KR102755848B1 - 파운드리 샌드 폐기물로부터 샌드, 벤토나이트 및 유기물 회수 - Google Patents

Abstract

유압(습식) 분리 공정 및 건식 분리 공정을 조합하여 사용하여, 그린 샌드 파운드리(green sand foundry)의 작동 중 생성된 파운드리 폐기물로부터 샌드, 벤토나이트 점토 및 유기물을 회수한다. 이러한 회수된 성분은 이어서 추가의 그린 샌드 몰드를 제조하는 데 재사용하기 위해 재순환된다.

Description

파운드리 샌드 폐기물로부터 샌드, 벤토나이트 및 유기물 회수

본 PCT 국제 출원은 2018년 7월 20일에 출원된 미국 가출원 제62/701,286호의 우선권의 이익을 주장하며, 상기 가출원의 주제는 그 전체가 본원에 참조로 포함되어 있다.

본 개시내용은 일반적으로 샌드 캐스트 성형 분야 및 금속 파운딩(founding)의 개선에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 샌드 성형 첨가물 및 성형 조성물로 재순환시키기 위해 성형 폐기물을 회수하는 것을 통한, 캐스팅의 제조에서 용융 금속이 주입되는 몰드를 형성하는 데 이용되는 샌드 성형 매질의 개선에 관한 것이다.

그린 샌드(green sand) 캐스팅은 캐스팅된 금속 물품을 형성하는 잘 알려진 공정이다. 이러한 공정에서, 캐스팅을 제조하기 위한 캐스팅 몰드는 주로 샌드 및 벤토나이트 점토인 하나 또는 복수의 캐스팅을 제조하기 위한 성형 매질로 형성된다. 몰드에서 캐스팅이 굳어지면, 몰드가 파괴되고 캐스팅 사이클이 완료된다. 성형 매질은 다른 캐스팅 공정을 위해 재순환될 수 있다; 그러나, 성형 매질의 상당 부분은 파운드리(foundry) 폐기물로서 파운드리에서 배출된다. 미국에서만, 파운드리 폐기물은 연간 대략 600만 내지 1,000만 입방 야드의 속도로 늘어난다. 매립지 면적과 운송 비용의 증가와 관련된 대량의 파운드리 폐기물은 문제가 된다. 파운드리 폐기물은 최대 90%의 재사용 가능한 성형 매질을 포함할 수 있다.

파운딩은 샌드 몰드 내에 캐비티가 획정되고 이어서 용융 금속이 그 안에 주입되는 오래된 기술이다. 금속이 냉각된 후, 캐스팅된 물품이 분리되고, 분리 과정에서 샌드 몰드는 일반적으로 파괴된다. 이러한 샌드 몰드를 형성하는 일반적이고 기본적인 절차는 패턴 주위에 샌드 성형 매질을 압축하고 이어서 상기 패턴을 제거하여, 상기 패턴의 구성을 갖는 캐비티를 남기는 것이다.

샌드가 이의 성형된, 캐비티를 획정하는 구성을 유지하기 위해, 샌드 입자의 응집을 유발하는 결합제를 혼합물에 포함시킨다. 점토는 오랫동안 인정된 적합한 결합제이다. 점토는 일반 용어이며 함수 알루미노실리케이트 미네랄의 큰 그룹을 포함한다. 개별 미네랄 입자는 미세 규모에서 크기가 다르다. 가습된 경우, 점토는 끈적하고 가소성이다. 가습되고 이어서 건조되는 경우, 특히 고온에서 건조되는 경우, 점토는 딱딱해진다. 습윤 벤토나이트 제품은 캐스팅 조건 하에서 더 나은 성능을 발휘한다.

본원에 개시된 공정은 소위 그린 샌드 캐스팅이 표준 관행인 파운딩에서 특히 유용할 수 있다. 그린 샌드 캐스팅은, 점토의 응집 특성을 활성화시키기 위해 첨가된 수분을 계속 유지하는 샌드 몰드 내에 용융 금속이 주입되는 공정을 포함한다. 철 파운딩용 샌드 성형 매질은 세 가지 기본 성분, 즉 샌드, 클레이, 및 업계에 "해탄"으로 일반적으로 알려진 미세 중질 역청탄을 포함한다. 일부 경우에, 성형 매질 성능을 개선하기 위해 소량의 다른 유기 미네랄 첨가물이 첨가될 수 있다. 사용시, 샌드 성형 매질은 물로 가습되어, 패턴 주위에 압축되어 몰드 캐비티를 형성할 수 있는 매질을 제공한다. 그린 샌드 몰드는 통상적으로 약 86 중량% 내지 90 중량%의 샌드, 및 8 중량% 내지 10 중량%의 벤토나이트 점토, 2 중량% 내지 4 중량%의 유기 화합물, 및 2 중량% 내지 4 중량%의 수분을 포함하는 복수의 샌드가 아닌 성분을 포함한다. 패턴을 제거한 후, 샌드 성형 매질이 이의 가습된 상태 또는 "그린" 상태로 존재하면서 용융된 철이 몰드 캐비티 내에 주입된다. 몰드 캐비티 표면과 바로 인접한 해탄은 용융된 철이 몰드 내에 주입될 때 용융된 철의 열 하에서 분해된다. 이러한 분해의 생성물은 몰드 캐비티와 주입된 철 사이의 계면에서의 그래파이트 형태의 원소 탄소이다. 이러한 원소 그래파이트는 굳어진 캐스팅이 샌드 입자 없이 몰드로부터 이형되도록 하는 주요 기능을 한다. 원소 그래파이트의 두 번째 이점은 원소 그래파이트가 몰드 캐비티의 표면을 평평하게 하는 경향이 있어서 캐스팅된 물품 상에 매끄러운 표면을 생성한다는 것이다.

파운드리는 점토 성분 및 탄소 성분을 포함하는 "예비혼합물"을 취할 수 있다. 이어서 파운드리는 현지 공급원으로부터의 샌드와 상기 예비혼합물을 혼합하여 작업에 사용되는 샌드 성형 매질을 제공한다.

