JP7247856B2 - 発泡砂の製造方法、及び発泡砂製造装置 - Google Patents

Description

本発明は発泡砂の製造方法、及び発泡砂製造装置に関する。

鋳造部品の内部に中空部を形成するために中子が用いられる。中子は、原料である発泡砂を金型に充填して成形することで製造される。

特許文献１には、砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を混練して発泡砂を製造する発泡砂の製造方法が開示されている。

特開２０１７－８７２４７号公報

発泡砂を製造する際は、原料として砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を用いる。砂としては、中子を再利用処理することで生成された再生砂を用いることができる。

しかしながら、再生砂には水ガラスが残留しているため、製造時に再生砂から水ガラスが溶出する。このため、発泡砂を製造する際に所定量の原料を投入したとしても、再生砂から溶出した水ガラスの量だけ水ガラスの量が過剰になってしまい、適切に発泡砂を製造することができないという問題があった。

上記課題に鑑み本発明の目的は、再生砂を用いた場合であっても、適切に発泡砂を製造することが可能な発泡砂の製造方法、及び発泡砂製造装置を提供することである。

本発明の一態様にかかる発泡砂の製造方法は、混練された発泡砂を所定期間放置した後、当該放置後の発泡砂に、新たに砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を投入して混練することで発泡砂を製造する発泡砂の製造方法であって、前記放置後の発泡砂に投入される水ガラスの量は、前記新たに投入される砂の量に基づいて決定された規定量から、前記所定期間放置された発泡砂に含まれる再生砂から溶出される水ガラスの量を差し引いた量であることを特徴としている。

本発明の一態様にかかる発泡砂製造装置は、砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を含む原料を収容可能な収容部と、前記原料を前記収容部に投入する原料投入部と、前記収容部に収容されている前記原料を混練する混練部と、前記原料投入部から前記収容部に投入する原料の量を算出する投入量算出部と、を備える。そして、混練して生成された発泡砂を前記収容部において所定期間放置した後、当該放置後の発泡砂に、前記原料投入部から新たに砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を投入し、前記混練部で混練して発泡砂を製造する際に、前記投入量算出部は、前記新たに投入される砂の量に基づいて決定された規定量から、前記所定期間放置された発泡砂に含まれる再生砂から溶出される水ガラスの量を差し引いて、前記放置後の発泡砂に投入される水ガラスの量を算出することを特徴としている。

上述の本発明では、放置後の発泡砂に新たに原料を投入して発泡砂を製造する際、放置後の発泡砂に投入される水ガラスの量を、新たに投入される砂の量に基づいて決定された規定量から、所定期間放置された発泡砂に含まれる再生砂から溶出される水ガラスの量を差し引いた量としている。すなわち、本発明では、再生砂から溶出される水ガラスの量を考慮して、新たに投入される水ガラスの量を算出しているので、投入する水ガラスの量を適切な量とすることができる。したがって、発泡砂を適切に製造することができる。

本発明により、再生砂を用いた場合であっても、適切に発泡砂を製造することが可能な発泡砂の製造方法、及び発泡砂製造装置を提供することができる。

実施の形態にかかる発泡砂製造装置を説明するための図である。 実施の形態にかかる発泡砂の製造方法を説明するための図である。 投入量算出部の具体的な構成を示すブロック図である。 発泡砂の放置時間と水ガラスの溶出量との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態にかかる発泡砂製造装置を説明するための図である。図１に示すように、発泡砂製造装置１は、収容部１０、投入量算出部１５、原料投入部１６、及び混練部１７を備える。

本実施の形態にかかる発泡砂製造装置１は、収容部１０の底部に、発泡砂１２を排出するための排出口１１が形成されている。つまり、本実施の形態にかかる発泡砂製造装置１は、排出口１１から発泡砂１２を排出して金型２１（図２参照）に発泡砂を充填可能に構成されている。なお、図１に示す構成は一例であり、本実施の形態にかかる発泡砂製造装置は、収容部１０の底部に排出口１１を備えない構成であってもよい。つまり、発泡砂製造装置と発泡砂の充填装置とを別々に設けた構成としてもよい。

図１に示す収容部１０は、発泡砂１２の原料を収容可能に構成されている。収容部１０は、例えば内部に空洞を有する構造体であり、ステンレス等の金属材料を用いて構成することができる。また、本実施の形態において、収容部１０は、発泡砂１２を金型２１に充填する際に、シリンダとしても機能する。すなわち、図２の充填工程に示すように、収容部１０内をピストン１３が下方向に移動することで、収容部１０の底部の排出口１１から発泡砂１２が排出されて、金型２１のキャビティ２２に発泡砂２４が充填される。

