特開 2024-85935 砂処理装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024085935

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】砂処理装置

(51)【国際特許分類】

   B22C 5/00 20060101AFI20240620BHJP

   F23C 10/00 20060101ALI20240620BHJP

   B01J 8/24 20060101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

B22C5/00 A

F23C10/00

B01J8/24 311

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022200727

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】501003825

【氏名又は名称】株式会社 タニキカン

(71)【出願人】

【識別番号】000165000

【氏名又は名称】群栄化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001298

【氏名又は名称】弁理士法人森本国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷 竹治

(72)【発明者】

【氏名】永井 康弘

(72)【発明者】

【氏名】谷 文彦

(72)【発明者】

【氏名】谷 貴行

(72)【発明者】

【氏名】迫田 明紀

【テーマコード（参考）】

3K064

4E093

4G070

【Ｆターム（参考）】

3K064AA08

3K064AB03

3K064AD08

4E093AA01

4G070AA01

4G070AB06

4G070BB32

4G070CA06

4G070CA07

4G070CA10

4G070CA19

4G070CA25

4G070CB25

4G070DA23

(57)【要約】

【課題】加熱装置から固体粒子の流動層への熱伝達率が向上し、固体粒子を均一に加熱して固体粒子の付着物を除去することができる砂処理装置（流動槽）を提供する。
【解決手段】固体粒子２を焙煎して付着物を除去する流動槽１であって、容器５と、容器５の底部から容器５内に流動用気体８を供給する気体供給部９と、容器５内に備えられた第１加熱装置１０とを有し、気体供給部９から容器５内に供給される流動用気体８によって流動する固体粒子２の流動層２２が容器５内に形成され、第１加熱装置１０は流動層２２内に設けられている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

再利用の妨げとなる付着物が表面に付着した固体粒子を焙煎して付着物を除去する砂処理装置であって、
容器と、
固体粒子を容器内に投入する投入口と、
容器内の固体粒子を排出する排出口と、
容器の底部から容器内に流動用気体を供給する気体供給部と、
容器内に備えられた第１加熱装置とを有し、
気体供給部から容器内に供給される流動用気体によって流動する固体粒子の流動層が容器内に形成され、
第１加熱装置は流動層内に設けられていることを特徴とする砂処理装置。

【請求項2】

第１加熱装置は、熱を発生する発熱装置と、発熱装置の外側を覆って発熱装置を流動する固体粒子から保護する保護部材とを有することを特徴とする請求項１記載の砂処理装置。

【請求項3】

第１加熱装置は電熱式であることを特徴とする請求項１記載の砂処理装置。

【請求項4】

流動層は気体供給部の上方に形成され、
流動層と気体供給部とを仕切る仕切板が容器内に設けられ、
仕切板は流動用気体を気体供給部から流動層へ通過させることを特徴とする請求項１記載の砂処理装置。

【請求項5】

仕切板は通気性を有する多孔質の焼結金属で形成されていることを特徴とする請求項４記載の砂処理装置。

【請求項6】

投入口から排出口に至る流路が容器内に形成され、
流路は、固体粒子が下向きに流れる下降流路と、固体粒子が上向きに流れる上昇流路とを有し、
下降流路と上昇流路とにそれぞれ第１加熱装置が設けられていることを特徴とする請求項１記載の砂処理装置。

【請求項7】

流動用気体を加熱する第２加熱装置が気体供給部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の砂処理装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、再利用の妨げとなる付着物が表面に付着した固体粒子を焙煎して付着物を除去する砂処理装置（流動槽）に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、下記特許文献１に記載されているように、使用済みの鋳物砂を炉内で流動化させて流動層を形成し、バーナの火炎によって流動する鋳物砂を燃焼させることにより、鋳物砂の表面に付着した有機成分（樹脂系粘結材等）を除去して、鋳物砂を再生する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１１－２８５７７９

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の従来形式では、バーナは、炉壁に形成された凹部内に配置されているため、炉内の流動層から離れた位置にある。このため、バーナの火炎から鋳物砂の流動層への熱伝達率が低下するといった問題がある。また、鋳物砂の流動層を均一に加熱することは難しく、鋳物砂が過剰に加熱されて過熱劣化したり、或いは、鋳物砂の加熱が不足して、鋳物砂に付着した有機成分を十分に除去することができないといった問題がある。
また、流動層に団塊が発生する問題を解消するために、使用済みの鋳物砂に再生した鋳物砂を混合して加熱する必要がある。

