わせは、例えば酸性リン酸エステル(特にメチルリン酸、エチルリン酸)またはその塩とポリカルボン酸系キレート剤(特にEDTA、DTPAおよびそれらの塩)の組み合わせとするのが好ましい。なお、添加剤を含む水のpHは9以上、特に9〜12であることが好ましい。
【0022】
使用済み鋳物砂に添加剤を含む水を加えて混錬する際には、注湯や型ばらしの過程において損失した分の未使用の鋳物砂をさらに加えてもよい。また、未使用の鋳物砂以外にも、必要に応じて他の添加物を追加してもよい。
【0023】
使用済み鋳物砂の混錬、および得られた混錬物を用いた生砂型の造形は、当業者に公知の従来の方法を利用することができる。添加剤を含む水の、鋳物砂中のベントナイトに対する比率は、質量比で15:100〜400:100の範囲とするのが好ましい。本発明の方法により製造した使用済み鋳物砂を再利用した生砂型は、十分な強度を有し、全て未使用の鋳物砂を用いて造形した生砂型と同様に通常の鋳造工程で用いることができる。
【0024】
本発明はさらに、上述した方法に用いる使用済み鋳物砂の再生用組成物に関する。本発明の組成物は、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加剤を水中に0.3質量%以上の濃度で含むものであるか、あるいはアルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加物を水中に15質量%以上の濃度で含むものである。添加剤およびその水中濃度については、上述のとおりである。
【0025】
本発明の組成物はまた、鋳物砂以外の技術分野において、高熱などにより結晶構造がダメージを受けたベントナイトまたはモンモリロナイトに水分を与えて再活性化する用途にも用いることができる。本発明の組成物は、例えば化粧品分野、止水分野、土木分野、農薬加工分野などで用いられるベントナイトまたはモンモリロナイトの再活性化に利用することができる。
【実施例】
【0026】
以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0027】
1.ベントナイトへの水浸透性および混錬性に関する基礎試験
(1)水浸透性試験
ベントナイト12gに、各種添加剤を約3.5質量%の濃度で含む水溶液2gを添加し、30秒後の濡れ性を目視で判断した。判断基準は次のとおりである。5:100%浸透、4:75%程度浸透、3:50%程度浸透、2:25%程度浸透、1:ほとんど浸透なし。
【0028】
(2)混錬性試験
ベントナイト12gに、各種添加剤を約3.5質量%の濃度で含む水溶液12gを添加し、30秒間手で混錬した後の形状を目視で判断した。判断基準は次のとおりである。5:ダンゴ状、4:ダンゴ状〜スラリー状、3:スラリー状、2:スラリー状〜粘液状、1:粘液状。
【0029】
(3)結果
水浸透性試験および混錬性試験の結果を表1にまとめた。
【0030】
【表1】

【0031】
添加剤を含まない水を用いた場合、混錬後のまとまり性には優れていたものの、混錬しない状態では加えた水はほとんど浸透しなかった。一方、添加物としてノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、無機塩基、無機酸、または無機塩を水に加えた場合、水の浸透性が向上した。水浸透性向上作用と、混錬後のまとまり性とのバランスを考慮すると、添加剤としてはアニオン系界面活性剤またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物が優れており、アニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物が最も優れていると判断された。
【0032】
3.5質量%の添加量では好ましい結果が得られなかったエタノール、イソプロパノールおよびアセトンについて、添加量を20質量%に増やして上記(1)および(2)と同様に試験を行った。その結果を表2にまとめた。エタノール、イソプロパノールおよびアセトンについては、水への添加量を増やすことで、水浸透性および混錬後のまとまり性を向上させる添加剤となり得ることがわかった。
【0033】
【表2】

【0034】
2.抗圧力試験−1
使用済みの砂800gに、仮定損失分を補填する未使用の砂183.2g、ベントナイト12.8g、水41.5gを加えて、ホバートミキサー混錬機を用いて400rpmで混錬した(対照)。試験例1では、水の代わりに、メチルリン酸ナトリウム(モノメチルリン酸ナトリウムとジメチルリン酸ナトリウムの同量混合物)の3.5質量%水溶液を41.5g添加した。試験例2では、水の代わりに、メチルリン酸ナトリウム(モノメチルリン酸ナトリウムとジメチルリン酸ナトリウムの同量混合物)とジエチレントリアミン五酢酸五ナトリウム(DTPA・5Na)を50:50の質量比で配合したものを3.5質量%含む水溶液を41.5g添加した。
【0035】
得られた再生砂混合物を用いて試験片を作成し、JIS Z 2601「鋳物砂の試験方法」に従って抗圧力試験を行った。標準試験片を作成し、これを圧縮試験機に取り付けて所定の荷重速度で圧縮し、破壊したときの荷重を試験片の断面積で除した値を求めた。混錬時間と抗圧力の関係を表3にまとめた。
【0036】
【表3】

【0037】
水のみを用いた対照では、ある程度の混錬時間をかけなければ満足な強度が得られなかった。一方、メチルリン酸ナトリウム、またはメチルリン酸ナトリウムとDTPA・5Naを加えた試験例1および2では、同じ混錬時間であっても対照と比較して強度が高くなった。特に試験例2では、短時間の混錬で高い強度が得られた。
【0038】
3.抗圧力試験−2
アジテータータイプ混錬機を用いて2160rpmで攪拌した以外は上記2と同様にして再生砂混合物を調製した。添加剤(モノブチルリン酸ナトリウムとジブチルリン酸ナトリウムの同量混合物)の濃度を様々に変えて、混錬回数(90秒/回)と抗圧力の関係を調べた。その結果を図1のグラフに示す。
【0039】
グラフ中、破線は水のみを用いて混錬した場合の抗圧力の変化(混錬回数2回、10回および20回の結果から想定されるもの)を示す。添加剤を含まない水のみの場合、混錬に時間をかければ高い抗圧力を得ることは可能であるが、逆にいえば、混錬に時間をかけなければ抗圧力を高めることができない。一方、添加剤を含む水を用いた場合、少ない混錬回数でも抗圧力がすぐに向上することがわかる。これは、添加剤により水の浸透速度が向上した効果と考えられる。なお、添加剤の濃度が高くなるほど抗圧力が低くなる傾向がみられるが、必要とされる抗圧力は製造する鋳物の形状などに依存するものであるため、添加剤の濃度は、水の浸透速度と抗圧力のバランスを考慮して適宜設定すればよい。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
ベントナイトを含む使用済み鋳物砂に、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加剤を含む水を加えて混錬し、該混錬物を用いて生砂型を造形することを含む、鋳物砂の再利用方法。
【請求項2】
添加剤が、ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択され、添加剤の水中濃度が0.3質量%以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
添加剤が、アニオン系界面活性剤、またはアニオン系界面活性剤とキレート剤の混合物である、請求項2に記載の方法。
【請求項4】
アニオン系界面活性剤が酸性リン酸エステルもしくはその塩、直鎖アルキルベンゼンスルホン酸塩またはα−オレフィンスルホン酸塩であり、キレート剤がポリカルボン酸系キレート剤である、請求項3に記載の方法。
【請求項5】
添加物が、アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択され、添加物の水中濃度が15質量%以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項6】
ノニオン系界面活性剤、アニオン系界面活性剤、キレート剤、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加剤を水中に0.3質量%以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。
【請求項7】
アルコール、ケトン、およびそれらの2種以上の組み合わせから選択される添加物を水中に15質量%以上の濃度で含む、ベントナイトを含む使用済み鋳物砂の再生用組成物。

【図1】
image rotate