発泡砂１２の原料は、砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を含む。

砂には、再生砂が含まれている。再生砂は、水ガラスを含有する鋳造用中子から生成（再生）される。再生砂（砂）としては、珪砂やジルコンサンド等の天然砂、または、ムライトやコランダム等を主成分とする人工砂を用いることができる。

水ガラス（Ｎａ_２Ｏ・ｎＳｉＯ_２・ｍＨ_２Ｏ）は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）と、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）と水（Ｈ_２Ｏ）とを含む混合物である。なお、水ガラスを構成するこれらの材料の割合（モル比）は、発泡砂１２を形成できるのであれば、特に限定されることはない。

界面活性剤には、例えばアニオン界面活性剤を用いることができる。例えば、硫酸塩系のアニオン界面活性剤を用いることが好ましい。なお、これらの界面活性剤は一例であり、発泡砂１２を形成できるのであれば、界面活性剤の種類は特に限定されることはない。

図１に示す投入量算出部１５は、収容部１０に投入する原料の量を算出する。投入量算出部１５は、演算手段を用いて構成することができる。例えば、投入量算出部１５は、発泡砂製造装置１を制御する制御部（不図示）に含まれていてもよい。投入量算出部１５の詳細については後述する。

原料投入部１６は、発泡砂１２の原料を収容部１０に投入する。具体的には、原料投入部１６は、投入量算出部１５で算出された砂（再生砂）、水ガラス、水、及び界面活性剤の投入量に応じた原料５０を、収容部１０に投入する。例えば、原料投入部１６は、各々の原料５０を秤量する手段を備えていてもよい。

混練部１７は、収容部１０に収容されている原料を混練する。混練部１７は、撹拌子１８と軸体１９とを備えており、軸体１９が回転することで撹拌子１８が回転する。これにより収容部１０内において撹拌子１８が回転して原料が混練される。混練部１７は、制御部（不図示）を用いて制御される。なお、図１では混練部１７の撹拌子１８を網目状の構造体で構成した場合を示したが、本実施の形態では混練部１７の形状はこれ以外の形状としてもよい。

次に、本実施の形態にかかる発泡砂の製造方法について説明する。図２は、本実施の形態にかかる発泡砂の製造方法を説明するための図であり、中子製造工程の全体を説明するための図である。図２に示す製造工程では、充填工程（Ｓ１）、原料投入工程（Ｓ２）、及び混練工程（Ｓ３）を図示しており、これらの工程（Ｓ１～Ｓ３）を繰り返すことで、中子の原料である発泡砂の製造と、中子の製造とを繰り返し実施することができる。

まず、発泡砂１２の原料である、砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を収容部１０に投入し、これらの原料を混練部１７を用いて混練して予め発泡砂１２を製造する。

その後、図２の充填工程（Ｓ１）に示すように、金型２１（中子を製造するための金型）の上に収容部１０を配置し、金型２１の投入口２３に収容部１０の排出口１１を連結させる。そして、収容部１０の内部にピストン１３を配置し、ピストン駆動装置１４を用いてピストン１３を下方向に移動させる。これにより、収容部１０の内部の発泡砂１２が収容部１０の底部の排出口１１から排出されて、金型２１のキャビティ２２に発泡砂２４が充填される。金型２１のキャビティ２２に充填された発泡砂は、符号２４で示している。

発泡砂２４が充填された金型２１は、その後、加熱工程などを経ることで中子が製造される。なお、中子製造工程については、一般的な製造工程を用いることができるので詳細な説明は省略する。

次に、収容部１０を金型２１から分離する。そして、図２の原料投入工程（Ｓ２）に示すように、収容部１０に残っている発泡砂１２に、新たに原料５０（つまり、砂、水ガラス、水、及び界面活性剤）を投入する。収容部１０に投入されるこれらの原料５０の量は、投入量算出部１５において算出される。原料投入部１６は、投入量算出部１５において算出された量の原料５０を収容部１０に投入する。例えば、収容部１０には、金型２１に充填された発泡砂２４（金型２１に複数回発泡砂が充填された場合は、トータルの発泡砂の量）と同量の発泡砂１２を製造するのに必要な量の原料５０が新たに投入される。