샌드 성형 매질의 충분한 응집 강도는 이의 "그린" 상태에서, 즉, 가습된 경우 가장 중요하다. 압축되어 캐비티를 획정한 후, 그린 성형 매질은 바람직하게는 패턴 제거시 가해지는 임의의 힘에 견디는 충분한 강도를 가져서, 캐비티 구성이 온전히 유지된다. 다음으로, 그린 단계에 있는 경우, 샌드 성형 매질은 바람직하게는, 캐비티 내에 금속을 주입하기 위한 제조 공정에서 다양한 방식으로 이동하고 재배치되는 몰드에 가해지는 힘에 견디는 충분한 강도를 갖는다. 또한, 샌드 성형 매질은 바람직하게는 캐비티 내에 용융 금속을 주입할 때 가해지는 유압력에 견디는 충분한 응집 강도를 갖는다.

그린 몰드의 건조는 매우 빠르게 일어나며, 금속이 용융되어 있고 몰드 구조에 계속 유압력을 가하는 동안 일어날 수 있다. 따라서 성형 매질의 건조 강도는, 몰드의 무결성이 적절한 구성의 캐스팅된 물품을 얻는 것의 마지막까지 유지되는 것을 보장하는 데 중요하다.

샌드 성형 매질의 다른 중요한, 객관적인 특성은 투과도이다. 용융된 철이 몰드 캐비티 내에 주입될 때 몰드에 대한 손상을 방지하기 위해, 비교적 높은 투과도가 바람직하다. 이는 용융 금속이 몰드 캐비티 내에 주입되는 경우, 성형 매질을 통해 공기가 대체되는 것을 지적하는 것이다. 보다 중요하게는, 샌드 성형 매질은 습윤하기 때문에, 다소 격렬하게, 또는 폭발적으로 증기가 생성될 수 있다. 이러한 증기는 바람직하게는 최소한의 가스 유동 저항으로 성형 매질을 통해 배출된다. 이와 같이, 다공성 몰드 구조는 바람직하게는 비교적 높은 가스 투과도를 갖는다. 강도 특성 및 투과도는 객관적으로 측정할 수 있으며, 샌드 성형 매질에 대한 허용가능한 그린 강도 및 건조 강도, 뿐만 아니라 투과도가 이제 확립된다.

물품이 캐스팅된 후, 샌드 몰드는 파괴되고 재사용을 위해 모아진다. 과잉 성형 매질, 즉, 후속 캐스팅 사이클에 재사용될 수 없는 파운드리 폐기물은 "성형 폐기물"로 알려져 있다. "성형 폐기물"이라는 어구는 쉐이크아웃(shakeout) 중에 생성되는 스트림으로서의 출력일 수 있는, 파괴된 그린 샌드 몰드 및 코어로부터의 과잉 성형 매질을 지칭한다. 여러 그린 샌드 파운드리에서, 성형 폐기물은 통상적으로 약 80 중량% 내지 약 90 중량%의 샌드, 약 6 중량% 내지 약 10 중량%의 벤토나이트 점토, 및 약 1 중량% 내지 약 4 중량%의 유기 화합물을 포함한다. 성형 폐기물은 본드(bond)로 코팅된 샌드 뿐만 아니라 샌드, 벤토나이트, 및 유기 화합물의 개별 입자를 포함한다.

샌드가 코어의 제조에 재사용될 만큼 충분히 깨끗하도록 샌드로부터 본드를 제거하는 기계적 재생(reclamation)을 통해 성형 폐기물의 축적을 줄이려는 시도가 이루어졌다. 이러한 공정에서 샌드는 회수되지만, 중량 기준으로 샌드보다 몇 배 더 비싼 벤토나이트 점토, 및 유기 화합물은 일반적으로 회수될 수 없다. 기계적 재생의 단점은 초기(prime) 샌드의 비용은 여러 지리적 지역에서 충분히 낮으므로 샌드 회수를 위한 자본 투자는 경제적으로 실현 불가능하다는 것이다.

성형 폐기물 외에도, 금속 캐스팅 공정에서 생성되는 과잉 파운드리 그린 성형 샌드(습윤)는 다른 파운드리 폐기물 스트림으로서 처리될 수 있다. 이러한 소위 "오버플로우 그린 샌드" 폐기물 스트림은 일반적으로 실리카 성형 샌드 및 파운드리에서 사용되는 상대적 비율의 관련 성형 샌드 첨가물 모두를 포함하는 과잉 그린 샌드를 포함한다.

파운드리 폐기물의 다른 공급원은 샌드, 벤토나이트 점토, 유기 화합물, 및 파운드리의 공기 배출 시스템에서 수집된 잔해의 미세 입자를 포함한다. 이러한 파운드리 폐기물은 일반적으로 "백 하우스 더스트(bag house dust)"로 파운드리에 알려져 있다. 백 하우스 더스트는 성형 폐기물보다 벤토나이트 점토를 실질적으로 더 많이 포함하는데, 벤토나이트 점토는 캐스팅 공정에 사용되는 샌드보다 더 미세하며 따라서 공기 중에서 보다 쉽게 이동하기 때문이다. 백 하우스 더스트는 통상적으로 약 40% 내지 약 70%의 샌드, 약 20% 내지 약 50%의 벤토나이트 점토, 및 약 10% 내지 약 30%의 유기 화합물을 포함한다.

샌드 시스템의 물질 수지의 초과 및 각각의 파운드리 고객의 고유 캐스팅 설계를 충족시키기 위한 성형 요건의 변화로 인해, 샌드 몰드 물질로부터의 물질은 일반적으로 사용 후 폐기된다. 성형 시스템의 물질 수지는 각각의 성형 사이클에 대한 성형 시스템의 새로운 샌드, 코어 샌드, 및 성형 샌드의 합으로 정의된다. 다양한 캐스팅 설계 및 각각의 성형 사이클에 사용되는 코어를 유지하는 데 필요한 코어 샌드로 인해, 성형 샌드 시스템에서 샌드의 총량은 성형 시스템의 수용량을 초과할 수 있으며 따라서 각각의 성형 사이클이 끝날 때 폐기될 필요가 있다. 결과적으로, 주입된 금속의 톤당 10% 초과의 샌드 몰드 물질이 단일 파운드리에서 매일 폐기될 수 있다. 이러한 폐기된 물질은 상당한 폐기물을 유발할 수 있고, 처리 및 매립 비용으로 인한 파운드리 비용을 증가시킬 수 있다.

