一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法与流程

本发明涉及砂型铸造的技术领域，特别是基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法的技术领域。

背景技术：

研究表明，全世界近三分之一的能源消耗和36％的二氧化碳排放从制造业中产生。其中，作为制造业的基本方法，砂型铸造比其他铸造方式产生的环境问题更严重。典型的现代砂型铸造工艺包含许多不同的阶段，例如熔化，合金化，模塑，浇注，凝固和精加工。铸造也是能源密集程度最高的制造工艺之一，其中金属熔化步骤消耗的能量超过总能量的一半(pagone，2018；salonitis等，2017)。在铸造过程中，铸造砂可以被回收再利用。当铸造砂失去其性能且不适合进一步用于成型目的时，它将被视为废物(siddique等，2018)，但是铸造砂的填埋处理会导致地下水某些部分的金属含量过高(barbara等，2015)。树脂砂中粘合剂的热解也会产生各种副产物，其中一些是有害的空气污染物(nastac等，2016)。在世界范围内，60％-70％的铸件是通过砂型铸造制造的，一吨铸件生产过程中会产生50kg粉尘、200kg废水、20m³废气以及1.3t至1.5t废砂(liu等，2011)。很明显，砂型铸造已成为能源消耗和碳排放的主要来源之一。

砂型铸造工艺作为制造业中二氧化碳的主要排放源，在节能减排中发挥着重要作用(li等，2010)。新的铸造工艺可以节省21％的材料，使用crimson(约束快速感应熔炼单次向上铸造)代替传统的砂型铸造工艺，可以将环境影响平均降低57％(salonitis等，2016)。这是通过优化生产线来减少碳排放的有效方法，但在确定铸造厂的生产线后，很难重新布置生产线来达到目的。一项研究表明，通过工艺选择和工艺调度可以显着降低机械制造的碳排放(yin等，2014)。为了实现铸造工艺的低碳排放，能源效率作为提高能源效率的重要管理工具被引入铸造行业(thollander等，2005)。由于铸造行业是能源消耗和污染排放(特别是二氧化碳)的主要来源之一，有必要将碳排放作为节能减排的实施指标(li等，2010)。砂型铸件的碳排放估算引起了研究者的广泛关注(zheng，2014)，一个模型被提出用来估算每个工序中碳源的碳排放量(zhengj，tangrz，2014)。理性的决策方法也可以帮助铸造厂进一步实现清洁生产(yilmaz等，2015)。因此，砂型铸造行业具有巨大的节能减排潜力。

然而，上述碳排放计算方法难以在铸造工艺设计阶段估算和降低碳排放。为了在砂型铸造工艺设计阶段获得砂型铸造的低碳工艺，必须在该阶段计算碳排放，但目前仍然缺少一种在铸造工艺设计阶段准确估算碳排放的有效方法。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了填补现有技术中的空白，提出一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法，能够在砂型铸造工艺设计阶段估算碳排放，从而可以在生产前对砂型铸造工艺进行优化，以达到最终减少碳排放、降低能耗的目的，对砂型铸造行业具有一定的理论与现实意义。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法，计算方法分为三部分，分别是计算砂型铸造独立工艺设计参数碳排放、计算砂型铸造耦合工艺设计参数碳排放、以及计算砂型铸造固有属性工艺设计参数碳排放，最后三部分求和获得基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放；

计算砂型铸造独立工艺设计参数碳排放具体包括下列步骤：

步骤一：计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的物料碳排放量cm^ip：

所述为第a种一次性物料的用量计算函数,为第b种重复利用物料用量计算函数，λb为第b种重复利用物料的回收率，为第c种均摊物料用量计算函数，xip为独立工艺设计参数组成的参数变量，fi为第i(i＝a、b、c)种物料的碳排放系数，n为所有物料的种类数；

步骤二：计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的能源碳排放量ce^ip：

所述为d设备电耗计算函数,fe为电的碳排放系数，为第e种重复利用物料的单位物料回收电耗，与权利要求2中所述除参数角标不同外含义相同，其它符号同上；

步骤三：计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的非期望碳排放量cu^ip：

所述为第g种一次性物料的非期望碳源的系数函数，为第o种重复利用物料的非期望碳源的系数函数,为第f种均摊物料的非期望碳源的系数函数，eg、eo、ef为处理各自单位非期望碳源耗电量，其它符号同上；

计算砂型铸造耦合工艺设计参数碳排放具体包括下列步骤：

步骤一：计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的物料碳排放量cm^cp：

所述xcp为耦合工艺设计参数组成的参数变量，

fq与权利要求2中所述fi除参数角标不同外含义相同，其它符号同上；

步骤二：计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的能源碳排放量ce^cp：

所述ese(xcp)为单位铁水耗电量，为铸件金属用量计算函数，其它符号同上；

步骤三：计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的非期望碳排放量cu^cp：所述fs(xcp)为第s种非期望碳源的单位碳排放量，as为第s种非期望碳源占比，其它符号同上；