【0005】

本発明は、加熱装置から固体粒子の流動層への熱伝達率が向上し、固体粒子を均一に加熱して固体粒子の付着物を除去することができる砂処理装置（流動槽）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】

【0006】

上記目的を達成するために、本第１発明は、再利用の妨げとなる付着物が表面に付着した固体粒子を焙煎して付着物を除去する流動槽であって、
容器と、
固体粒子を容器内に投入する投入口と、
容器内の固体粒子を排出する排出口と、
容器の底部から容器内に流動用気体を供給する気体供給部と、
容器内に備えられた第１加熱装置とを有し、
気体供給部から容器内に供給される流動用気体によって流動する固体粒子の流動層が容器内に形成され、
第１加熱装置は流動層内に設けられているものである。

【0007】

これによると、投入口から容器内に投入された固体粒子は、気体供給部から容器内に供給される流動用気体によって流動しながら、第１加熱装置によって加熱される。これにより、固体粒子が焙煎されて昇温し、固体粒子の付着物が加熱分解して気化し除去される。その後、固体粒子を排出口から排出することにより、固体粒子を再利用することができる。

【0008】

第１加熱装置は固体粒子の流動層内に設けられているため、流動層における固体粒子が第１加熱装置に接し、第１加熱装置から流動層の固体粒子への熱伝達率が向上する。また、第１加熱装置を複数設けた場合、固体粒子の流動層を均一に加熱することができる。このため、流動層の固体粒子が過剰に加熱されて過熱劣化するのを防止することができる。或いは、流動層の固体粒子の加熱不足を防止することができ、固体粒子の付着物が十分に加熱分解して気化し除去される。

【0009】

本第２発明における流動槽は、第１加熱装置は、熱を発生する発熱装置と、発熱装置の外側を覆って発熱装置を流動する固体粒子から保護する保護部材とを有するものである。

【0010】

これによると、発熱装置から発生した熱は保護部材を介して流動層の固体粒子に伝達する。発熱装置は保護部材で保護されているため、流動層において流動する固体粒子が発熱装置に直接当接することはなく、発熱装置の損傷を防止することができる。

【0011】

本第３発明における流動槽は、第１加熱装置は電熱式であるものである。
本第４発明における流動槽は、流動層は気体供給部の上方に形成され、
流動層と気体供給部とを仕切る仕切板が容器内に設けられ、
仕切板は流動用気体を気体供給部から流動層へ通過させるものである。
これによると、流動用気体は気体供給部から仕切板を通って流動層へ供給される。

【0012】

本第５発明における流動槽は、仕切板は通気性を有する多孔質の焼結金属で形成されているものである。
これによると、仕切板に多数の微細な孔を形成することができるため、流動用気体は気体供給部から仕切板の微細な孔を通って流動層へ供給される。また、流動層において流動している固体粒子が仕切板の微細な孔を通って気体供給部に落下するのを防止することができる。

【0013】

本第６発明における流動槽は、投入口から排出口に至る流路が容器内に形成され、
流路は、固体粒子が下向きに流れる下降流路と、固体粒子が上向きに流れる上昇流路とを有し、
下降流路と上昇流路とにそれぞれ第１加熱装置が設けられているものである。

【0014】

これによると、投入口から容器内に投入された固体粒子は、下降流路と上昇流路とを流れながら第１加熱装置で加熱され、その後、排出口から排出される。このように、下降流路と上昇流路とを流れることによって固体粒子が混合されるため、流動層における固体粒子を均一に加熱することができる。
また、固体粒子が投入口から排出口に到達するまでの滞留時間を長く保つことができるため、流動層における固体粒子を十分に加熱することができる。

【0015】

本第７発明における流動槽は、流動用気体を加熱する第２加熱装置が気体供給部に設けられているものである。

【0016】

これによると、気体供給部において、第２加熱装置によって流動用気体を加熱（予熱）することができるため、加熱（予熱）された高温の流動用気体が気体供給部から容器内に供給され、固体粒子は、高温の流動用気体によって流動しながら、第１加熱装置によって加熱される。これにより、流動層において流動する固体粒子を高温に保つことができ、固体粒子が十分に加熱されて焙煎され、固体粒子の付着物が確実に除去される。