따라서, 그린 샌드 파운드리에서 배출되는 파운드리 폐기물의 양을 줄이는 것이 바람직할 수 있다. 후속 캐스팅 공정에서 사용될 수 있는, 코어 및 그린 샌드 몰드를 제조하는 파운드리에 사용되기에 충분한 품질을 갖는 샌드를 회수하는 공정을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 또한 그린 샌드 몰드의 샌드가 아닌 성분을 회수하는 공정을 제공하여 원료로서 파운드리에 주입되는 새로운 초기 물질(예비혼합물)의 양을 줄이는 것이 바람직할 수 있다. 또한 가공 특성이 개선된 그린 샌드 몰드 조성물을 제공하는 것이 바람직할 수 있다.

일반 양도된 U.S. 6,554,049에 기술된 바와 같이, 파운드리의 공기 배출 시스템에 의해 포집된 백 하우스 더스트를, 굵은(coarse) 샌드가 회수되는 제1 유압(습식) 분리에 적용하고 이어서 벤토나이트 점토 및 유기물이 회수되는 제2 유압 분리에 적용함으로써, 이러한 사용된 성형 매질의 상당한 추가 부분이 재사용을 위해 회수될 수 있고 재순환될 수 있다. 이러한 물질을 재사용하여, 생성된 파운드리 폐기물의 양 뿐만 아니라, 추가의 몰드 및 코어를 제조하는 데 필요한 추가 원료(샌드, 벤토나이트 점토 및 유기물)의 양을 실질적으로 줄일 수 있다.

본 발명에 따라, 이러한 공정에서 재사용을 위해 회수되는 샌드, 벤토나이트 및 유기물의 양은, 습식(유압) 분리 공정 및 건식 분리 공정 모두를 사용하여 파운드리에서 생성된 백 하우스 더스트를 처리함으로써 더 크게 증가할 수 있음이 밝혀졌다. 특히, 습식 분리 공정과 건식 분리 공정의 조합을 사용함으로써, 습식 분리 공정을 단독으로 또는 건식 분리 공정을 단독으로 사용하여 회수될 수 있는 것보다 더 많이 이러한 유용한 성분을 새로운 몰드 및 코어를 제조하는 데 재사용하기 위해 회수할 수 있음이 밝혀졌다.

따라서, 한 측면에서, 본 발명은 그린 샌드 파운드리에서 생성된 파운드리 폐기물로부터 샌드, 벤토나이트 점토 및 유기 화합물을 회수하는 개선된 방법을 제공하며, 상기 방법은 파운드리 폐기물의 제1 부분을 유압 분리에 적용하여 벤토나이트 및 유기 화합물이 풍부한 오버플로우 스트림 및 굵은 샌드가 풍부한 언더플로우 스트림을 생성하는 단계, 파운드리 폐기물의 제2 부분을 건식 분리에 적용하여 굵은 샌드를 포함하는 중질 분획 및 벤토나이트 및 유기 화합물을 포함하는 경질 분획을 생성하는 단계, 및 오버플로우 스트림 및 경질 분획으로부터의 벤토나이트 및 유기 화합물 중 적어도 일부를 그린 샌드 몰드를 제조하기 위한 원료로 사용하는 단계를 포함한다.

다른 측면에서, 파운드리 폐기물은 성형 폐기물, 오버플로우 그린 샌드, 또는 백 하우스 더스트 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 다른 측면에서, 상기 방법은 그린 샌드 몰드를 제조하기 위해 언더플로우 스트림의 굵은 샌드 및/또는 중질 분획의 굵은 샌드를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.

또 다른 측면에서, 상기 방법은 경질 분획으로부터의 벤토나이트 및 유기 화합물을 그린 샌드 몰드를 제조하는 데 사용하기 전에 수성 액체와 조합하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 경질 분획의 벤토나이트 및 유기 화합물을 그린 샌드 몰드를 제조하는 데 사용하기 전에 오버플로우 스트림과 조합하는 단계를 포함할 수 있다.

다른 측면에서, 유압 분리 단계는 응집, 디캔팅, 사이클론 사용, 및 원심 분리 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 유압 분리 단계가 응집을 포함하는 경우, 중합성 응집제의 첨가를 추가로 포함할 수 있다.

다른 측면에서, 상기 방법에 따라 제조된 그린 샌드 몰드는 여러 유익한 특성을 가질 수 있다. 예를 들어 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물을 사용하여 제조된 그린 샌드 몰드는 하기 중 하나 이상을 가질 수 있다: 약 45% 초과의 압축성, 약 15.5 N/cm2 초과의 그린 압축 강도, 약 3.5 N/cm2 초과의 그린 전단 강도, 약 65 초과의 투과도, 약 36 N/cm2 초과의 건조 압축 강도, 약 23 초과의 콘 졸트 인성(cone jolt toughness), 및/또는 약 7.4% 미만의 깨짐성.

또 다른 측면에서, 유기 화합물은 석탄 또는 갈탄 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

추가 측면에서, 성형 샌드 첨가물을 형성하는 방법이 제공되며, 이는 파운드리 폐기물의 제1 부분을 유압 분리에 적용하여 벤토나이트 및 유기 화합물이 풍부한 오버플로우 스트림 및 굵은 샌드가 풍부한 언더플로우 스트림을 생성하는 단계, 파운드리 폐기물의 제2 부분을 건식 분리에 적용하여 굵은 샌드를 포함하는 중질 분획 및 벤토나이트 및 유기 화합물을 포함하는 경질 분획을 생성하는 단계, 및 상기 오버플로우 스트림 및 상기 경질 분획 둘 다의 벤토나이트 및 유기 화합물을 조합하는 단계를 포함한다. 일부 측면에서, 상기 방법은 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물로 성형 샌드 첨가물을 형성하는 단계를 추가로 포함한다.

