砂优化以减少铸造废品的计算机实施系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算系统领域。具体而言，本发明涉及提供与铸造有关的铸造厂中使 用的系统。
[0002] 本说明书中使用的术语的定义
[0003] 以下在说明书中使用的表述'使用者'是指但不限于铸造工、客户和管理员。
[0004] 以下在说明书中使用的表述'计算机网络'是指但不限于广域网（WAN)、局域网 (LAN)、城域网（MAN)、互联网、无线局域网（WLAN)、蜂窝网络及其组合。
[0005] 以下在说明书中使用的表述'铸造厂'是指但不限于厂、车间、工厂、制造厂和工 场。
[0006] 以下在说明书中使用的表述'湿态抗压强度'（GCS)是指但不限于在载荷下，砂破 裂所需的应力。在万能砂试验机上对2' 0 X 2''高的标准试样进行GCS测量，并以Gms. / sq. cm表述。
[0007] 以下在说明书中使用的表述'紧实性指数'是指但不限于型砂对在自动成型机上 确定其行为具有决定性实际重要性的特性。紧实性指数与散砂在挤压压力影响下其高度从 初始恒定高度水平所减小的百分比有关。进一步说，紧实性指数提供了精确的调质水指示 程度，其实际上与砂的成分无关。以下在说明书中使用的表述'水分'是指但不限于添加至 正与粘土粘结剂一起在混合器内混合的砂中以赋予型砂GCS的水。
[0008] 以下在说明书中使用的表述'活性黏土'是指但不限于型砂中用作粘结材料的粘 土部分，其提供了砂粒间的凝聚性，并使之捣实成稳定的铸型。活性黏土提供了强度以及相 关的形变韧性和铸型硬度的特性。
[0009] 以下在说明书中使用的表述'惰性细粒'是指但不限于呈惰性且不会以任何方式 有助于砂粒粘结的粘土部分。此外，惰性细粒参数表示总粘土含量与活性黏土之间的百分 比差。
[0010] 以下在说明书中使用的表述'烧失量'（LOI)是指但不限于型砂中存在的挥发物形 式的材料以及砂中的固定碳易燃材料的总和。LOI由干砂的烧失量百分比确定。
[0011] 以下在说明书中使用的表述'通透指数'是指但不限于压紧的砂允许气体逸出到 大气中的天然能力。将液体或柔性原料浇注到模型/铸型内时产生了这些气体。通透指数 以数值表示，即空气在标准压力下穿过Γ 0 X 2"高的标准试样的流速。
[0012] 以下在说明书中使用的表述'湿态抗拉强度'（WTS)是指但不限于液体或柔性原 料浇注期间以及之后在所有粘土粘结的模型/铸型中形成的凝结区的抗拉强度。WTS通过 从专用试样筒上拉动可拆卸环测定。凝结区通过加热板人工形成，试样面安置于加热板上。 加热板对界面处的砂进行加热，且由于温度辐射而扩展于整个砂试样。蒸汽通过可渗透砂 试样被推离加热板。水蒸气迀移回试样通过凝结的温度区域。该凝结区被称为湿层。当施 加负载时，试样的最薄弱区域/最薄弱点会破裂，并记录下测量值。WTS以克/平方厘米表 不O
[0013] 以下在说明书中使用的表述'挥发性物质'（VM)是指但不限于添加至砂混合物的 在450与920摄氏度（°C )之间挥发的有光泽碳添加剂。VM由被称为较低温挥发物和较高 温挥发物的两部分组成。挥发性产物在金属与铸型界面之间提供了为避免熔砂、机械粘砂 废品所需的缓冲作用。
[0014] 以下在说明书中使用的表述'颗粒细度数'（GFN/AFN)是指但不限于以微米（μπι) 表示的对平均粒径的测量，其使用ISO公制筛确定。使100克测平均粒径的样品通过 710 μm-63 μm的套筛。对残留在每个筛上的百分比的砂粒进行称重并按递减的筛尺寸排 列。每个这种百分数乘以上一个筛的目数，且所有这些乘积的总和除以总百分比之和以得 出GFN。如果使用AFS套筛，则将砂的AFS作为输出信号。
[0015] 以下在说明书中使用的表述'pH值'是指但不限于型砂的酸/碱性的指示。pH值 是对因添加粘结材料（例如膨润土）而具有酸/碱特性的型砂的能力的测量。PH值低于7 表示型砂为酸性，而pH值大于7表示型砂为碱性。pH控制对型砂的特性无影响。型砂的酸 /碱性得自所使用的粘结粘土材料。