【発明の効果】

【0017】

以上のように本発明によると、加熱装置から固体粒子の流動層への熱伝達率が向上し、固体粒子を均一に加熱して固体粒子の付着物を除去することができる

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の第１の実施の形態における流動槽の断面図である。

【図2】図１におけるＸ－Ｘ断面図である。

【図3】図１におけるＹ－Ｙ断面図である。

【図4】同、流動槽に設けられた第１加熱装置の図である。

【図5】同、流動槽の一部を拡大表示した断面図である。

【図6】本発明の第２の実施の形態における流動槽の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明における実施の形態を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）

【0020】

第１の実施の形態では、図１に示すように、１は、使用済みの鋳物砂２（固体粒子の一例）を焙煎して再生するための流動槽（砂処理装置の一例）である。使用済みの鋳物砂２の表面には樹脂系粘結材等の有機物（再利用の妨げとなる付着物の一例）が付着しているので、有機物を除去するために鋳物砂２を焙煎する。

【0021】

図１～図３に示すように、流動槽１は、容器５と、使用済みの鋳物砂２を容器５内に投入する投入口６と、容器５内の鋳物砂２を排出する排出口７と、容器５の底部から容器５内に空気８（流動用気体の一例）を供給する気体供給室９（気体供給部の一例）と、容器５内に備えられた複数の第１加熱装置１０と、気体供給室９内に設けられた第２加熱装置１１とを有している。
容器５は、四角箱状の容器であり、底壁１４と、前後一対の前壁１５および後壁１６と、左右一対の側壁１７，１８と、天井壁１９とを有している。

【0022】

投入口６は天井壁１９に設けられ、排出口７は後壁１６に設けられている。投入口６の上流側および排出口７の下流側にはそれぞれロータリーバルブ等が接続されている。容器５内において、気体供給室９の上方には流動室２０が設けられている。気体供給室９から容器５内に供給される空気８によって流動する鋳物砂２の流動層２２が流動室２０内に形成される。

【0023】

気体供給室９は容器５内の底部に設けられている。前壁１５の底部と後壁１６の底部とには、空気８を外部から気体供給室９に取り込む気体流入口２３が形成されている。

【0024】

気体供給室９と流動室２０とを仕切る仕切板２５が容器５内に設けられている。仕切板２５は、散気板としての機能を有しており、通気性を有する多孔質の焼結金属で形成され、空気８を気体供給室９から流動室２０へ通過させる。また、仕切板２５は、多数の数ミクロンの微細な孔を有しており、鋳物砂２の粒度分布における細粒側の１０％以上の範囲の鋳物砂２を通過させない。

【0025】

第１加熱装置１０は流動層２２内に埋没するように設けられている。図４に示すように、第１加熱装置１０は、熱を発生する発熱装置２７と、発熱装置２７の外側を覆って発熱装置２７を流動する鋳物砂２から保護する保護部材２８とを有する。

【0026】

発熱装置２７は、電熱式の赤外線カーボンランプヒーター管であり、カーボンの薄板を加工したフィラメントと不活性ガスとを石英ガラス管に封入したものである。保護部材２８は、金属製の保護管２９と、保護管２９の外周に設けられた金属製の複数のフィン３０とを有している。保護管２９内に発熱装置２７が挿入されている。また、保護管２９内には、発熱装置２７の温度を制御して過熱を防止するための熱電対（温度制御センサの一例）が設けられている。

【0027】

図１，図２に示すように、流動室２０を投入側流動室２０ａと排出側流動室２０ｂとに隔てる上下方向の隔壁３２が容器５内に設けられている。隔壁３２は前壁１５と後壁１６との間に設けられており、投入口６は投入側流動室２０ａの上部に連通し、排出口７は排出側流動室２０ｂの上部に連通している。

【0028】

図１，図５に示すように、隔壁３２の下端部には、開口した連通部３３が形成されている。投入側流動室２０ａの下部と排出側流動室２０ｂの下部とは連通部３３を介して連通している。投入口６から連通部３３を通って排出口７に至る流路３５が容器５内に形成される。流路３５は、鋳物砂２が下向きに流れる下降流路３５ａと、鋳物砂２が上向きに流れる上昇流路３５ｂとを有している。
下降流路３５ａと上昇流路３５ｂとにはそれぞれ、複数の第１加熱装置１０が設けられている。

【0029】

図１，図３に示すように、第２加熱装置１１は、気体流入口２３から気体供給室９に流入した空気８を加熱（予熱）する装置であって、金属製の保護管２９に挿入された発熱装置２７と、上下に積層された金属製の複数枚の多孔板３７ａ，３７ｂとを有している。尚、第２加熱装置１１の発熱装置２７と保護管２９は第１加熱装置１０の発熱装置２７と保護管２９と同じものである。