또 다른 측면에서, 금속 부품을 성형하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 회수된 샌드가 아닌 분획 및 샌드 분획을 포함하는 성형 매질을 제공하는 단계로서 상기 회수된 샌드가 아닌 분획은 유압 분리에 의해 회수된 샌드가 아닌 분획 및 건식 분리에 의해 회수된 샌드가 아닌 분획을 포함하는 것인 단계, 상기 성형 매질로 그린 샌드 몰드를 형성하는 단계; 및 용융 금속을 상기 그린 샌드 몰드에 첨가하는 단계를 포함한다.

본 발명은 하기 도면을 참조하여 보다 잘 이해될 수 있으며, 도 1 및 도 2는 상기 U.S. 6,554,049의 회수 공정을 예시하는 흐름도이고;
도 3은 본 발명의 회수 공정을 예시하는, 도 2와 유사한 흐름도이다.

본 개시내용의 도면 및 설명은 본 개시내용의 명확한 이해와 관련된 요소를 예시하기 위해 단순화되었으며, 명확성을 위해 당업자에게 잘 알려져 있거나 이해될 수 있는 다른 요소가 제거되었다는 것이 이해되어야 한다.

본 개시내용은 캐스팅 시설의 전반적인 폐기물을 줄이면서 동시에 캐스트 성형에 사용되는 성형 샌드 첨가물과 같은 가치있는 회수된 물질을 제공하는 시스템 및 방법을 기술한다. 캐스팅 후 사용된 샌드 몰드를 파괴하는 공정은 상당한 양의 폐기물을 발생시킨다. 이러한 폐기물(성형 폐기물) 중 일부는 새로운 샌드 몰드를 생성하는 데 재사용될 수 없으며 수동으로 폐기 처리된다.

그러나, 예를 들어, 파운드리 시설의 공기가 포집되고 백 하우스라고 불리는 대형 여과 시스템을 통과하는 경우, 다량의 파운드리 폐기물은 파운드리의 공기 배출 시스템에 의해 포집될 수 있다. 여기에서 수집되는 고체 입자는 일반적으로 "백 하우스 더스트"로 지칭되며, 샌드 외에도 상당한 양의 점토 및 유기 화합물로 구성된다. 일부 경우에, 백 하우드 더스트는 통상적으로 약 15 중량% 내지 약 70 중량%의 샌드, 약 20 중량% 내지 약 85 중량%의 벤토나이트 점토, 및 약 10 중량% 내지 약 40 중량%의 유기 화합물을 포함할 수 있다. 백 하우스 더스트 중에 존재하는 높은 수준의 벤토나이트 점토 및 유기 화합물은 백 하우스 더스트를 그린 캐스트 성형에 사용되는 첨가물용 원료의 잠재적으로 가치있는 공급원이 되게 한다.

파운드리 폐기물은 그린 오버플로우 샌드 또는 성형 폐기물의 형태로 포집될 수도 있다. "성형 폐기물"은 그린 샌드 몰드 및 코어가 캐스팅 후 파괴되는 경우 포집될 수 있다. 일부 그린 샌드 파운드리에서, 성형 폐기물은 약 80 중량% 내지 약 90 중량%의 샌드, 약 6 중량% 내지 약 10 중량%의 벤토나이트 점토, 및 약 1 중량% 내지 약 4 중량%의 유기 화합물을 포함할 수 있다. 성형 폐기물은 본드로 코팅된 샌드 뿐만 아니라 샌드, 벤토나이트, 및 유기 화합물의 개별 입자를 포함한다. "그린 오버플로우 샌드"는 금속 캐스팅 공정에서 생성되는 과잉 파운드리 그린 성형 샌드(습윤)를 지칭한다.

한 실시양태에서, 본 개시내용의 방법 및 시스템은 임의로 포집된 백 하우스 더스트, 성형 폐기물, 또는 그린 오버플로우 샌드 중 1종 이상을 이용하여, 예를 들어 파운드리 예비혼합물의 성분으로 사용하기 위한 건조 성형 샌드 첨가물을 생성할 수 있다. 건조는 수분이 없는 느낌(촉감)을 지칭한다. 상업용 성형 샌드 첨가물은 통상적으로 최대 15%의 수분 함량을 갖는다. 본 특허 출원의 목적상 "건조" 성형 샌드 첨가물은 유사할 수 있으나, 최대 30%의 수분 함량, 예컨대 최대 20%의 수분 함량을 갖는다.

한 측면에서, 본 개시내용의 방법 및 시스템은 포집된 백 하우스 더스트, 성형 폐기물, 또는 그린 오버플로우 샌드 중 1종 이상을 이용하여, 새로운 성형 매질 또는 새로운 예비혼합물 조성물로 직접 재활용될 캐스트 성형용 성형 샌드 첨가물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 백 하우스 더스트, 성형 폐기물, 또는 그린 오버플로우 샌드의 샌드 분획 및 샌드가 아닌 분획은 당업계에 공지된 방법을 사용하여 서로 분리된다. 이러한 분리는 성형 샌드 첨가물 중 샌드가 아닌 분획의 성분 수준을 조절하는 것을 가능하게 할 수 있다. 가공되지 않거나 분리된 샌드가 아닌 분획에서 발견되는 높은 수준의 점토 및 유기 화합물은 회수된 성형 폐기물이 재순환되지 않은 "새로운" 물질, 예컨대 재순환되지 않은 샌드가 아닌 분획 또는 재순환되지 않은 샌드 분획과 함께 재사용되거나 재순환될 수 있는 캐스팅 조성물용 중요 성분을 제공할 수 있게 한다. 일부 실시양태에서, 형성된 성형 샌드 첨가물 또는 성형 샌드 조성물은 이전에 재순환된 샌드가 아닌 분획 또는 샌드 분획의 성분을 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 성형 폐기물의 샌드가 아닌 분획은 시판되는 예비혼합물과 비교하여 낮은 수준의 다른 불순물(예를 들어, 황)을 가질 수 있으며 따라서 선행 기술에 비해 개선되었음을 나타낸다. 일부 실시양태에서, 황은 혼합물의 0.03 중량% 미만일 수 있다.

일부 실시양태에서, 수집된 성형 폐기물은 유압 분리 공정을 단독으로 또는 다른 분리 공정과 조합하여 사용하여 분리될 수 있다.

