JP2013043180A - 鋳型砂とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性が高く低膨張性や低破砕性に優れ、注湯温度が高い大形鋳鋼品の鋳造にも適用でき、砂の再使用性に優れており、しかも製造時の収率が高く安価に実施できる鋳型砂およびその製造方法を提供する。
【手段】鋳型砂は、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％とＭｇＯの重量％とＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下であり、かつ、スピネル単独、または、スピネルとアルミナ、ムライト、コーディエライト、およびサフィリンのいずれかとの複合物を結晶構成の一種とする溶融球状物を含み、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。
【選択図】図２

Description

本発明は溶融球状物からなる鋳型砂とその製造方法に関する。詳しくは、耐熱性、低膨張性、低破砕性、生産収率、砂の再使用性に優れており、注湯温度が高い大形鋳鋼品の鋳造にも適用できるうえ、製造コストが安価な鋳型砂とその製造方法に関するものである。

鋳造工場で使用される鋳型砂は、一般に有機系や無機系の粘結剤を添加して所定形状にされ、これを硬化させることで鋳型に成型される。そしてこの鋳型に金属溶湯が注入されることで鋳造品が製造される。

上記の鋳型の製造方法としては、フラン樹脂法やアルカリフェノール樹脂法、ＣＯ_２−水ガラス法、セラミックモールド法、セラミックシェルモールド法などが知られている。これら製造方法の相違点には、使用する粘結剤および成型方法がある。

フラン樹脂法はフラン樹脂に有機酸を添加して硬化させるものである。アルカリフェノール樹脂法はアルカリフェノールを有機エステルで硬化させるものである。フェノール樹脂法はＲＣＳ法とも言われ、レジンコーテッドサンド（以下ＲＣＳという）を熱硬化させて鋳型を成型する方法である。ＣＯ_２−水ガラス法は珪酸ナトリウムを添加した鋳型砂に炭酸ガスを吹き付けて硬化成型する方法である。セラミックモールド法およびセラミックシェルモールド法は精密鋳造法に使用される鋳型造型法で、鋳型用砂は精密鋳造鋳型骨材またはスタッコ材としての使用がなされる。

鋳型砂は、一般的に珪砂が用いられている。しかし、珪砂は５７３℃において急激な熱膨張が現れるため、それらによる鋳造欠陥を発生し易いといった問題点がある。また、珪砂は加熱によって砂粒子が破壊され易いため、鋳型砂とした場合に発塵が多くなり、廃棄物が多量に生じるという環境上の問題点がある。

従来、上記問題点を解消するため、合成ムライトの原料からなる微粉末を焼成して球状化した鋳型砂が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、この鋳型砂は、化学成分がＡｌ_２Ｏ_３が２０〜７０重量％でＳｉＯ_２が８０〜３０重量％となるようにスラリー状に泥漿（スラリー状物）を配合し、これに解こう剤を添加してスプレードライヤーにより微粒化し、これをロータリーキルンにて１５５０℃付近で焼結して球状の鋳型砂としている。

このような鋳型砂は、珪砂に比べて強度が高く、廃棄物の減少化と砂の再使用率の向上、鋳型強度の向上、さらに粘結剤の使用量の減少によるコスト面での効果に優れている。しかしながら、これらの鋳型砂は上記配合のスラリー状物を噴霧して得た微粒子を焼結していることから、焼結物である微粒子の表面はムライト結晶として存在している。しかもその表面は、図９（ｃ）に示す走査型電子顕微鏡（以下、「ＳＥＭ」と称する）写真の如く、凹凸形状となっていて滑らかではない。

このように、砂粒子の表面に凹凸が多いと、砂粒子への粘結剤の吸着量の増加、ひいては粘結剤の使用量が多くなりコスト高になるうえ、砂粒子の破砕性を増大させる傾向がある。また、回収した鋳型砂に含まれる残留物が多くなることで耐熱性と硬化特性を低下させる問題がある。その結果、この鋳型砂はリサイクル性や強度的に安定した鋳型特性を得る観点からは未だ十分とは言えない状態にある。

そこで、砂粒子の表面を平滑にした鋳型砂を得るための製造方法として、上記の造粒して焼結する方法（特許文献１参照）の他に、アーク溶融吹き込み法（特許文献２参照）が提案されている。アーク溶融吹き込み法は、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の耐火物原料を溶融させ、高圧ガスを吹き付けて微粒子状に飛散させながら冷却固化することで、Ａｌ_２Ｏ_３が４０〜９０重量％、ＳｉＯ_２が６０重量％以下でムライト並びにアルミナの結晶構造を有する溶融球状鋳型砂を得る方法である。この方法によれば、図９（ａ）に示すＳＥＭ写真の如く、表面が平滑な砂粒子を得ることができる。

アーク溶融吹き込み法に用いられる鋳型砂製造装置が、製造装置としては簡易であり、汎用装置として適用実績が多く、連続溶融作業が可能であることから、アーク溶融吹き込み法は、工業的に実施する製造方法としては最適な方法として考えられる。

特公平３−４７９４３号公報 特許第３８７８４９６号公報

しかし、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の原料をアーク法で溶融して高圧ガスで吹き込む場合、例えば、カオリン繊維（Ａｌ_２Ｏ_３が４５．５重量％、ＳｉＯ_２が５０．５重量％）やボーキサイト繊維（Ａｌ_２Ｏ_３が７０重量％、ＳｉＯ_２が２３重量％）のようなＳｉＯ_２の重量％が高い成分が原料中に多く含まれていると、原料の溶融点が低くなると同時に高圧ガスの吹き付けによって鋳型砂が繊維状や楕円状になり易い。つまりカオリン繊維やボーキサイト繊維のようなＳｉＯ_２の重量％が高い成分が原料中に多く含まれていると目的とする球状砂の作成が困難となる。

また、上記の従来技術においてはムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２；化学成分Ａｌ_２Ｏ_３が７１．８重量％、ＳｉＯ_２が２８．２重量％）およびアルミナに近い範囲にある組成の原料を使用する場合が多い。その場合においても、ＳｉＯ_２の含有量は比較的高いため、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る傾向があり、そのため、鋳型砂に適した球状粒子を容易に得ることができない。このように、鋳型砂に適した球状粒子砂を効率よく得ることに対しては更なる改善が必要であり、問題点として残されている。

さらに、アーク溶融時の炭素による還元反応を原因としてシリカの分離が生ずることがある。シリカの分離が生ずると浮遊微粒子の粉塵が多量に発生し易い。それによって吹き付け後の球状粒子の生産性が劣ることや作業環境が劣悪となるといった作業環境の悪化が懸念されている。