【0030】

多孔板３７ａ，３７ｂは、上下に貫通する複数の貫通孔３８を有しており、投入側流動室２０ａの下方と排出側流動室２０ｂの下方とに別れて積層されている。発熱装置２７と保護管２９とは、投入側流動室２０ａの下方に積層された一方の複数枚の多孔板３７ａと排出側流動室２０ｂの下方に積層された他方の複数枚の多孔板３７ｂとの間に、上下複数組備えられている。

【0031】

容器５の天井壁１９には排気口４２が設けられている。鋳物砂２に付着している有機物が加熱分解して気化することによって発生する排ガス４１は、気体供給室９内から流動室２０内に供給されて流動層２２を通った空気８と共に、排気口４２から外部に排出される。
以下に、上記構成における作用を説明する。

【0032】

第２加熱装置１１の発熱装置２７から発生した熱は保護管２９を介して多孔板３７ａ，３７ｂに伝達され、多孔板３７ａ，３７ｂが加熱される。気体流入口２３から気体供給室９内に流入した空気８は、多孔板３７ａ，３７ｂの貫通孔３８を通過する際に加熱（予熱）され、その後、仕切板２５の微細な孔を通過して流動室２０へ均一に流れ込む。

【0033】

投入口６から容器５内の流動室２０に投入された使用済みの鋳物砂２は、仕切板２５を通過して流動室２０に供給される空気８によって流動しながら、複数の第１加熱装置１０によって加熱される。

【0034】

これにより、鋳物砂２が焙煎され、鋳物砂２に付着している有機物は、加熱分解して気化し、排ガス４１として空気８と共に排気口４２から外部へ排出される。このようにして付着していた有機物が除去された鋳物砂２は排出口７から排出されて再利用される。

【0035】

尚、使用済みの鋳物砂２は、連続的に投入口６から流動室２０に投入されるとともに、連続的に排出口７から排出される。これにより、流動室２０には、常に所定量の鋳物砂２が流動して流動層２２を形成している。

【0036】

複数の第１加熱装置１０は流動層２２内に埋没するように設けられているため、流動層２２の鋳物砂２が第１加熱装置１０の保護部材２８（保護管２９とフィン３０）に接し、第１加熱装置１０の発熱装置２７から発生した熱が保護部材２８を介して流動層２２の鋳物砂２に伝達する。これにより、第１加熱装置１０から流動層２２の鋳物砂２への熱伝達率が向上するとともに、流動層２２を均一に加熱することができる。

【0037】

このため、流動層２２の鋳物砂２が過剰に加熱されて過熱劣化するのを防止することができ、また、流動層２２の鋳物砂２の加熱不足を防止することができ、鋳物砂２に付着した有機物が十分に除去される。

【0038】

また、第１加熱装置１０の発熱装置２７は保護部材２８で保護されているため、流動層２２において流動する鋳物砂２が発熱装置２７に直接当接することはなく、発熱装置２７の損傷を防止することができる。

【0039】

また、通気性を有する多孔質の焼結金属を、仕切板２５に用いており、仕切板２５の孔は鋳物砂２の粒度分布の細粒側の１０％以上の範囲の鋳物砂２を通過させないような大きさであるため、流動層２２において流動している大部分の鋳物砂２が仕切板２５を通って気体供給室９に落下することはない。

【0040】

また、投入口６から容器５内に投入された使用済みの鋳物砂２は、流動層２２となって流動化し、投入側流動室２０ａの下降流路３５ａと排出側流動室２０ｂの上昇流路３５ｂとを流れながら複数の第１加熱装置１０で加熱される。このように、下降流路３５ａと上昇流路３５ｂとを流れることによって鋳物砂２が混合されるため、未加熱の鋳物砂２が短絡的に投入口６から排出口７に到達して排出されてしまうことは無く、流動層２２における鋳物砂２を均一に加熱することができる。