일부 실시양태에서, 회수된 성형 폐기물의 수함량은 임의로 탈수 공정, 예를 들어 분무 건조, 응집, 유압 분리, 및/또는 직교류 여과를 통해 감소될 수 있다. 수분 감소는 성형 샌드 첨가물의 수분 함량을 0% 내지 20%로 감소시킬 수 있다. 일부 실시양태에 따르면, 샌드가 아닌 분획의 수분 함량은 20% 초과, 또는 약 25% 초과로 유지되어 샌드가 아닌 분획 중 수화된 벤토나이트의 유익한 특성을 유지할 수 있다.

성형 샌드 첨가물 또는 성형 샌드 조성물에 사용하기 위한 회수된 물질의 슬러리는 샌드 성분, 샌드가 아닌 성분, 또는 두 성분의 조합을 포함할 수 있다. 원할 경우, 슬러리는 캐스팅 공정의 특정 요건에 따라 부분적으로 또는 완전히 탈수될 수 있다.

성형 폐기물의 회수된 부분의 샌드가 아닌 분획에서 발견되는 다양한 성분의 상대적 수준은 점토 또는 유기 화합물을 첨가하여 조절되어 원하는 특성을 갖는 성형 샌드 첨가물을 형성하기 위한 적절한 농도를 달성할 수 있다. 점토 또는 유기 성분의 첨가는 샌드 성형 공정으로부터 회수되지 않은 것인 재순환되지 않은 또는 "새로운" 점토 또는 유기 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에 따르면, 점토 또는 유기 성분의 첨가는 샌드 성형 공정으로부터 이전에 재순환된 점토 또는 유기 성분을 포함할 수 있다. 첨가물의 구체적인 양은 성형 폐기물의 회수된 부분의 특정 조성에 따라 달라질 것이고, 고객이 요구하는 새로운 성형 샌드 조성물의 요건 또는 다음 캐스팅의 요건에 따라 달라질 것이다. 성형 샌드 첨가물의 pH는 일반적으로 염기성이며 약 7 내지 약 11의 pH 범위일 수 있다. 성형 샌드 첨가물은 확립되면 캐스팅 공정에 이전에 사용된 성형 샌드와 조합되어 캐스팅 공정에 효과적으로 사용될 수 있는 새로운 성형 샌드를 생성할 수 있다.

일부 실시양태에 따르면, 성형 폐기물로부터 재순환된 샌드가 아닌 분획을 사용하여, 예를 들어, 그린 압축 강도, 그린 전단 강도, 투과도, 건조 압축 강도, 및/또는 콘 졸트 인성 중 하나 이상을 증가시킴으로써 성형 샌드 첨가물의 특성을 개선할 수 있다. 성형 폐기물로부터 재순환된 샌드가 아닌 분획을 사용하여, 예를 들어, 성형 샌드 첨가물의 깨짐성을 감소시킴으로써 성형 샌드 첨가물의 특성을 개선할 수 있다.

몇 가지 구체적인 실시예가 제공된다. 각각의 실시예는 철 물품의 캐스팅에 사용되는 성형물을 형성하기 위한 샌드 성형 매질의 배치(batch)를 포함하지만, 다른 금속이 캐스팅될 수 있다. 몇 가지 실시예의 샌드 성형 매질의 배치는 공통성을 가지며, 이는 본 개시내용의 개선의 이해를 용이하게 한다.

도 1은 초기(즉, 새로운) 실리카 샌드(1) 및 화학 결합제(3)가 코어 형성 단계(A)에서 코어를 제조하는 데 사용되고, 실리카 샌드(2), 벤토나이트 점토(4) 및 유기 화합물(5)이 몰드 형성 단계(B)에서 그린 샌드 몰드를 제조하는 데 사용되는 통상적인 그린 샌드 캐스팅 공정을 예시한다. 그린 샌드 몰드는 일반적으로 "본드"로 알려진 벤토나이트와 유기 화합물의 혼합물로 코팅된 샌드를 프레스 성형하여 제조된다. 유입 스트림(6)으로부터의 물을 첨가하여 본드를 수화시키고 샌드 알갱이가 서로 부착되어 형상을 갖도록 한다. 그린 샌드 몰드는 통상적으로 약 86 내지 90 중량%의 샌드, 8 내지 10 중량%의 벤토나이트 점토, 2 내지 4 중량%의 유기 화합물 및 2 내지 4 중량%의 수분을 포함한다.

단계(C)에서의 캐스팅 후, 캐스팅이 이루어진 그린 샌드 몰드/코어는 쉐이크아웃 스테이션(D)에서 작은 입자 또는 덩어리로 분해된다. 유출 스트림(7)으로 표시되는 이러한 사용된 성형 매질 중 일부는 추가의 그린 샌드 몰드를 제조하기 위해 몰드 형성 단계(B)로 재순환되며, 나머지는 유출 스트림(8)을 통해 폐기물로 배출된다. 몰드 형성 단계(B)에 첨가되는 초기(새로운) 샌드(2), 초기(새로운) 벤토나이트 점토(4) 및 초기(새로운) 유기 화합물(5)은 유출 스트림(8) 및 다른 곳을 통해 시스템에서 손실된 샌드, 벤토나이트 점토 및 유기물을 보충한다.

통상적인 그린 샌드 파운드리에서 생성된 폐기물인 "파운드리 폐기물"은 일반적으로 "성형 폐기물" 및 "백 하우스 더스트"를 포함한다. "성형 폐기물"은 쉐이크아웃 스테이션(D)로부터의 유출 스트림(8) 중의 사용된 성형 매질, 성형 폐기물(9)로 예시된 것과 같은 사용되지 않은 또는 결함이 있는 몰드 및 코어로 형성된 성형 폐기물, 및 파운드리 전체의 여러 장소의 컨베이어 시스템에서 떨어진 성형 매질을 포함한다. 여러 그린 샌드 파운드리에서, 성형 폐기물은 통상적으로 약 80 내지 90 중량%의 샌드, 약 6 내지 10 중량%의 벤토나이트 점토 및 약 1 내지 4 중량%의 유기 화합물을 포함한다.