そこで、本願発明の目的は、上記課題を鑑み、耐熱性が高く低膨張性や低破砕性に優れ、注湯温度が高い大形鋳鋼品の鋳造にも適用でき、なおかつ、砂の再使用性に優れており、しかも製造時の収率が高い鋳型砂を提供することである。また、別の目的は、その鋳型砂の製造方法を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係る鋳型砂は、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％とＭｇＯの重量％とＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下であり、かつ、スピネル(ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３)を結晶構成の一種とする溶融球状物を含み、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。

また、本発明の請求項２に係る鋳型砂は、スピネル(ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３)と、アルミナ（α−Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、コーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２）、およびサフィリン（４ＭｇＯ・５Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）のいずれかとの複合物を結晶構成の一種とし、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有する溶融球状物を含み、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％とＭｇＯの重量％とＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下であり、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。

また、本発明の請求項３に係る鋳型砂の製造方法は、ＭｇＯ源およびアルミナ源の少なくとも一方から調製され、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％とＭｇＯの重量％とＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下である耐火物原料を溶融炉に投入後、耐火物原料を溶融し、耐火物原料が溶融することで形成された溶融物に高圧ガスを吹き付けて微粒子状に飛散させながら冷却固化することで、スピネルを結晶構成の一種とし、かつ、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。

また、本発明の請求項４に係る鋳型砂の製造方法は、ＭｇＯ源およびアルミナ源の少なくとも一方から調製され、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％とＭｇＯの重量％とＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下である耐火物原料を溶融炉に投入後、耐火物原料を溶融し、耐火物原料が溶融することで形成された溶融物に高圧ガスを吹き付けて微粒子状に飛散させながら冷却固化することで、スピネルと、アルミナ、ムライト、コーディエライト、およびサフィリンのいずれかとの複合物を結晶構成の一種とし、かつ、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。

ここで、「溶融球状物」とは、耐火物原料を溶融状態で微粒子化し、球状のまま冷却固化して得たものをいう。この溶融球状物の化学成分はＳｉＯ_２が２０重量％を越えると繊維状や楕円状の物が増加する傾向が認められるが、本発明ではスピネルにおけるシリカの重量％を０重量％を超え２０重量％以下に設定した場合、溶融物に高圧ガスを吹き付けて飛散させることでより効率的に球状物の製造が可能となる。

「複合物」とは、複数の種類の結晶が合わさって１つになったものを言う。上述した「スピネルと、アルミナ、ムライト、コーディエライト、およびサフィリンのいずれかとの複合物」とは、アルミナ、ムライト、コーディエライト、およびサフィリンのいずれかとスピネルとが合わさって１つになったものを意味する。

Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％とＭｇＯの重量％とＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下である溶融物は、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料の場合の溶融性に比較して溶融時における発塵量が少なく、溶融性、作業環境および生産性が向上し、なおかつ、耐火性に優れるとの特徴がある。

また、上記の溶融球状物の結晶構成の一種であるスピネルは硬度が高く、融点が高い（２１００℃）。このスピネルの融点は、アルミナ２０５０℃、ムライト１８５０℃より高いので、耐熱性が高いうえ低破砕性に優れる結果が得られている。

しかも、図３ないし図８に示すとおり、冷却して得られた溶融球状砂の表面はガラス質の如く平滑であり、鋳型砂としては最適な形状を示している。このように、前記の従来技術の焼結により得られた微粒子に比較して表面が極めて滑らかな球面を形成しており、粘結剤の過剰な吸着が防止される効果が現れる。

上述したとおり、スピネルを結晶構成の一種とする溶融球状物は、硬度が高い。アルミナ、ムライト、コーディエライト、および、サフィリンのいずれかとスピネルとの複合物を結晶構成の一種とする溶融球状物も、硬度が高い。また、スピネルの融点は２１００℃、アルミナの融点は２０５０℃、ムライトの融点は１８５０℃、サフィリンの融点は１４７５℃、コーディエライトの融点は１４６０℃であるが、これらの複合体の組成としては、スピネル、アルミナ、ムライトを多く含むものが耐熱性の観点からはより好ましい。即ち、鋳型砂として要求される耐熱性は、鋳鉄鋳物の通例の注湯温度が１３００℃以上、銅合金鋳物の注湯温度が１１００℃以上、アルミニウム合金鋳物の注湯温度が７００℃以上で実施されていることを考慮した場合、サフィリン、コーディエライトを一部組成として含む本発明の鋳型砂を使用した場合においても実用上の耐熱性は特に問題はない。又、注湯温度の高い大物鋳鋼用として適用する場合は、スピネル単独又はスピネル、アルミナ、ムライトを多く含む組成物は耐熱性が高くなることから、これらを鋳型砂として適用した場合は実用上より効果的で好ましい。

さらに、アルミナ、ムライト、コーディエライト、サフィリンは耐火物原料の溶融直後に含まれるＡｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＳｉＯ_２系の非晶質組成物が１０００℃以上の再加熱によって結晶質の安定結晶に転移することで生成する。このことは後述する表１によって明確に示されている。これらは耐熱性のある安定相となることからより好ましい結果となる。

上記の鋳型砂は粘結剤を含んでいてもよく、この粘結剤としては、具体的にはフラン樹脂、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、エチルシリケート加水分解液などをあげることができるが、これらに限定されるものではない。

上記の鋳型砂の製造方法において用いる耐火物原料としては、具体的には、Ｍｇ−Ｏ系の耐火物原料（「ＭｇＯ源」と称する。）、及び、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系の耐火物原料（「アルミナ源」と称する。）を挙げることができる。ＭｇＯ源の例には、マグネシアクリンカー、焼成マグネサイト、カンラン石、コーディエライト、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、スピネル、ＭｇＯがある。アルミナ源の例には、合成ムライト、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、水酸化アルミニウム、バン土頁岩、シャモット、焼熱焦宝石、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、及びカオリンがある。もちろん、ＭｇＯ源、及び、アルミナ源は、これら例示したものに限定されない。さらに、ＭｇＯ源として上述したものの中から選ばれた１種または２種以上の混合体を用いてもよいし、アルミナ源として上述したものの中から選ばれた１種または２種以上の混合体を用いてもよい。ＭｇＯ源としてどのようなものを用いるかということ、および、アルミナ源としてどのようなものを用いるかということは、鋳型砂の性状には大きな影響を与えない。

本発明は上記のように構成され作用することから次の効果（１）〜（３）を奏する。

（１）スピネルを結晶構成の一種としているので、溶融球状物の融点が高く、耐熱性に優れるうえ、強度が高く、低膨張性や低破砕性に優れる。この結果、この鋳型砂で形成した鋳型は鋳型強度が高い上ＳＫ３７（１８２５℃）以上の高い耐火度を有しており、注湯温度が１５５０〜１６５０℃と高い大形鋳鋼品の鋳造にも適用することができる。しかもこの鋳型砂で形成した鋳型は高温時における耐熱性や強度が高いことから、鋳型の高温における型崩れや熱膨張に起因する鋳造欠陥を防止でき、高精度の鋳物を製造することができる。