その後、図２の混練工程（Ｓ３）に示すように、収容部１０の内部に混練部１７（撹拌子１８）を配置する。そして、混練部１７（撹拌子１８）を回転させて原料を混練することで発泡砂１２を製造する。

その後、充填工程（Ｓ１）において、再び金型２１の上に収容部１０を配置し、金型２１のキャビティ２２に発泡砂２４を充填する。このような工程（Ｓ１～Ｓ３）を繰り返すことで、中子の原料である発泡砂の製造と、中子の製造とを繰り返し実施することができる。

ここで、図２に示す一連の工程（Ｓ１～Ｓ３）を長時間停止する場合は、原料投入工程（Ｓ２）の直前で設備を停止する。しかしながら、残留している発泡砂１２の原料には再生砂が用いられており、また、再生砂には水ガラスが残留しているため、原料投入工程（Ｓ２）の直前で設備を停止した場合は、残留している発泡砂１２に含まれている再生砂から水ガラスが溶出する場合がある。すなわち、再生砂には水ガラスが残留しているが、この残留している水ガラスのうち、再生砂から溶出した水ガラスが新たに水ガラスとして機能を発揮するようになる。

このため、設備の稼働を再開し、原料投入工程（Ｓ２）で所定量の原料を投入したとしても、再生砂から溶出した水ガラスの量だけ水ガラスの量が過剰になってしまい、適切に発泡砂を製造することができないという問題があった。

具体的には、水ガラスの量が過剰になると、発泡砂のｐＨ値が高くなり、これにより界面活性剤の発泡能力が低下する。このように界面活性剤の発泡能力が低下すると、発泡砂中の気泡率が低下し、その結果、製造される発泡砂の動粘度が所定の目標値からずれてしまい、発泡砂の金型への充填性が悪化するという問題があった。

このような問題を解決するために、本実施の形態では、混練された発泡砂を収容部１０において所定期間放置した後、設備の稼働を再開して、原料投入工程（Ｓ２）において原料を投入する際に、次のようにしている。すなわち、放置後の発泡砂に投入される水ガラスの量は、新たに投入される砂の量に基づいて決定された規定量から、所定期間放置された発泡砂（残留していた発泡砂）に含まれる再生砂から溶出される水ガラスの量を差し引いた量としている。

つまり、投入量算出部１５は、新たに投入される砂の量に基づいて決定された水ガラスの規定量（ｂ）から、所定期間放置された発泡砂（残留していた発泡砂）に含まれる再生砂から溶出される水ガラスの量（ａ）を差し引いて、放置後の発泡砂に投入される水ガラスの量（ｂ－ａ）を算出している。

したがって、設備の稼働を再開した際に投入される水ガラスの量（つまり、原料投入工程（Ｓ２）で投入される水ガラスの量）を適切な量とすることができるので、発泡砂を適切に製造することができる。

また、水ガラスの量が過剰になることを抑制することができるので、製造される発泡砂の動粘度が所定の目標値からずれてしまうことを抑制することができる。したがって、発泡砂の金型への充填性を良好にすることができる。

例えば、再生砂から溶出される水ガラスの量は、予め実験的に求めたデータ（グラフ）を用いて算出してもよい。具体的には、図４に示すように、発泡砂の放置時間に対する水ガラスの溶出量を予め実験的に求めておく。ここで、「水ガラスの溶出量」は、「単位体積当たりの発泡砂から溶出する水ガラスの溶出量」であってもよく、また、「単位重量当たりの発泡砂から溶出する水ガラスの溶出量」であってもよい。

また、発泡砂を放置した時間（所定期間）を計測しておく。また、放置された発泡砂に含まれる再生砂の量を予め求めておく。そして、図４に示すデータ（グラフ）と、発泡砂の放置時間と、放置された発泡砂に含まれる再生砂の量を用いることで、再生砂から溶出される水ガラスの量を算出することができる。

再生砂から溶出される水ガラスの量は、投入量算出部１５において算出してもよい。図３は、投入量算出部１５の具体的な構成を示すブロック図である。図３に示すように、投入量算出部１５は、砂投入量算出部３１、水ガラス投入量算出部３２、水投入量算出部３３、界面活性剤投入量算出部３４、放置時間算出部３５、及び水ガラス溶出量算出部３６を備える。