[0016] 以下在说明书中使用的表述'鮞粒'是指但不限于型砂中使用的有可能循环很长 一段时间的砂粒。由于砂粒反复循环，其上反复涂覆粘结粘土层，粘土层连续地被锻烧并烧 制到砂粒表面上。这使得砂粒周围烧制形成同心死粘土层结构，该过程被称为鮞粒化。鮞 粒化程度由大于20微米的洗涤砂部分，在900摄氏度（°C )下锻烧而产生的死粘土的含量 来限定。
[0017] 以下在说明书中使用的表述'震裂系数'是指但不限于砂的韧性。在需要剥离深 容槽和形状复杂的模的情况下，震裂系数特别有用。震裂系数表示为当样品从1. 83米的高 度（将近6英尺）坠落在标准试验件上时，初始样品重量与残留在铁砧上的砂的重量的百 分比。
[0018] 以下在说明书中使用的表述'砂与金属比'是指但不限于压紧在完成的铸型（上 型箱+下型箱）中的砂的重量与浇注入模型/铸型中的总液体或柔性原料的重量之比。砂 与金属比以数值表示。
[0019] 以下在说明书中使用的表述'干燥压紧强度'是指但不限于砂在220-230华氏温 度（° F)下干燥之后并进一步冷却至室温时，在破裂之前，其能经受的最大强度。在2英寸 X 2英寸的标准筒内的正常干燥时间为2-3小时（hr)。
[0020] 以下在说明书中使用的表述'混砂机内的回用砂温度'是指但不限于从落砂机构 和砂冷却器返回以重新使用的砂的温度。在将热的液体或柔性原料浇注入模型/铸型内之 后，砂的温度增加。为了重新使用之前铸型中使用的砂，有必要将砂冷却至环境温度。
[0021] 以下在说明书中使用的表述'芯砂渗透'是指但不限于因铸造操作期间使用的残 留碎裂芯砂而导致的砂量的增加。一定百分比的芯砂可在落砂段和过筛后被除去，但大部 分的芯砂与回用砂混合。与上述部分相关的砂与一整天循环的型砂量的百分比被称作芯砂 渗透百分比。
[0022] 以下在说明书中使用的表述'试样重量'是指但不限于尺寸为直径2〃高2〃的标 准试样的重量。标准试样通过使用标准锤击制样机制备，且以克表示。
[0023] 以下在说明书中使用的表述'脆性指数'是指但不限于砂在震动、挤压、抛掷类型 的模制下保持填实所需的特性。所期望的型砂在模制压紧期间是可流动的以便硬度均匀， 因此希望其具有良好的流动性。硬度不均匀的铸型的某些点处很软。砂型的柔软表现为流 动性低，这会导致铸件膨大（膨胀）和/或铸件表面粗糙。
[0024] 以下在说明书中使用的表述'圆锥震动测试'是指但不限于测量压紧砂的相对脆 度的韧性测试。型/铸型破损以及无法在模上拉出深容槽常常是由于砂的韧性或脆度不能 满足需要。
[0025] 以下在说明书中使用的表述'剪切强度'是指但不限于最大剪应力。调质砂混合 物能够在所含水分具有最佳可加工性或可进行恰当调质以制备砂型的这一砂区段附近产 生高剪切强度。还观察到在水分含量低于调质含量的情况下，砂表现出很高的湿强度。
[0026] 以下在说明书中使用的表述'形变'是指但不限于测量湿砂在破裂前变形的能力。 形变以英寸/英寸表示。
[0027] 以下在说明书中使用的表述'粘性'是指但不限于用于铸造的铸造用砂的湿态特 性。湿砂的粘性通过观察和感觉来手动估计。
[0028] 以下在说明书中使用的表述'湿态抗拉强度'是指但不限于调质砂混合物能够保 持的最大抗拉应力。根据标准程序将制备的调质砂混合物捣实并对其进行测试。所含水分 具有最佳可加工性或可进行恰当调质以制备砂型的砂区段或其附近的抗拉强度很高。还观 察到在水分含量低于调质含量的情况下，砂表现出很高的湿强度。
[0029] 以下在说明书中使用的表述'热强度'是指但不限于砂在将熔融液体或柔性原料 (例如，金属）浇注在铸型/模型内时所伴随的高温下的强度。
[0030] 以下在说明书中使用的表述'流动性'是指但不限于当砂粒受到铸造力（例如，湿 捣实性）时，调质混合物中的砂粒的移动性。湿捣实性被认为是在施加捣实力量附近或远 离施加捣实力量处产生相同铸型硬度的能力。期望型砂在模制压紧期间具可流动以便硬度 均匀，因此预期其具有良好的流动性。硬度不均匀的铸型在某些点处很软。砂型的柔软表 现为流动性低，其会导致铸件增大（膨胀）和/或铸件表面粗糙，尤其是侧壁处。