（２）砂粒子が溶融球状物からなるので、砂粒子表面が平滑であり、粘結剤の砂粒子内への浸透等を少なくできることから、粘結剤の使用量が少なく済み経済的である。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よくなり、砂回収時の砂に含まれる残留物が少なくなる。しかも、砂粒子が球状であることから、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る。作業環境を良好にできる上、産業廃棄物を少なくすることができる。

（３）スピネルを結晶構成の一種とする溶融物はシリカの含有量が少ないため、高圧ガスの吹き付けによる組成物の繊維化や浮遊粒子の発塵の発生が少なくてほとんどが効率よく溶融球状物となることから、製造時の生産効率が向上して安価な製造を可能とする。

本発明の鋳型砂の製造に用いられる鋳型砂製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。 鋳型砂のスピネルＸ線強度比と製品歩留まり、シリカ減耗比率、粉塵発生比率との関係を示したグラフである。 実施例１−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。 実施例２−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。 実施例３−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。 実施例４−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。 実施例５−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。 実施例６−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。 従来技術にかかる鋳型砂のＳＥＭ写真である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明では、
（Ａ） 本発明の鋳型砂の製造に用いられる鋳型砂製造装置の説明
（Ｂ） 鋳型砂製造装置（Ａ）により鋳型砂を製造する手順について
（Ｃ） 実施例と比較例との説明
（Ｄ） 実施例と比較例との対比
の流れに従い説明する。

（Ａ） 本発明の鋳型砂の製造に用いられる鋳型砂製造装置の説明
図１は、本発明の鋳型砂の製造に用いられる鋳型砂製造装置の一実施形態を示す概略構成図である。鋳型砂製造装置（１）は、耐火物原料（２）を収容し溶融する溶融炉（３）と、高圧空気を吹き出す（その結果、耐火物原料（２）の溶融物（４）を飛散させる）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。

溶融炉（３）はアーク溶融炉からなり、耐火物原料（２）を溶融するためのアークを発生させる電極（８）と、溶融物（４）を流出する出湯口（９）とを備える。

高圧空気吹き付け装置（５）は高圧空気供給装置（１０）と空気供給路（１１）と吹き込みノズル（１２）とを順に備える。この吹き込みノズル（１２）のノズル口（１３）は、出湯口（９）の下方位置で水平方向に位置している。そしてこのノズル口（１３）の吹き出し方向前方の下方位置に捕集容器（７）を配置している。

本実施形態では、耐火物原料（２）を溶融する溶融炉（３）としてアーク炉を用いたが、本発明に用いる溶融炉は特定の形式のものに限定されず、例えば、坩堝炉、誘導電気炉、電気炉、反射炉、真空溶融炉等を用いることができる。ただし、この実施形態のようにアーク炉を用いると、比較的操作が容易で経済的であるため好ましい。

上記の溶融炉（３）の出湯口（９）から耐火物原料（２）の溶融物（４）を流出させる方法は、傾注方式や開孔方式などを用いることができるが、開孔方式を採用すると一定の流出量を容易に安定維持でき、好ましい。

本実施形態では、耐火物原料（２）の溶融物（４）を飛散させる高圧ガスとして高圧空気を用いており安価に実施できるが、本発明で用いる高圧ガスは、得られる溶融球状物（６）に悪影響を与えない範囲で、この高圧空気に代えて高圧水蒸気や他の種類の高圧ガスを用いることができる。また、本実施形態では、高圧空気で飛散された溶融物（４）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部を備えていてもよい。そのような強制冷却部の具体的構造は周知なので、ここではその詳細な説明は繰返さない。

（Ｂ） 鋳型砂製造装置により鋳型砂を製造する手順について
次に鋳型砂製造装置（１）により鋳型砂を製造する手順について説明する。
最初に、作業者は、ＭｇＯ源およびアルミナ源の少なくとも一方を、例えば１００ｍｍ以下程度の適当なサイズになるまで粉砕し、溶融炉（３）に収容する。

本実施形態で使用する耐火物原料（２）は、乾燥結晶水を除く化学成分がＡｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下に調製してあればよい。ただし、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％とＭｇＯの重量％とＳｉＯ_２の重量％との合計は１００重量％以下でなくてはならない。上述したように、ＭｇＯ源として、マグネシアクリンカー、焼成マグネサイト（重焼マグネシア、軽焼マグネシア）、カンラン石、コーディエライト、炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、スピネル、ＭｇＯなどを用いる。アルミナ源として、合成ムライト、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、水酸化アルミニウム、バン土頁岩、シャモット、焼熱焦宝石、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、カオリンなどを用いる。作業者は、ＭｇＯ源とアルミナ源とのうち少なくとも一方を乾燥または仮焼して脱水することにより所定の化学成分となるように調製したものを上述した耐火物原料（２）として使用する。

上記の耐火物原料（２）には、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、ＣａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏの少なくとも一種を、本実施形態にかかる鋳型砂の作用を阻害しない範囲で含んでもよい。鋳型砂の総含有量に占めるその含有量の割合は１０重量％以下とすることが望ましい。

作業者は、上記の溶融炉（３）内に収容した耐火物原料（２）を溶融させる。耐火物原料（２）は、溶融炉（３）内でアーク熱によって溶融する。アーク熱は溶融炭素電極（８）に通電することにより発生する。このときの炉内の溶融温度は、通常、１８００〜２３００℃の範囲が選ばれる。そしてこの溶融物（４）は、所定量が溶融炉（３）の出湯口（９）から流出して落下していく。

上記の出湯口（９）から落下する溶融物（４）には、高圧空気供給装置（１０）から供給され空気供給炉（１１）を経由して吹き込みノズル（１２）のノズル口（１３）から水平方向へ広角に吹き出される高圧圧縮空気が吹き付けられる。これにより、上記の溶融物（４）は風砕分散される。風砕分散された溶融物（４）は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て固化する。その結果、所定の粒子径を有した溶融球状物（６）が形成される。その溶融球状物（６）は補集容器（７）内に落下堆積して捕集される。

なお、上記溶融球状物（６）の粒度分布は、耐火物原料（２）の組成や溶融温度、高圧空気の吹き付け位置、圧力、吹き付け速度、吹き込みノズル（１２）のノズル口（１３）の形状（円形状または板状など）、吹き付け面積、吹き付け角度（水平または上向きなど）、飛散距離によって調整が可能である。

作業者は、上述した過程を経て捕集された溶融球状物（６）を、空冷および水冷の少なくとも一方により冷却したのち、３０００μｍよりも大きい粒子と３０μｍ以下の小さい粒子とを篩分けにより除去する。これにより、３０〜３０００μｍの粒度分布の溶融球状物（６）からなる鋳型砂が完成する。