计算砂型铸造固有属性工艺设计参数碳排放具体包括下列步骤：

步骤一：计算基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的物料碳排放cm^iap：

所述xiap为固有属性工艺设计参数组成的参数变量，ft与权利要求2中所述fi除参数角标不同外含义相同，其它符号同上；

步骤二：基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的能源碳排放ce^iap：

所述为第l种燃料能源的用量计算函数，fl为第l种燃料能源的制造碳系数，ff为燃料能源燃烧过程直接排放碳系数，其它符号同上；

步骤三：基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的非期望碳排放cu^iap：

cu^iap＝f(xiap)·vs·fg，所述f(xiap)为单位型砂发气量，vs为型砂投入量，fg为气体碳排放系数，其它符号同上；

最终的求和公式：

所述c为砂型铸造碳排放总量，其它符号同上。

作为优选，所述砂型铸造独立工艺设计参数定义如下：砂型铸造的工艺设计过程中可直接由产品图以及企业生产工艺条件确定下来的参数称为砂型铸造独立工艺设计参数，用ip表示，例如壁厚、拔模斜度、加工余量；

所述砂型铸造耦合工艺设计参数定义如下：砂型铸造的工艺设计过程中以其它已定工艺设计参数为基础才能确定的参数称为砂型铸造耦合工艺设计参数，用cp表示，例如浇铸温度、冷却时间；

所述砂型铸造固有属性工艺设计参数定义如下：砂型铸造工艺设计中决定物料性质的参数称为砂型铸造固有属性工艺设计参数,用iap表示，例如金属牌号，型砂类型等。

作为优选，所述计算函数均由砂型铸造工艺设计参数确定，计算函数随砂型铸造工艺设计参数的改变而改变。

本发明的有益效果：本发明提出了一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法，能够在砂型铸造工艺设计阶段估算碳排放，从而可以在生产前对砂型铸造工艺进行优化，以达到最终减少碳排放、降低能耗的目的，对砂型铸造行业具有一定的理论与现实意义。

本发明的特征及优点将通过实例结合附图的形式进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法的砂型铸造实例零件图；

图2是本发明一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法的零件浇道工艺图；

图3是本发明一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法的零件甘特图(通过条状图显示加工工序随着时间进展的情况)；

图4是本发明一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法的一吨铁水在不同铸造温度下的能耗图；

图5是本发明一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法的实例计算碳排放分布图。

【具体实施方式】

参阅图1-图5，本发明的计算方法分为三部分，分别是计算砂型铸造独立工艺设计参数碳排放、计算砂型铸造耦合工艺设计参数碳排放、以及计算砂型铸造固有属性工艺设计参数碳排放，最后三部分求和获得基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放；

计算砂型铸造独立工艺设计参数碳排放具体包括下列步骤：

步骤一：计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的物料碳排放量cm^ip：

所述为第a种一次性物料的用量计算函数,为第b种重复利用物料用量计算函数，λb为第b种重复利用物料的回收率，为第c种均摊物料用量计算函数，xip为独立工艺设计参数组成的参数变量，fi为第i(i＝a、b、c)种物料的碳排放系数，n为所有物料的种类数；

步骤二：计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的能源碳排放量ce^ip：

所述为d设备电耗计算函数,fe为电的碳排放系数，为第e种重复利用物料的单位物料回收电耗，与权利要求2中所述除参数角标不同外含义相同，其它符号同上；

步骤三：计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的非期望碳排放量cu^ip：

所述为第g种一次性物料的非期望碳源的系数函数，为第o种重复利用物料的非期望碳源的系数函数,为第f种均摊物料的非期望碳源的系数函数，eg、eo、ef为处理各自单位非期望碳源耗电量，其它符号同上；

计算砂型铸造耦合工艺设计参数碳排放具体包括下列步骤：

步骤一：计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的物料碳排放量cm^cp：

所述xcp为耦合工艺设计参数组成的参数变量，

fq与权利要求2中所述fi除参数角标不同外含义相同，其它符号同上；

步骤二：计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的能源碳排放量ce^cp：

所述ese(xcp)为单位铁水耗电量，为铸件金属用量计算函数，其它符号同上；

步骤三：计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的非期望碳排放量cu^cp：所述fs(xcp)为第s种非期望碳源的单位碳排放量，as为第s种非期望碳源占比，其它符号同上；