[0031] 以下在说明书中使用的表述'模具硬度'是指但不限于通过加载冲塞所穿透的砂 或湿砂模型/铸型的表面提供的阻力。砂混合物太湿或太干均可导致模具硬度低。如果砂 混合物中的粘结剂经适当调质和捣实，则铸模具硬度将达到峰值。
[0032] 以下在说明书中使用的表述'韧性'是指但不限于砂型的韧性。当将模周围的砂 捣实时，砂必须保持可移动特性，同时浇注的液体或柔性原料在型内凝固。砂必须具有静态 特性以产生尺寸精确的铸件。砂的该可移动特性被称为砂的成型性。砂的韧性将影响需在 砂上花费的工作量。砂的韧性因素在所有形式的捣实中变得最为重要。韧性通过将具有湿 抗压强度和形变的产品乘以1000确定。
[0033] 以下在说明书中使用的表述'密度'是指但不限于捣实且调质的混合物的每单位 体积的质量，通常以lb/cu表示。
[0034] 以下在说明书中使用的表述'烧结点'是指但不限于当利用20X至25X放大率的 显微镜观察时最小的砂粒显示出熔合迹象的最低温度。烧结点表示当铂条浸入砂中并提离 砂时，该砂通过形成V形而显示出的粘性迹象的温度。
[0035] 以下在说明书中使用的表述'耐久性'是指但不限于在砂铸件重复循环期间将砂 重新粘结至恒定湿强度所需的粘土量。
[0036] 以下在说明书中使用的表述'模具气量'是指但不限于型砂释放可通过特殊程序 研宄的气体的倾向。
[0037] 以下在说明书中使用的表述'金属渗透'是指但不限于熔融液体或柔性原料（例 如，金属）渗透入砂型壁并渗入砂中，其对液体而言为多孔的。这导致紧紧粘附至铸件的金 属和砂形成熔融体。
[0038] 以下在说明书中使用的表述'常温自硬强度'是指但不限于在试样2英寸x2英寸 的面积内进行的测试。在室温下将试样风干4小时之后，将试样倒置2小时。从而确定常 温自硬抗压强度，且该值指示湿强度随敞模风干而变化的方式。
[0039] 以下在说明书中使用的表述'模塑性'是指但不限于确定型砂的调质程度，其还考 虑到水或砂的需求。模塑性测量砂凝聚块通过筛网的轻松程度，该特性针对压紧前处于松 散状态的砂，且其以模塑性指数表示，并预期其与型砂的可压实特性关系紧密。
[0040] 以下在说明书中使用的表述'筛分布'是指但不限于使用标准ISO公制或AFS套 筛筛分经洗涤和干燥的砂的砂粒分布。残留在每个筛上的砂量以进行测试所需砂样品的百 分比表示，且将这些百分比绘制在曲线图上，其中％绘制在y轴上，筛号以特定间隔绘制在 X轴上。典型的条形图表示筛分布，且根据残留有80%的砂的筛的数目，可将砂称作2筛、3 筛等。
[0041] 以下在说明书中使用的表述'颗粒形状'是指但不限于砂粒的成角性状和成球性 状。砂粒的形状可为良好圆状、圆状、次圆状、次棱角状、角状和棱角分明状等。就各种角状 砂范围内，可按其相对于圆球性状而言，划分为高、中和低三个等级。最佳铸造用砂应是圆 形颗粒，相对于球形性状，其等级为中至高级，并具有良好的流动性和通透指数，其中添加 的粘结剂少、强度高。相对于球形性状，更具棱角且等级较低的砂需要添加更多粘结剂。这 会导致填充密度低且砂的流动性差。
[0042] 以下在说明书中使用的表述'膨润土'是指但不限于铸造湿砂中使用的粘结粘土。 膨润土来自被称为蒙脱土的粘土族。蒙脱土是自然产生的，且包括10%至15%的副矿物， 例如长石、石英、黑云母、云母和碳酸钙等。
[0043] 以下在说明书中使用的表述'MB值'是指但不限于使用亚甲蓝测试法对活性黏土 的测定，并以数值表示。
[0044] 以下在说明书中使用的表述'凝胶时间'是指但不限于膨润土的吸水速度的性能。 如果膨润土的质量较佳，则所测量的凝胶时间（以分钟表示）较短。
[0045] 以下在说明书中使用的表述'膨胀容量'是指但不限于膨润土粉的作用力。由于 基本的碱性交换能力，片晶允许水分存在于每层之间，并且膨胀。膨润土体积膨胀的能力被 称为膨胀容量，并以数值表示。