（Ｃ） 実施例と比較例との説明
以下、本発明の一実施形態における実施例１−１〜６−２と比較例１−１、１−２、２とについて説明する。
［実施例１−１］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約７０重量％、ＳｉＯ_２が１〜２重量％、そしてＭｇＯが約２０重量％となるよう、粒径１０ミリメートル以下の溶融アルミナと粒径１０ミリメートル以下のマグネシアクリンカーとを適宜混合した原料を調製した。作業者は、その原料１５ｋｇを図１に示す鋳型砂製造装置（１）の溶融炉（３）すなわちアーク炉（７５ＫＶＡ、３個の炭素アーク電極を上方部より挿入）で１時間溶融した。次に、作業者は、溶融した原料を溶融炉（３）より排出させて、高圧空気供給装置（１０）すなわちコンプレッサー（風量１１ｍ^３／ｍｉｎ）より排出した高圧圧縮空気をその溶融した原料に吹き付けた。これにより球状粒子化した溶融物（４）が得られたので、作業者は、そこから粒径が６００マイクロメートル以下のものを採取し、鋳型砂とした。粒径が６００マイクロメートル以下の溶融物（４）を採取したのは、そのようなものが鋳型砂として用いるための実用的な粒度分布を示すためである。

［実施例１−２］
作業者は、実施例１−１の鋳型砂を１５００℃で再焼成することにより、鋳型砂を得た。

［実施例２−１］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約５５重量％、ＳｉＯ_２が約１０重量％、そしてＭｇＯが約３０重量％となるよう、粒径２０ミリメートル以下のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料（ムライト−アルミナ結晶系、Ａｌ_２Ｏ_３が７５重量％、ＳｉＯ_２が２０重量％）と粒径１０ミリメートル以下のマグネシアクリンカーとを適宜混合した原料を調製した。その後、作業者は、実施例１と同様の方法により鋳型砂を製造した。

［実施例２−２］
作業者は、実施例２−１の鋳型砂を１５００℃で再焼成することにより、鋳型砂を得た。

［実施例３−１］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約６５重量％、ＳｉＯ_２が約１０重量％、そしてＭｇＯが約２０重量％となるよう、実施例２−１と同様のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料と粒径１０ミリメートル以下の重焼マグネシアとを適宜混合した原料を調製した。その後、作業者は、実施例１と同様の方法により鋳型砂を製造した。

［実施例３−２］
作業者は、実施例３−１の鋳型砂を１５００℃で再焼成することにより、鋳型砂を得た。

［実施例４−１］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約６０重量％、ＳｉＯ_２が約１０重量％、そしてＭｇＯが約１５重量％となるよう、実施例２−１と同様のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料と粒径１０ミリメートル以下のカンラン石とを適宜混合した原料を調製した。その後、作業者は、実施例１と同様の方法により鋳型砂を製造した。

［実施例４−２］
作業者は、実施例４−１の鋳型砂を１５００℃で再焼成することにより、鋳型砂を得た。

［実施例５−１］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約７５重量％、ＳｉＯ_２が約１０重量％、そしてＭｇＯが約１０重量％となるよう、実施例２−１と同様のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料と粒径１０ミリメートル以下のマグネシアクリンカーとを適宜混合した原料を調製した。その後、作業者は、実施例１と同様の方法により鋳型砂を製造した。

［実施例５−２］
作業者は、実施例５−１の鋳型砂を１５００℃で再焼成することにより、鋳型砂を得た。

［実施例６−１］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約８０重量％、ＳｉＯ_２が約１０重量％、そしてＭｇＯが約５重量％となるよう、実施例２−１と同様のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料と粒径１０ミリメートル以下のマグネシアクリンカーとを適宜混合した原料を調製した。その後、作業者は、実施例１と同様の方法により鋳型砂を製造した。

［実施例６−２］
作業者は、実施例６−１の鋳型砂を１５００℃で再焼成することにより、鋳型砂を得た。

［比較例１−１］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約７５重量％、ＳｉＯ_２が約１５重量％、そしてＭｇＯが５重量％以下となるよう、原料に粒径２０ミリメートル以下のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料（ムライト−アルミナ結晶系、Ａｌ_２Ｏ_３が６３重量％、ＳｉＯ_２が３２重量％）を使用し、実施例１と同様の方法により鋳型砂を製造した。

［比較例１−２］
作業者は、Ａｌ_２Ｏ_３の重量％が約８０重量％、ＳｉＯ_２が約１０重量％、そしてＭｇＯが５重量％以下となるよう、原料に粒径２０ミリメートル以下のＡｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系耐火物原料（ムライト−アルミナ結晶系、Ａｌ_２Ｏ_３が７５重量％、ＳｉＯ_２が２０重量％）を使用し、実施例１と同様の方法により鋳型砂を製造した。

［比較例２］
市販の合成ムライト系球状砂であるセラビーズ（登録商標）＃６５０を用いた。

（Ｄ） 実施例と比較例との対比
［結晶組成について］
実施例１−１〜実施例６−２にかかる鋳型砂と比較例１−１、１−２、２にかかる鋳型砂との結晶組成の分析を行った。さらに、それらの鋳型砂についてＸ線回折を行った。表１は、それらの鋳型砂の組成とＸ線回折のメインピーク強度とを示す。

表１から明らかな通り、実施例１−１〜実施例６−２にかかる鋳型砂では、全てにおいてスピネルが認められた。一方、比較例１−１、１−２、２いずれにおいてもスピネルは認められなかった。比較例１−１、１−２にかかる鋳型砂ではα−アルミナとムライトとが認められた。比較例２かかる鋳型砂ではムライトが認められた。このことから、従来方式の合成ムライト及びアルミナ系の溶融球状粒子と本実施形態にかかる鋳型砂とは結晶構造を異にしていることが明らかである。

また、表１から明らかな通り、Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＳｉＯ_２系鋳型砂においてスピネルが得られる成分組成がＡｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下であってこれらの合計が１００重量％以下であるものということが判明した。

また、表１において示される実施例１−２、実施例２−２、実施例３−２、実施例４−２、実施例５−２、実施例６−２のＸ線回折分析の結果からは、それらに、アルミナ、ムライト、コーディエライト、サフィリンが含まれていると言える。このことは、実施例１−１にかかる鋳型砂、実施例２−１にかかる鋳型砂、実施例３−１にかかる鋳型砂、実施例４−１にかかる鋳型砂、実施例５−１にかかる鋳型砂、および、実施例６−１にかかる鋳型砂を１５００℃の高温で再焼成したことにより、Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＳｉＯ_２系の非晶質（これは鋳型砂製造時において主要結晶鉱物であるスピネルの他に残留していたもの）が、アルミナ、ムライト、コーディエライト、あるいはサフィリンといった安定相へ結晶変態したことを示す。また、これらの結晶変態からＡｌ_２Ｏ_３量、ＭｇＯ量、ＳｉＯ_２量によって再結晶化の量が異なり組成の影響の大きいことが示された。