한편, 미세 입자의 형태로 존재하는 "백 하우스 더스트"는 통상적으로 약 40 내지 70 중량%의 샌드 및 약 10 내지 30 중량%의 유기물을 포함한다. 또한, 백 하우스 더스트는 통상적으로 약 20 내지 50 중량%의 벤토나이트 점토를 포함하며, 이는 성형 폐기물에 포함된 것보다 상당히 더 많은 것이다.

성형 폐기물 및 백 하우스 더스트로부터 샌드, 벤토나이트 및 유기물을 회수하고 재순환시키려는 다양한 시도가 이루어졌지만, 실용적인 문제로 특히 성공적인 것으로 입증된 것은 없다.

도 2는 일련의 유압(습식) 분리 단계를 사용하여 통상적인 그린 샌드 파운드리에서 발견되는 백 하우스 더스트에 포함된 상당한 양의 유용한 성분을 회수하고 재순환시키는 예시적 회수 공정을 예시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 슬러리 단계(E)에서 백 하우스 더스트(10)와 물(22)을 혼합하여 슬러리(24)를 생성하고 이는 이어서 제1 분리 단계(F)로 옮겨지며 여기에서 언더플로우 스트림(28) 및 오버플로우 스트림(26)으로 유압 분리된다. 언더플로우 스트림(28)은 슬러리(24)에 원래 존재하는 더 굵은, 더 무거운 샌드 입자를 포함하며 일반적으로 이 슬러리에 원래 존재하는 샌드의 40% 이상, 보다 통상적으로는 50 내지 80%를 포함한다. 한편, 오버플로우 스트림(26)은 일반적으로 슬러리(24)의 벤토나이트 점토의 약 60% 이상을 포함한다.

탈수 단계(H)에서의 탈수 후, 언더플로우 스트림(28)의 더 굵은, 더 무거운 샌드 입자는 (34)에서 몰드 형성 단계(B)로 재순환되며, 소량의 벤토나이트 및 유기물을 포함하는 언더플로우 스트림(28)의 물은 또한 (36)에서 몰드 형성 단계(B)로 재순환된다. 원하는 경우, 언더플로우 스트림(28)의 더 굵은, 더 무거운 샌드 입자는 건조될 수 있고 몰드 형성 단계(B)가 아닌 코어 형성 단계(A)로 재순환될 수 있다.

한편, 오버플로우 스트림(26)은 제2 분리 단계(G)로 이송될 수 있으며 여기에서 폐기물 스트림(32) 및 배출물 유출 스트림(30)으로 유압 분리된다. 백 하우스 더스트(10)의 조성 뿐만 아니라 제1 유압 분리 단계(F)가 어떻게 작동되었는지에 따라, 배출물 오버플로우 스트림(26)은 상당한 양의 샌드를 포함할 수 있으며 이의 입자 크기는 20 마이크론 이하로 추가의 그린 샌드 몰드를 제조하는 데 사용하기에는 너무 작다. 따라서, 오버플로우 스트림(26)을 제2 유압 분리 단계(G)에서 처리하여 이러한 미세 샌드 함량 뿐만 아니라 이러한 스트림에 존재할 수 있는 다른 잔해를 제거한다.

분리 단계(F)를 수행하여 슬러리(24) 중의 약 60 중량% 이상의 벤토나이트 점토, 예를 들어 약 70 내지 95 중량%의 벤토나이트 점토, 및 슬러리(24) 중의 70 내지 90 중량%의 유기물이 오버플로우 스트림(26)에 회수될 수 있다. 이는 배출물 유출 스트림(30)이 통상적으로 오버플로우 스트림(26)에 원래 존재하는 대부분의 벤토나이트 점토 및 유기 화합물 뿐만 아니라 오버플로우 스트림(26)에 원래 포함된 샌드의 약 5 중량% 이하, 약 3 중량% 이하 또는 약 1 중량% 이하를 포함한다는 것을 의미한다. 또한, 이는 배출물 스트림이 통상적으로 슬러리(24)에 원래 존재하는 벤토나이트의 약 50 중량% 이상, 보다 통상적으로는 약 70 중량% 이상 또는 85 중량%를 포함하는 것을 의미한다. 오버플로우 스트림(26)에 남아있는 벤토나이트 점토의 대부분은 탈수 후 재수화되는 경우 일부 활성 결합 특성을 나타낼 것이라는 점에서 "활성"이기 때문에, 배출물 유출 스트림(30)은 추가의 그린 샌드 몰드를 제조하기 위해 몰드 형성 단계(B)에 재순환된다.

U.S. 6,554,049에 추가로 기술된 바와 같이, 쉐이크아웃 단계(D)로부터 유도된 성형 폐기물(8)과 같은 통상적인 그린 샌드 캐스팅 공정(도 1)에 의해 생성된 성형 폐기물 및 성형 폐기물(9)로 예시된 바와 같은 사용되지 않은 또는 결함이 있는 몰드 및 코어로 형성된 성형 폐기물은 또한 본 특허 출원의 유압 분리 공정으로 처리될 수 있다. 이는 또한 도 2에 예시되며, 도 2는 초기 건조, 스크리닝 및 탈자기 단계(I)를 거친 후 이러한 폐기물이 기계적 분리 단계(J)에서 기계적으로 분리되어 경질 분획(도 2의 잔류 스트림(56)) 및 중질 분획(유출 스트림(58))을 생성함을 도시한다. 샌드, 벤토나이트 점토 및 유기 화합물로 구성된 잔류 스트림(56)은 슬러리 단계(E)로 재순환되며 여기에서 새로운 백 하우스 더스트 및 물과 조합되고, 그 후 제1 유압 분리 단계(F) 및 제2 유압 분리 단계(G)가 적용된다. 한편, 주로 굵은 샌드로 구성된 유출 스트림(58)은 마무리 단계(K)에서 세척되고 건조된 후 유출 스트림(60)으로서 코어 형성 단계(A)로 재순환된다.