[0046] 以下在说明书中使用的表述'液体或柔性原料'是指但不限于金属、塑料、玻璃或 陶瓷原料。如果柔性原料为金属，则有利的金属特性应为选自以下的金属参数：碳百分比、 碳当量、浇注温度、浇注时间、浇注速率、浇注高度（金属静力学高度）、接种法和金属化学。
[0047] 以下在说明书中使用的表述'废品类型'是指但不限于型/铸型损坏废品，气孔加 工和铸造阶段废品、针孔加工和铸造阶段废品、熔砂废品、化学粘砂废品、冲砂废品、掉砂废 品、夹砂铸造&加工阶段废品、金属渗透废品、结疤废品、膨胀/过大铸造废品、膨胀结疤废 品、爆炸粘砂废品、光壳碳缺陷废品、表面粗糖废品和鼠尾废品。
[0048] 以下在说明书中使用的表述'添加剂'是指但不限于谷类粘结剂、地沥青、海煤、硬 沥青、燃料油、木粉、硅石粉、氧化铁、珍珠岩、糖蜜、膨润土（钙基）、膨润土（钠基）、耐火粘 土高岭土、沥青、灯黑、纤维素、玉米粉、糖醛渣、燕麦壳、核桃壳粉、沥青乳液、煤油、苏打灰、 润湿剂、矾土、铬铁矿粉、飞灰、橄榄石粉、十字石粉、锆石粉、麸皮粉、糊精、木质素硫酸盐、 硅酸钠以及小麦粉。
[0049] 这些定义是本领域中惯用表述之外另加的定义。
【背景技术】
[0050] 在任何制造业，铸件在制造机械部件或机械或产品方面起着非常重要的作用。为 了形成或建造具有准确测量值的产品，首先要制备模型/铸型，该模型/铸型等同于所期望 的产品设计和测量的挖空块。将液体或柔性原料浇注入制备的模型中，其很容易获得模型 的形状和尺寸。对容纳液体或柔性原料的模型进行冷却以在此后收回铸造产品。液体或柔 性原料包括金属、塑料、玻璃或陶瓷原料等。制备的模型也称为铸件的对应件。
[0051] 已观察到在金属铸件制造铸造工场或工厂中，统计显示在世界范围内，所有金属 铸件的70%是使用砂铸件生产的。在砂铸造过程中，使用相对非常便宜/经济且生态学上 大量存在的砂或粘土（主要为膨润土）来制备模型。通常将型砂容纳在框架系统中，或称 为砂箱的型箱中。型腔和浇口系统通过压紧模子或型版周围的砂，或直接在砂上雕刻形成。 然而，据使用砂铸造法制造产品的铸造行业报道，在砂铸造过程中，对一次铸造以及后续铸 造中计算的砂铸型废品并无限制。进一步而言，由于偏差，无限制的铸造废品影响了铸造厂 中铸造产品的总产量。这最终导致铸造厂的生产力低下。
[0052] 此外，实际上很明显，为了在利用铸造法制造铸造产品的过程中安排一定的维护/ 检查，利用了大量手工劳动来进行监控，并在需要时采取行动。这导致铸造过程的人工成本 高，且铸造厂的生产率低下。研宄人员已就铸造废品进行分析，在减少砂铸造废品以及提高 铸造厂的砂铸造成品率方面投入了巨大努力。然而，为了了解并调节有助于砂铸成品率和 废品率的因素，也进一步倾向于出现人为错误。这使得铸造工人很迷惑，导致其无法做出有 目标的决定，从而进一步影响了铸造厂的生产力。
[0053] 因此，鉴于上述缺点，需要提供可精确分析影响铸造厂铸造废品的因素的系统。此 外，需要减少铸造工人做出无方向决定的可能性的系统。
[0054] 目的
[0055] 以下描述了本发明的一些目的：
[0056] 本发明的目的是提供计算机实施系统来减少铸造废品或铸造缺陷。
[0057] 本发明的另一个目的是提供用于预测砂优化的系统以减少铸造厂废品。
[0058] 本发明的另一个目的是提供用于预测砂/湿砂/回用砂/再循环砂优化的系统以 减少铸造厂废品。
[0059] 进一步地，本发明的另一个目的是提供用于预测砂/湿砂/回用砂/再循环砂优 化的系统以减少铸造厂废品并重新利用旧砂。
[0060] 本发明的再另一个目的是提供用于指导砂优化的系统以减少铸造厂废品。
[0061] 本发明的又一个目的是提供为所有意在用于各种分析的数据元素提供单个入口 的系统。
[0062] 本发明的另一个目的是提供以图形表示的各种分析的统一观察系统。
[0063] 本发明的又一个