［シリカの減耗比率について］
アーク熱による溶融時には溶融物（４）よりシリカの分離が生じて粉塵化し易いが、シリカの分離が生じて粉塵化した場合には作業環境の劣化と溶融球状粒子の生成歩留まりが低下する結果とを伴う。このことから、シリカの減耗比率が溶融球状粒子の生成歩留まりの高低に影響することと、シリカの減耗比率がシリカの分離による作業時の粉塵発生量に対する尺度となることが類推される。そして、シリカの減耗比率がシリカの分離による作業時の粉塵発生量に対する尺度となること（言い換えると、減耗したシリカが作業時の粉塵となっていること）は、溶融作業時の粉塵発生状況の観察結果と局所的に設置した集塵機で回収した集塵粉の量とからも裏付けられている。そこで、これらの溶融物（４）の生成歩留まりと粉塵化を類推する方法として溶融前のシリカ成分と溶融後のシリカ成分とを測定し溶融前後のシリカ比を求めてシリカの減耗比率として算出した。溶融時の粉塵発生量の指標については従来技術（比較例１−１、１−２）の合成ムライト系におけるシリカ減耗比率に対する比較値として数値化することで示すものとした。

以上の測定結果を表２および図２に示す。表２は、本実施形態に係る実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１および比較例１−１、１−２の溶融球状粒子の成分と歩留まり（収率）と減耗比率と粉塵発生の比率とを示す。図２は、鋳型砂のスピネルＸ線強度比と、製品歩留まり、シリカ減耗比率、および粉塵発生比率との関係を示したグラフである。なお、表２に示す「減耗比率」とは、次の式（１）で示される値である。この比率が高いほど溶融時の発塵量ＳｉＯ_２減量値が多くなる傾向となる。

（数１）
減耗比率（％）＝100-(溶融物のSiO_２値)/(原料のSiO_２値)×100 （１）

製造時の溶融物の原料に対するＳｉＯ_２の減耗比率（表２参照）を調べた結果、実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１にかかるスピネル系溶融物の製造にあたっては、従来技術のムライト、アルミナ系溶融物に比較してＳｉＯ_２の減耗比率が大幅に低くなる傾向となっている。すなわち、溶融時の溶融球状粒子の生成量が多くなり（＝歩留まりが向上し）、更に、粉塵の発生量が少なくて溶融作業時の作業環境に優れることが明らかとなった。特に、６００μｍ以下の粒径を有した溶融球状粒子の歩留まり（表２において「−６００μｍ〜」と示される値）が比較例１−１、１−２のものに比べて大きく向上することが明らかとなっている。ちなみに、表２において「＋６００μｍ〜」と示される値は、６００μｍを超える粒径を有した溶融球状粒子の歩留まりを示す。

なお、粉塵発生比率は、１５００℃で焼成したときスピネルＸ線強度比が大きくなるに従って低下する傾向となり、実施例１−１および実施例２−１において特に顕著となる。「スピネルＸ線強度比」とは、実施例１−１にかかる鋳物砂のＸ線回折強度を「１」とした場合の各実施例にかかる鋳型砂のＸ線回折強度の比である。実施例１−１にかかる鋳型砂の成分は、スピネルの理論値成分である「Ａｌ_２Ｏ_３／ＭｇＯ＝７１．７／２８．３」に最も近い。

［粒度分布などについて］
実施例１−１〜実施例６−２にかかる鋳型砂について、粒度分布の分析、嵩密度（日本鋳造協会試験法Ｓ−１０）、ｐＨ（日本鋳造協会試験法Ｓ−３）、および酸消費量（日本鋳造協会試験法Ｓ−４）の測定、ならびに耐熱性に関する試験を実施して、比較例１〜比較例２にかかる鋳型砂との比較を行った。その結果により、実施例１−１〜実施例６−２にて製造された鋳型砂が実用に充分耐えられるか、支障はないかを判断することができる。

上記の粒度分布の分析は鋳型砂の粒度試験方法（ＪＩＳＺ２６０１）によって粒度分布を測定し、粒度指数（ＡＦＳ）を算出した。すなわち、篩の呼び寸法が、２３６０μｍ、１１８０μｍ、８５０μｍ、６００μｍ、４２５μｍ、３００μｍ、２１２μｍ、１５０μｍ、１０６μｍ、７５μｍ、５３μｍ、となる標準篩を選び、それらを重ねて試料１００ｇを投入して、ロータップ篩機で１５分間篩い分ける。そして各篩の上に残った重量を計測して分布割合として表示する。

一般に鋳型砂としては、粒度分布が３０００μｍ以下（好ましくは６００μｍ以下）から３０μｍ篩上（好ましくは４５μｍ篩上）の間に分布するのが好ましく、粒度分布についてはＪＩＳＺ２６０１に規定されている方法に準じて粒度指数ＡＦＳ３０、４０、５０、６０、７０、１００、１５０レベルのものが選ばれる。試験結果を表３に示す。

表３に示したデータより、上記実施例で得られたそれぞれの鋳型砂が、具体的には粒度分布がほとんど７５〜６００μｍの範囲内に収まり、粒度指数が４６．７〜５５．３となっていることが観測された。これらの観測データより、従来技術の鋳型砂と比べて、同等の鋳型砂の粒度指数を示し実用性が十分に得られることがわかった。

実施例１−１〜実施例６−２にかかる鋳型砂の嵩密度は比較例１−１、１−２にかかる鋳型砂とほぼ同等であり、実用上支障はない。また、上記実施例で得られた鋳型砂それぞれのｐＨ値は、６．６２〜６．９４の中性値の領域を示しており、酸消費量も従来技術の鋳型砂と同等である。

よって、実施例１−１〜実施例６−２にかかる鋳型砂は実用上全く支障がないものであった。

［鋳型砂の表面について］
図３ないし図８は、本実施形態に係る鋳型砂の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による砂粒子の写真である。なお、図３は実施例１−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。図４は実施例２−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。図５は実施例３−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。図６は実施例４−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。図７は実施例５−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。図８は実施例６−１に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。図９は比較例１−１(a)、１−２(b)、比較例２(c)に係る鋳型砂のＳＥＭ写真である。図３ないし図８に示すＳＥＭによる写真から明らかであるように、上記実施例の鋳型砂の表面はガラス質の如く平滑な球形をなし、特に比較例２の凹凸の顕著な形状に比べて、これらは鋳型を成型する場合の充填密度を向上させることや粘結剤の被覆性を向上させて添加量を削減することに効果を奏する。