본 발명의 공정의 한 측면이 도 3에 예시되며, 도 3은 공급 라인(10)의 백 하우스 더스트가 2개의 부분으로 나누어지고, 제1 부분은 공급 라인(70)을 통해 슬러리(24)를 생성하기 위한 슬러리 단계(E)로 이송되고 제2 부분은 공급 라인(72)을 통해 건식 분리 스테이션(M)으로 이송되는 것을 도시한다. 이러한 스테이션은 하나 이상의 사이클론 또는 입자 혼합물을 크기, 밀도 또는 둘 다를 기준으로 별도의 분획으로 분리할 수 있는 임의의 다른 유형의 장치로 구성될 수 있다. 본 발명에 따라, 백 하우스 더스트는 건식 분리 스테이션(M)에서 주로 벤토나이트 및 탄소로 구성되는 경질 분획(78), 주로 굵은 중간 등급 샌드로 구성되는 중질 분획(76) 및 임의로 추가의 코어 및/또는 몰드를 제조하는 데 사용하기에 적합하지 않은 미세물질로 주로 구성되는 중간 분획(74)인 2종 이상의 상이한 분획으로 분리될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 중간 분획(74)은 폐기물로 배출되고, 중질 분획(76)은 별도로 또는 탈수 스테이션(H)에서 배출되는 굵은 샌드(34)와 조합된 후 몰드 형성 스테이션(B)으로 재순환된다. 한편, 경질 분획(78)도 몰드 형성 스테이션(B)으로 재순환된다. 도시된 특정 실시양태에서, 경질 분획(78)은 슬러리 스테이션(N)에 공급되며 여기에서 제2 유압 분리 단계(G)에서 배출되는 배출물 유출 스트림(30)과 조합되어, 몰드 형성 스테이션(B)으로 반송되기 전에 슬러리(80)를 형성한다. 그러나, 원하는 경우, 경질 분획(78)은 예를 들어 적당량의 물 또는 다른 수성 액체와 조합된 후 몰드 형성 스테이션(B)으로 별도로 반송될 수도 있다.

이러한 점에서, 상기 U.S. 6,554,049의 회수 공정에 의해 제조된 몰드 및 코어는 일반적으로 종래의 방식으로 제조된 몰드 및 코어보다 고온 압축 강도, 깨짐 내성, 그린 강도 및 습윤 인장 강도를 포함하는 더 나은 성형 특성을 나타낸다는 것을 이해하여야 한다. 어떠한 이론에도 얽매이지 않길 바라지만, 이러한 결과는 파운드리의 백 하우스 더스트에서 발견되는 벤토나이트 분획을 회수하는 것 외에도 유압 분리 단계(F 및 G)가 또한 이러한 회수된 벤토나이트가 몰드 형성 스테이션(B)으로 반송되기 전에 이를 완전히 수화시킬 수 있다는 사실 때문이라고 여겨진다. 대조적으로, 몰드 형성 스테이션(B)에 공급될 때 통상적으로 탈수 분말 형태로 존재하는 새로운(초기) 벤토나이트는 몰드 또는 코어로 형성되기 전에 완전히 수화되기에 충분한 시간을 갖지 못할 수 있다. 이러한 차이 때문에, 이러한 재순환된 벤토나이트는 이의 높은 수함량으로 인해 새로운(초기) 벤토나이트보다 더 나은 결합 강도를 제공한다고 여겨진다.

어떠한 경우에도, 본 발명에 따르면, 경질 분획(78)은 제2 유압 분리 단계(G)에서 배출되는 배출물 유출 스트림(30)과 조합됨으로써, 또는 그렇지 않으면 몰드 형성 단계(B)로 재순환되기 전에 물 또는 다른 수성 액체와 조합되어 이러한 스트림의 회수된 벤토나이트가 가능한 한 많이 수화되게 할 수 있다. 통상적인 그린 샌드 파운드리의 백 하우스 더스트에서 발견되는 것과 같은 건조, 분말형 벤토나이트는 일반적으로 약 0.5 내지 4 중량%의 물을 포함하지만, 완전히 수화된 벤토나이트는 일반적으로 약 8 내지 14 중량%의 물을 포함한다. 본 발명에 따르면, 경질 분획(78)은 몰드 형성 단계(B)로 재순환되기 전에 이러한 스트림의 벤토나이트를 8 중량% 이상, 보다 통상적으로는 10 중량% 이상, 12 중량% 이상 또는 14 중량% 이상의 수분 수준으로 수화시킬 수 있는 시간 동안 및 조건 하에서 물 또는 다른 수성 액체와 조합될 수 있다.

앞서 나타낸 바와 같이, 경질 분획(78)은 몰드 형성 단계(B)로 재순환되기 전에 제2 유압 분리 단계(G)에서 배출되는 배출물 유출 스트림(30)과 조합될 수 있다. 일부 경우에서, 이러한 접근법은 통상적인 그린 샌드 정제소의 백 하우스 더스트 중 가치있는 성분의 최대량을 회수하고 재사용할 수 있게 한다.

이러한 점에서, 몰드 및 코어는 일반적으로 몰드 형성 성분의 수성 슬러리로 제조되며 적합한 형상으로 형성되고 이어서 건조된다. 산업용 그린 샌드 파운드리에서, 각각의 몰드/코어를 제조하는 데 소요되는 시간과 관련된 제한 요인은 이러한 슬러리를 구성하는 데 사용되는 물의 양인데, 물의 양이 많을수록 슬러리가 건조되는 데 많은 시간을 필요로 하기 때문이다. 따라서, 이러한 슬러리에 포함될 수 있는 물의 양은 실용적 최대값으로 제한된다.