砂投入量算出部３１は、図２に示した原料投入工程（Ｓ２）において新たに投入する砂の量を算出する。例えば、砂投入量算出部３１は、前工程で金型２１に充填された発泡砂２４（金型２１に複数回発泡砂を充填された場合は、トータルの発泡砂の量）と同量の発泡砂１２を製造するのに必要な砂の量を算出する。

放置時間算出部３５は、収容部１０に残っている発泡砂１２が放置された時間を算出する。例えば、放置時間算出部３５は、タイマーを用いて発泡砂１２の放置時間を算出（計測）することができる。

水ガラス溶出量算出部３６は、所定期間放置された発泡砂に含まれる再生砂から溶出された水ガラスの量を算出する。例えば、水ガラス溶出量算出部３６には、予め実験的に求めた発泡砂の放置時間に対する水ガラスの溶出量に関するデータ（図４参照）が格納されている。そして、水ガラス溶出量算出部３６は、発泡砂の放置時間に対する水ガラスの溶出量に関するデータと、放置時間算出部３５で算出された発泡砂１２の放置時間と、放置された発泡砂に含まれる再生砂の量と、を用いることで、再生砂から溶出される水ガラスの量（ａ）を算出することができる。

水ガラス投入量算出部３２は、砂投入量算出部３１で算出された新たに投入される砂の量に基づいて、水ガラスの規定量（ｂ）を算出する。そして、水ガラス投入量算出部３２は、算出された水ガラスの規定量（ｂ）から、水ガラス溶出量算出部３６で算出された水ガラス溶出量（ａ）を差し引いて、水ガラス投入量（ｂ－ａ）を算出する。

水投入量算出部３３は、砂投入量算出部３１で算出された新たに投入される砂の量に基づいて、水の投入量を算出する。界面活性剤投入量算出部３４は、砂投入量算出部３１で算出された新たに投入される砂の量に基づいて、界面活性剤の投入量を算出する。

砂投入量算出部３１で算出された砂投入量、水ガラス投入量算出部３２で算出された水ガラス投入量、水投入量算出部３３で算出された水投入量、及び界面活性剤投入量算出部３４で算出された界面活性剤投入量の各々の情報は、原料投入部１６に供給される。原料投入部１６は、各々の投入量に応じた量の砂（再生砂）、水ガラス、水、及び界面活性剤をそれぞれ収容部１０に投入する。

なお、図３に示した投入量算出部１５の構成は一例であり、本実施の形態では、投入量算出部１５の構成はこれ以外の構成としてもよい。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ 発泡砂製造装置
１０ 収容部
１１ 排出口
１２ 発泡砂
１３ ピストン
１４ ピストン駆動装置
１５ 投入量算出部
１６ 原料投入部
１７ 混練部
１８ 撹拌子
１９ 軸体
２１ 金型
２２ キャビティ
２３ 投入口
２４ 発泡砂
３１ 砂投入量算出部
３２ 水ガラス投入量算出部
３３ 水投入量算出部
３４ 界面活性剤投入量算出部
３５ 放置時間算出部
３６ 水ガラス溶出量算出部
５０ 原料

Claims (2)

1. 混練された発泡砂を所定期間放置した後、当該放置後の発泡砂に、新たに砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を投入して混練することで発泡砂を製造する発泡砂の製造方法であって、
   前記放置後の発泡砂に投入される水ガラスの量は、前記新たに投入される砂の量に基づいて決定された規定量から、前記所定期間放置された発泡砂に含まれる再生砂から溶出される水ガラスの量を差し引いた量であることを特徴としている、
   発泡砂の製造方法。
2. 砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を含む原料を収容可能な収容部と、
   前記原料を前記収容部に投入する原料投入部と、
   前記収容部に収容されている前記原料を混練する混練部と、
   前記原料投入部から前記収容部に投入する原料の量を算出する投入量算出部と、を備え、
   混練して生成された発泡砂を前記収容部において所定期間放置した後、当該放置後の発泡砂に、前記原料投入部から新たに砂、水ガラス、水、及び界面活性剤を投入し、前記混練部で混練して発泡砂を製造する際に、前記投入量算出部は、前記新たに投入される砂の量に基づいて決定された規定量から、前記所定期間放置された発泡砂に含まれる再生砂から溶出される水ガラスの量を差し引いて、前記放置後の発泡砂に投入される水ガラスの量を算出することを特徴としている、
   発泡砂製造装置。

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