［耐熱性試験について］
本実施形態に係る鋳型砂は、スピネル（融点：２１００℃、主成分：ＭｇＯおよびＡｌ_２Ｏ_３）を含む。スピネルの融点はアルミナ結晶の融点（２０５０℃）および合成ムライト結晶の融点（１８５０℃）より高いことから、スピネルには耐熱性に関する効果のあることが期待される。もちろん、アルミナ、ムライトに関しても一化学成分として鋳型砂として使用する場合の耐熱性は十分に認められ、これらも含有する本実施形態に係る鋳型砂の耐熱性は十分であることが認められる。よって、本実施形態に係る鋳型砂にこれらの組成物が含有されていても何ら差し支えはない。

また、各結晶の化学組成の領域によっては、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３；化学成分はＡｌ_２Ｏ_３が７１．７重量％、ＭｇＯが２８．３重量％）の他に、サフィリン結晶（４ＭｇＯ・５Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２；化学成分はＡｌ_２Ｏ_３が６４．４重量％、ＭｇＯが２０．４重量％、ＳｉＯ_２が１５．２重量％）、コーディエライト結晶（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５ＳｉＯ_２；化学成分はＡｌ_２Ｏ_３が３４．９重量％、ＭｇＯが１３．８重量％、ＳｉＯ_２が５１．３重量％）を含有する場合がある。サフィリン結晶の融点は１４７５℃であり、コーディエライト結晶の融点は１４６０℃であるが、本発明砂の組成の領域を示すものにおいては、鋳型砂として使用するに当たって、特に支障はない。

以上の点を確認するため、次の試験を実施することにより耐熱性の比較を行った。

実施例１−１〜６−２のスピネル溶融球状鋳型砂の中で、スピネル（ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）、アルミナ（α−Ａｌ_２Ｏ_３）、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）、を主要組成（Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＳｉＯ_２）とし、かつ、Ｆｅ_２Ｏ_３の成分値を同一レベルとした実施例１−１、２−１、３−１、５−１、６−１の鋳型砂（表１に記載の各実施例の溶融球状粒子の成分を参照）と、比較例１−１、１−２の鋳型砂（ムライト、アルミナ系溶融球状砂）と、比較例２の鋳型砂（合成ムライト焼結球状砂）と、クロマイトサンドとを使用してアルカリフェノール鋳型を製造し、それらを１５５０℃で焼成して耐熱性を調べた。

鋳型の製造について、鋳型砂１００重量部（２ｋｇ）に対して、アルカリフェノール樹脂（神戸理化学工業株式会社製、商品名ＰＨＥＮＩＸ ５１０Ａ）を１．１〜２．０重量部添加した。使用する樹脂添加量は各砂の比重を考慮して表４に示すとおり設定した。混合は、試験用品川式万能ミキサー（株式会社品川工業製、５ＤＭＲ型）で行い、有機エステル硬化剤（神戸理化学工業株式会社製、Ｃ−１０）をアルカリフェノール樹脂１００重量部に対して２０重量部添加し、３０秒混合した後、さらに樹脂を添加して３０秒混合し排砂した。混合砂は直ちに５０φ×５０ｍｍの試験片取り木型に充填して成型し、２４Ｈｒ放置後抜型して試験に供試した。試験片の焼成は、カンタル炉で１５５０℃×１Ｈｒ加熱し、取り出し空冷後、試料を１４ｍｅｓｈロータップ篩機（飯田製作所社製）に投入して１分間振とうした。その後、篩上に残留した焼結砂の量を計測し、投入砂に対する割合として算出した。このとき、篩上に残留した焼結砂の残留割合が鋳型砂の耐熱性の指標となるものとして比較した。

表４は、焼結残留物量を示す。ちなみに、図中においてカッコ書きで示されている結晶名は１５００℃で焼成した後に生成された結晶を示す。この表４に示される結果より、本実施形態に係る鋳型砂の組成として、スピネル並びにスピネルとα−アルミナ、ムライトを含む組成物（実施例１−１、実施例５−１、実施例６−１）に関しては、特に焼結残留物が極めて少なく、比較例１−１、１−２、２と比較しても耐火性に特に優れることが示されている。

耐火性が高いことは、鋳造品に対する鋳型の焼着不良などの鋳造欠陥に対して有利になると同時に、鋳造後の鋳型の崩壊性に対しても有利になることが考えられる。その点においても、本実施形態に係る鋳型砂の特徴とするところである。

［粘結剤について］
上記の鋳型砂は、従来の鋳型砂と同様に処理され各種の粘結剤を用いた鋳型に成型されて使用することができる。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、珪酸ソーダ、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などが上げられる。

上記の粘結剤はそれぞれの用途に応じた硬化剤の使用によって硬化させる。具体的には、フラン樹脂の硬化剤としては、硫酸、燐酸、燐酸エステル、ピロ燐酸などの無機酸、キシレンスルホン酸、トルエンスルホン酸、ベンゼンスルホン酸などの有機酸が挙げられる。フェノール樹脂用の硬化剤としてはヘキサメチレンテトラミンなどが挙げられる。珪酸ソーダ用の硬化剤としては炭酸ガス、ダイカルシリケート、Ｆｅ−Ｓｉ粉末、有機エステルなどが挙げられる。ベントナイト及び耐火粘土については所定量の水を添加して混練した後につき固めて、あるいはジョルトスクイズ方式で成型して使用される。コロイダルシリカ及びエチルシリケート加水分解液はロストワックス法やセラミックモールド法あるいは消失模型鋳造法の分野に使用され、本実施形態に係る鋳型砂をこれらの造型材として使用する。

なお、これらの粘結剤の使用量は、鋳型砂の充填性や鋳造時のガス発生等の鋳造欠陥との関連性からできるだけ少ないほうが好ましい。本実施形態に係る鋳型砂を用いた場合は、従来の焼結法により作成した球状鋳型砂を用いた場合に比較して、後述のように鋳型強度が約１．５倍の値を示しており、砂粒子の表面が平滑なことも相まって粘結剤の使用量を減少させることができる。

上記の鋳型砂で成型した鋳型は、対象鋳物としては特に限定されず、種々の鋳物の鋳造に使用することができる。具体的には、アルミニウム、銅、普通鋳鉄、ダクタイル鋳鉄、ステンレス鋼を挙げることができる。また、本実施形態に係る鋳型砂は、球形に近いことから高い充填性と通気性が得られるので、鋳型強度に起因する鋳造欠陥やガス欠陥の少ない鋳物の製造が可能である。具体的には、鋳型砂を、フラン鋳型鋳造法やアルカリフェノール鋳型鋳造法の肌砂に適用して高クロム鋳鋼品を鋳造した結果、鋳物離れの良い美麗な鋳物肌をもつ無欠陥の鋳物をつくることができた。