상기 U.S. 6,554,049의 기술은 통상적인 그린 샌드 파운드리의 백 하우스 더스트에 포함된 상당한 양의 가치있는 성분을 회수하고 재사용할 수 있게 하지만, 그러지 못한 상당한 양의 이러한 성분이 여전히 남아있다. 이는 대부분의 회수된 벤토나이트 및 유기물을 포함하는 공정 스트림인, 제2 유압 분리 스테이션(G)을 통과하는 배출물 유출 스트림(30) 또한 상당한 양의 물을 포함하기 때문이다. 유압 분리 스테이션(F 및 G)이 통상적인 그린 샌드 파운드리의 백 하우스 더스트 중 대부분의 또는 모든 벤토나이트를 배출물 유출 스트림(30)에서 회수하는 방식으로 작동할 경우, 이러한 스트림 중 물의 양은 몰드 형성 스테이션(B)이 처리하기에 너무 많을 수 있다. 이러한 제약의 실제 효과는, 회수되고 재사용될 수 있는 통상적인 그린 샌드 파운드리의 백 하우스 더스트 중 벤토나이트의 양이 통상적으로 존재하는 벤토나이트의 총량의 약 10 내지 30 중량%로 제한된다는 것이다. 이러한 제약은 건식 분리 섹션(M)을 통과하는 경질 분획(78)과 제2 유압 분리 단계(G)에서 배출되는 배출물 유출 스트림(30)을 조합함으로써 해결될 수 있다. 결과적으로, 회수될 수 있는 벤토나이트의 양은 상당히 증가할 수 있다고 여겨지는데(대략 2배), 몰드 성형 스테이션(B)으로 용이하게 재순환될 수 있는 슬러리(80)를 생성하는 데 물의 거의 또는 전혀 필요하지 않고 이러한 슬러리 중의 벤토나이트의 양이 상당히 증가할 수 있기 때문이다.

Claims (20)

1. 그린 샌드 파운드리(green sand foundry)에 의해 생성된 파운드리 폐기물로부터 샌드, 벤토나이트 점토 및 유기 화합물을 회수하는 방법으로서,
   파운드리 폐기물의 제1 부분을 유압 분리에 적용하여, 벤토나이트 및 유기 화합물이 풍부한 오버플로우 스트림 및 굵은(coarse) 샌드가 풍부한 언더플로우 스트림을 생성하는 단계,
   파운드리 폐기물의 제2 부분을 건식 분리에 적용하여, 굵은 샌드를 포함하는 중질 분획 및 벤토나이트 및 유기 화합물을 포함하는 경질 분획을 생성하는 단계, 및
   그린 샌드 몰드를 제조하기 위한 원료로서 상기 오버플로우 스트림 및 상기 경질 분획으로부터의 벤토나이트 및 유기 화합물 중 적어도 일부를 사용하는 단계
   를 포함하는 회수 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 파운드리 폐기물은 성형 폐기물을 포함하는 것인 회수 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 파운드리 폐기물은 오버플로우 그린 샌드를 포함하는 것인 회수 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 파운드리 폐기물은 백 하우스 더스트(bag house dust)를 포함하는 것인 회수 방법.
5. 제1항에 있어서, 그린 샌드 몰드를 제조하기 위해 언더플로우 스트림의 굵은 샌드 및/또는 중질 분획의 굵은 샌드를 사용하는 단계를 추가로 포함하는 회수 방법.
6. 제1항에 있어서, 경질 분획으로부터의 벤토나이트 및 유기 화합물을 그린 샌드 몰드를 제조하는 데 사용하기 전 수성 액체와 조합하는 것인 회수 방법.
7. 제1항에 있어서, 경질 분획의 벤토나이트 및 유기 화합물을 그린 샌드 몰드를 제조하는 데 사용하기 전 오버플로우 스트림과 조합하는 것인 회수 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 유압 분리는 응집, 디캔팅, 사이클론 사용, 및 원심 분리 중 하나 이상을 포함하는 것인 회수 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 응집은 중합성 응집제의 첨가를 포함하는 것인 회수 방법.
10. 제1항에 있어서, 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물을 사용하여 제조된 그린 샌드 몰드는 45% 초과의 압축성을 갖는 것인 회수 방법.
11. 제1항에 있어서, 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물을 사용하여 제조된 그린 샌드 몰드는 15.5 N/cm² 초과의 그린 압축 강도를 갖는 것인 회수 방법.
12. 제1항에 있어서, 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물을 사용하여 제조된 그린 샌드 몰드는 3.5 N/cm² 초과의 그린 전단 강도를 갖는 것인 회수 방법.
13. 제1항에 있어서, 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물을 사용하여 제조된 그린 샌드 몰드는 65 초과의 투과도를 갖는 것인 회수 방법.
14. 제1항에 있어서, 성형 샌드 첨가물을 사용하여 제조된 그린 샌드는 36 N/cm² 초과의 건조 압축 강도를 갖는 것인 회수 방법.
15. 제1항에 있어서, 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물을 사용하여 제조된 그린 샌드 몰드는 23 초과의 콘 졸트 인성(cone jolt toughness)을 갖는 것인 회수 방법.
16. 제1항에 있어서, 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물을 사용하여 제조된 그린 샌드 몰드는 7.4% 미만의 깨짐성을 갖는 것인 회수 방법.
17. 제1항에 있어서, 상기 유기 화합물은 석탄 또는 갈탄 중 1종 이상을 포함하는 것인 회수 방법.
18. 파운드리 폐기물의 제1 부분을 유압 분리에 적용하여, 벤토나이트 및 유기 화합물이 풍부한 오버플로우 스트림 및 굵은 샌드가 풍부한 언더플로우 스트림을 생성하는 단계,
    파운드리 폐기물의 제2 부분을 건식 분리에 적용하여, 굵은 샌드를 포함하는 중질 분획 및 벤토나이트 및 유기 화합물을 포함하는 경질 분획을 생성하는 단계, 및
    상기 오버플로우 스트림 및 상기 경질 분획 둘 다의 벤토나이트 및 유기 화합물을 조합하는 단계
    를 포함하는, 성형 샌드 첨가물을 형성하는 방법.
19. 제17항에 있어서, 회수된 벤토나이트 및 유기 화합물로 성형 샌드 첨가물을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
20. 회수된 샌드가 아닌 분획 및 샌드 분획을 포함하는 성형 매질을 제공하는 단계로서,
    상기 회수된 샌드가 아닌 분획은 제1항의 상기 오버플로우 스트림 및 상기 경질 분획 둘 다에서의 벤토나이트 및 유기 화합물의 조합을 포함하는 것인 단계,
    상기 성형 매질로 그린 샌드 몰드를 형성하는 단계, 및
    상기 그린 샌드 몰드에 용융 금속을 첨가하는 단계
    를 포함하는, 금속 부품의 성형 방법.