【0041】

また、鋳物砂２が投入口６から排出口７に到達するまでの滞留時間を長く保つことができるため、流動層２２における鋳物砂２を十分に加熱することができる。尚、流動室２０内の温度が５００℃以上で且つ鋳物砂２の滞留時間が１０分以上になるように温度と鋳物砂２の通過量とを制御することが好ましい。この条件で処理した鋳物砂２を使用した鋳型強度は、新砂を使用した鋳型強度の約８０％以上に達する。
尚、上記処理温度５００℃とは鋳物砂２に付着した有機物が熱分解して気化する温度よりも少し高い温度であり、流動室２０内の温度を５００℃以上に保つことにより、使用済みの鋳物砂２のみを流動槽１に供給して、損耗無く、使用済みの鋳物砂２を再生することができる。これにより、上記特許文献１に記載されているように、使用済みの鋳物砂に再生した鋳物砂を混合して加熱する必要は無い。

【0042】

また、気体供給室９において、第２加熱装置１１によって空気８を加熱（予熱）することができるため、加熱（予熱）された高温の空気８が気体供給室９から容器５内の流動室２０に供給され、鋳物砂２は、高温の空気８によって流動しながら、第１加熱装置１０によって加熱される。これにより、流動層２２において流動する鋳物砂２を高温に保つことができ、鋳物砂２が十分に焙煎されて、鋳物砂２に付着した有機物が確実に除去される。

【0043】

尚、固気流動層に於いては固体粒子の粒径・密度・温度・気体の種類等により、熱伝達率が大きい気泡流動層の状態を作り出す風塔速度の最適値を見出す必要がある。鋳物砂２等で粒径が１００μｍ前後の微細粒体では、上記風塔速度の最適値は０．０６ｍ／ｓ～０．１ｍ／ｓとなる。上記風塔速度とは、流体の槽内での速度のことであり、本実施の形態においては、流動槽１の流動室２０内を流れる空気８の速度である。

【0044】

一方で、流動槽１の仕切板２５を焼結金属板とすることにより全断面に於いて均一な風塔速度で鋳物砂２を流動化することができるが、流動槽１内の第１加熱装置１０や流動槽１の壁面等ではこの流速が乱されて局部的な偏流が発生し、この偏流によって鋳物砂２が滞留して堆積する虞がある。これを防止する為に、流動槽１の使用方法として、熱伝達率の低下しない範囲で基準の風塔速度（例えば０．０８ｍ／ｓ）に対して、例えば、±２０％の範囲（所定の範囲の一例）で、且つ、５分～１０分（所定の時間の一例）ごとに風塔速度を変動させてもよい。これによると、鋳物砂２の滞留および堆積を防止することができる。
（第２の実施の形態）

【0045】

先述した第１の実施の形態では、図１に示すように、容器５内に１つの隔壁３２を設けて１つの下降流路３５ａと１つの上昇流路３５ｂとを形成しているが、第２の実施の形態として、図６に示すように、容器５内に複数（例えば３つ）の隔壁６１，６２，６３を設けて、流動室２０に複数の下降流路３５ａ，３５ｃと複数の上昇流路３５ｂ，３５ｄとを形成してもよい。

【0046】

これによると、投入口６から容器５内に投入された使用済みの鋳物砂２は、第１の下降流路３５ａと第１の上昇流路３５ｂとを流れながら複数の第１加熱装置１０で加熱され、さらに、第２の下降流路３５ｃと第２の上昇流路３５ｄとを流れながら複数の第１加熱装置１０で加熱される。これにより、鋳物砂２が十分に混合されて、流動層２２における鋳物砂２をより均一に加熱することができる。

【0047】

また、鋳物砂２が投入口６から排出口７に到達するまでの滞留時間をさらに長く保つことができるため、流動層２２における鋳物砂２を十分に加熱することができる。

【0048】

上記各実施の形態では、固体粒子の一例として鋳物砂２を挙げたが、砂型造形用３Ｄプリンターを用いて製作される砂型に使用される人工の細粒砂に適用することもできる。また、固体粒子は砂に限定されるものではない。さらに、再利用の妨げとなる付着物の一例として樹脂系粘結材等の有機物を挙げたが、これに限定されるものでは無い。

【0049】

上記各実施の形態では、流動用気体の一例として空気８を用いたが、窒素ガス等の不活性ガスを用いてもよい。

【符号の説明】

【0050】

１ 流動槽（砂処理装置）
２ 鋳物砂（固体粒子）
５ 容器
６ 投入口
７ 排出口
８ 空気（流動用気体）
９ 気体供給室（気体供給部）
１０ 第１加熱装置
１１ 第２加熱装置
２２ 流動層
２５ 仕切板
２７ 発熱装置
２８ 保護部材
３５ 流路
３５ａ，３５ｃ 下降流路
３５ｂ，３５ｄ 上昇流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】