［破砕性について］
上記の鋳型砂で鋳造を終えた後、この鋳型砂の回収再生率が鋳造工場の現場では重要な要因となる。この回収再生率は、鋳型砂の破砕性の良否が重要な決め手となり、破砕性が低いほど好ましい。そこで本実施形態に係る鋳型砂の破砕性を、上記の従来の溶融法及び焼結法による鋳型砂並びに一般鋳物砂との比較を行いながら本実施形態に係る品の優位性を調べた。

破砕性の測定方法としては、鋳型砂の破砕試験方法（ＪＦＳ試験法Ｓ−６）によって調べた。鋳型砂の破砕試験用の試験試料としては本実施形態に係るスピネル系溶融球状砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）、ムライト、アルミナ系溶融球状砂（比較例１−１、１−２）、焼結法による球状砂（比較例２）、クロマイトサンド（比較例３）を用いた。

試験方法は、１Ｌ磁性ポットミルに２０ｍｍアルミナセラミックボール１０個と試料１００ｇを入れ３０分回転処理を行い、処理前後の砂の粒度測定を行う。粒度測定結果よりＡＦＳ粒度指数を算出し、次式（２）で破砕率を求めた。破砕性の測定結果を、表５に示す。

（数２）
破砕率（％）＝（回転処理後の粒度指数/原砂の粒度指数）×100 （２）

本実施形態に係るスピネル系溶融球状砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）の破砕性は、従来のムライト、アルミナ系溶融球状砂（比較例１−１、１−２）及び焼結法球状砂（比較例２）の場合に比較して、破砕による粒度の変化が小さく破砕性に優れることが認められた。さらに、本実施形態に係るスピネル系溶融球状砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）の破砕性は、従来の鋳鋼用鋳型砂(クロマイトサンド；比較例３)の場合に比較しても、耐破砕性において顕著に優れる結果となった。これらの結果から、本実施形態に係る鋳型砂を鋳型として使用したとしても、従来技術（合成ムライト系焼結球状砂；比較例２）にて製造した鋳型砂を鋳型としたものと比較して、回収再生に対して有利となることが明らかとなった。

また、本実施形態に係る鋳型砂を使用して実際に所定の形状を有した鋳物を製造後、その使用済みの鋳型から鋳型砂を回収したところ、容易に再生処理することができた。使用済みの鋳型から鋳型砂を再生処理する方法は、特に限定されず公知の方法の何れにおいても採用することができる。

［試験１：フラン樹脂鋳型の圧縮強度］
本実施形態に係る鋳型砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）、従来技術のムライト、アルミナ系溶融球状砂（比較例１−１、１−２）、合成ムライト系焼結法球状砂（比較例２）を使用して、フラン樹脂法（フラン樹脂に有機酸を添加し硬化させる鋳型形成法）によりそれぞれ鋳型を成型した。その成型方法としては、フラン樹脂（花王クエーカー社製、３４０Ｂ）鋳型砂１００重量部（２ｋｇ）に対し、１．０重量部（合成ムライト系焼結法球状砂の場合は１．２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。成型時の気温は２０℃で、湿度は６０％であった。なお、混合は上述した試験用品川式万能ミキサーを使用し、供試砂に酸硬化剤を添加して３０秒混合後、更にフラン樹脂を添加して３０秒混合して排砂した。排砂後５０φ×５０ｍｍの試験片取り木型に充填して２４Ｈｒ硬化させ抜型して試験片鋳型とした。得られた試験片鋳型の経過時間毎の圧縮強度及び充填密度を抗圧試験機（オリエンテック社製、Ｈ−３０００Ｄ）により測定した。その結果を表６に示す。表６の「フラン樹脂鋳型の圧縮強度」欄には、実施例および比較例それぞれに関するフラン樹脂鋳型の圧縮強度および充填密度が記載されている。

上記の結果から本実施形態に係る鋳型砂をフラン樹脂法に使用した結果、従来技術（比較例２）に比較して圧縮強度が極めて高く、特に２４時間放置後の強度としては従来技術の比較例２に比べて約１．９倍の高強度を示した。これは本実施形態に係る溶融球状鋳型砂の平滑な表面形状と球状形状が効果的に作用したものであり、鋳型の充填密度の向上、強度の向上及び粘結剤の添加量の低減に対して効果が示された。

［試験２：アルカリフェノール樹脂鋳型の圧縮強度］
本実施形態に係る鋳型砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）、従来技術のムライト、アルミナ系溶融球状砂（比較例１−１、１−２）、合成ムライト系焼結法球状砂（比較例２）を使用して、アルカリフェノール樹脂法（アルカリフェノール樹脂を有機エステルで硬化させる鋳型形成法）によりそれぞれ鋳型を成型した。その成型の際、アルカリフェノール樹脂（神戸理化学工業株式会社製、商品名ＰＨＥＮＩＸ ５１０Ａ）を鋳型砂１００重量部に対し２．０重量部（合成ムライト系焼結法球状砂の場合は２．５重量部）使用し、有機エステル硬化剤（神戸理化学工業株式会社製、Ｃ−１０）をアルカリフェノール樹脂１００重量部に対して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。供試砂、硬化剤、樹脂の混合方法及び試験片作成方法は［試験１：フラン樹脂鋳型］の場合と同様の方法で実施した。得られた試験片鋳型の経過時間毎の圧縮強度及び充填密度を測定した。表６の「アルカリフェノール樹脂鋳型の圧縮強度」欄には、実施例および比較例それぞれに関するアルカリフェノール樹脂鋳型の圧縮強度および充填密度が記載されている。

上記の測定結果から明らかなように、本実施形態に係る鋳型砂をアルカリフェノール樹脂法に使用した場合、従来技術（比較例２）に比べて高い圧縮強度が得られ、特に２４時間放置後では従来技術に比べて１．５〜１．６倍の高い鋳型強度が得られた。これらについても前記［試験１：フラン樹脂鋳型］と同様に本実施形態に係る溶融球状鋳型砂の平滑な表面形状と球形形状が効果的に作用したものであり、鋳型の充填密度の向上、鋳型強度の向上及び粘結剤添加量の低減に対して効果が示された。

［試験３：アルカリフェノール樹脂鋳型の熱膨張率］
本実施形態に係る鋳型砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）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。なお、供試砂と硬化剤、樹脂の混合方法及び試験片作成方法は［試験１：フラン樹脂鋳型］の場合と同様の方法で実施した。上記の方法で作成した試験片を直示式熱膨張計（オザワ科学株式会社製、ＥＯＳ-３）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測定した。比較例として従来技術によるムライト、アルミナ系溶融球状砂（比較例１−１、１−２）、合成ムライト系焼結法球状砂（比較例２）、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。各砂に対する樹脂の添加量は表６に記載している。各例の熱膨張率の結果を表６の「アルカリフェノール樹脂鋳型の熱膨張率」欄に示す。表６に示した結果から明らかなように、本実施形態に係る鋳型球状砂は、熱膨張率が小さい。したがって、従来に比べて、熱膨張に起因するベーニング、すくわれ、絞られといった鋳造欠陥の防止に対して有効であることが明らかである。

［試験４：再生砂］
本実施形態に係る鋳型砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）、従来技術によるムライト、アルミナ系溶融球状砂（比較例１−１、１−２）、合成ムライト系焼結法球状砂（比較例２）を使用し、アルカリフェノール樹脂法により［試験２：アルカリフェノール樹脂鋳型の圧縮強度］に準じて作製した鋳型を成型し、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。鋳型の作成はアルカリフェノール樹脂（神戸理化学工業株式会社製、商品名ＰＨＥＮＩＸ ５１０Ａ）を鋳型砂１００重量部に対し２．０重量部（合成ムライト系焼結法球状砂の場合は２．５重量部）使用し、有機エステル硬化剤（神戸理化学工業株式会社製、Ｃ−１０）をアルカリフェノール樹脂１００重量部に対して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。再生砂を使用した試験片鋳型の経過時間毎の圧縮強度及び充填密度を測定した。その結果を表６の「再生砂の鋳型強度」欄に示す。上記の測定結果から明らかなように、本実施形態に係る鋳型砂を再生した場合の鋳型強度は、従来技術（比較例２）の鋳型砂に比較して再生砂を使用したことによる強度低下が少ない。特に、３回再生した砂を使用した場合には従来技術の約３倍の鋳型強度を有することがわかった。この結果は、本実施形態に係る溶融球状鋳型砂が平滑球状であることから、鋳型砂粒子表面に粘結剤の残留が少なく、粘結剤の繰り返し添加に対しても悪影響を与えないことを示唆している。比較例２の場合は、図９（ｂ）の鋳型砂のＳＥＭ写真からも明らかな如く鋳型砂表面が多孔質であり、その結果、粘結剤の残留が多くなりやすく、それらが粘結剤の繰り返し添加の作用に悪影響を与えたものと推察される。

［鋳造試験結果］
本実施形態により製造したスピネル系溶融砂（実施例１−１、２−１、３−１、４−１、５−１、６−１）、従来技術によるムライト、アルミナ系溶融砂（比較例１−１、１−２）、焼結法による球状砂（比較例２）を使用してアルカリフェノール鋳型の中子（５０φ×６０Ｈ）を作製した。上型には、中央に湯口と押し湯（この場合は、鋳型上部に設けられる溶湯を溜める部分のこと）を兼用設置した。下型には、２７０φ×１２０Ｈの空洞部を設けた。その空洞部の底部にあたる箇所に、上述した５０φ×６０Ｈの中子を設置した。中子は円周上に均等な間隔を保つよう配置した。中子の下端は空洞部の底部にあたる箇所に埋め込んだ。中子の埋め込み深さは１０ミリメートルとした。これにより、中子のうち金属溶湯に接触する部分のサイズは５０φ×５０Ｈとなる。この鋳型に、高周波溶融炉で溶解した高クロムニッケル鋼（出湯温度１５５０℃、鋳込み重量５０ｋｇ）を取鍋で注湯して中子部と接触した金属肌（ショットブラスト後）の観察を行った。

なお、中子砂の配合は、溶融球状砂１００重量部に対してアルカリフェノール樹脂１．５重量％、樹脂に対する硬化剤添加量を２５重量％とし、これらを品川式万能ミキサーで混練して５０φ×６０Ｈ試験片取り木型に充填して２４時間硬化抜型した。また、同一中子で塗型ありの領域と塗型なしの領域とを設けた。焼結球状砂（セラビーズ（登録商標）＃６５０）の場合は樹脂添加量を２．０重量％とし、樹脂に対する硬化剤添加量を２５重量％とし、外型の鋳型砂は三河６号硅砂１００重量％に水ガラス６重量％を添加混練したもので成型し炭酸ガスで硬化させた。結果を表７に示す。表７に示す鋳造試験の結果から、本実施形態に係る溶融法で作成した中子の鋳物肌は良好であり実用性に対して問題のないことが明らかであった。

本発明は、耐熱性が高く低膨張性と低破砕性に優れるうえ、鋳型特性及び砂の再使用性に優れている。しかも製造時の収率が高く安価に実施できるので、大形鋳鋼品用のほか各種の鋳型に用いる鋳型砂として利用することができる。

１ 鋳型砂製造装置
２ 耐火物原料
３ 溶融炉
４ 溶融物
５ 高圧空気吹き付け装置
６ 溶融球状物
７ 捕集容器
８ 電極（炭素電極）
９ 出湯口
１０ 高圧空気供給装置
１１ 空気供給路
１２ 吹き込みノズル
１３ ノズル口

Claims (4)

1. Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、前記Ａｌ_２Ｏ_３の重量％と前記ＭｇＯの重量％と前記ＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下であり、かつ、スピネル(ＭｇＯ・Ａｌ_２Ｏ_３) を結晶構成の一種とする溶融球状物を含み、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。
2. スピネルと、アルミナ、ムライト、コーディエライト、およびサフィリンのいずれかとの複合物を結晶構成の一種とし、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有する溶融球状物を含み、前記Ａｌ_２Ｏ_３の重量％と前記ＭｇＯの重量％と前記ＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下であり、前記溶融球状物が３０〜３０００μｍの粒度分布を有することを特徴とする、鋳型砂。
3. ＭｇＯ源およびアルミナ源の少なくとも一方から調製され、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、前記Ａｌ_２Ｏ_３の重量％と前記ＭｇＯの重量％と前記ＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下である耐火物原料を溶融炉に投入後、前記耐火物原料を溶融し、前記耐火物原料が溶融することで形成された溶融物に高圧ガスを吹き付けて微粒子状に飛散させながら冷却固化することで、スピネルを結晶構成の一種とし、かつ、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。
4. ＭｇＯ源およびアルミナ源の少なくとも一方から調製され、Ａｌ_２Ｏ_３が５０〜８５重量％、ＭｇＯが５〜４０重量％、ＳｉＯ_２が０重量％を超え２０重量％以下の化学成分を有し、前記Ａｌ_２Ｏ_３の重量％と前記ＭｇＯの重量％と前記ＳｉＯ_２の重量％との合計が１００重量％以下である耐火物原料を溶融炉に投入後、前記耐火物原料を溶融し、前記耐火物原料が溶融することで形成された溶融物に高圧ガスを吹き付けて微粒子状に飛散させながら冷却固化することで、スピネルと、アルミナ、ムライト、コーディエライト、およびサフィリンのいずれかとの複合物を結晶構成の一種とし、かつ、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。

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