计算砂型铸造固有属性工艺设计参数碳排放具体包括下列步骤：

步骤一：计算基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的物料碳排放cm^iap：

所述xiap为固有属性工艺设计参数组成的参数变量，ft与权利要求2中所述fi除参数角标不同外含义相同，其它符号同上；

步骤二：基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的能源碳排放ce^iap：

所述为第l种燃料能源的用量计算函数，fl为第l种燃料能源的制造碳系数，ff为燃料能源燃烧过程直接排放碳系数，其它符号同上；

步骤三：基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的非期望碳排放cu^iap：

cu^iap＝f(xiap)·vs·fg，所述f(xiap)为单位型砂发气量，vs为型砂投入量，fg为气体碳排放系数，其它符号同上；

最终的求和公式：

所述c为砂型铸造碳排放总量，其它符号同上。

具体的，所述砂型铸造独立工艺设计参数定义如下：砂型铸造的工艺设计过程中可直接由产品图以及企业生产工艺条件确定下来的参数称为砂型铸造独立工艺设计参数，用ip表示，例如壁厚、拔模斜度、加工余量；

所述砂型铸造耦合工艺设计参数定义如下：砂型铸造的工艺设计过程中以其它已定工艺设计参数为基础才能确定的参数称为砂型铸造耦合工艺设计参数，用cp表示，例如浇铸温度、冷却时间；

所述砂型铸造固有属性工艺设计参数定义如下：砂型铸造工艺设计中决定物料性质的参数称为砂型铸造固有属性工艺设计参数,用iap表示，例如金属牌号，型砂类型等。

具体的，所述计算函数均由砂型铸造工艺设计参数确定，计算函数随砂型铸造工艺设计参数的改变而改变。

本发明工作过程：

本发明一种基于工艺设计参数的砂型铸造碳排放计算方法在工作过程中，结合附图进行说明。

生产实例选用某砂型铸造企业生产的电机外壳，电机外壳如图1所示。要求电机外壳由ht250灰铸铁制成，外壳重量为579.69kg。铸造企业旧砂回收率为96.25％，然后列出所有设备的额定功率如下：搅拌机为11.5kw，辊道为2.2kw，干燥炉为104.2kw，振动平台为3kw，淋幕机为1.85kw，桥式起重机6.6kw，固化剂配比仪1.5kw，砂处理线178.5kw。

电机外壳为每箱一件，属于大型薄壁铸件，外壳平均厚度为12.7mm。铸造系统的设计如图2所示。上下砂箱的内部尺寸为1350mm×1250mm×550mm。自固化树脂砂用作型砂，自固化树脂砂的密度为1.48g/cm3。生产1公斤ht250灰铸铁需要生产0.1023kg生铁，0.4249kg回炉料，0.5134kg废钢和0.0116kg焦炭。电机壳的生产过程，每个过程的时间和设备的功率如图3所示。一吨铁水在不同铸造温度下的功耗如图4所示。

生铁和废料是一次性材料，砂是重复使用的材料，钢丸属于均摊物料。上游企业和铸造企业各自承担了废钢的一半碳排放。回收一吨旧沙需要消耗0.0119kw·h的电力。2.15×10^-3kg的钢丸用于处理一吨铸件。下表列出了不同材料及电能的碳排放系数。

燃料碳系数不包含使用燃料产生的直接碳排放。使用燃料的直接碳排放可以通过燃料燃烧的化学反应方程来计算。

根据铸造厂的工艺条件，设计了一套工艺参数，如下表所示。

单件铸件的重量为590.76kg，流道系统的重量为135kg，树脂砂的重量为2598.80kg。用此工艺设计参数进行模拟软件的初步验证，模拟结果显示在铸件主体上无缩松、缩孔等质量缺陷，主体铸件合格，方案可行。

根据以上条件，可以分别计算砂型铸造独立工艺设计参数碳排放、砂型铸造耦合工艺设计参数碳排放、以及计算砂型铸造固有属性工艺设计参数碳排放。

计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的物料碳排放量cm^ip：

计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的能源碳排放量ce^ip：

计算基于砂型铸造独立工艺设计参数的非期望碳排放量cu^ip：

计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的物料碳排放量cm^cp：

计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的能源碳排放量ce^cp：

计算基于砂型铸造耦合工艺设计参数的非期望碳排放量cu^cp：

计算基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的物料碳排放cm^iap：

计算基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的能源碳排放ce^iap：

计算基于砂型铸造固有属性工艺设计参数的非期望碳排放cu^iap：

cu^iap＝f(xiap)·vs·fg＝15.5×2598.8×8.4466×10^-5＝3.4024(kgco2)

计算总能耗：

三种碳源各自的碳排放量及所有的碳排放分量如图5所示。结合案例，可以说明该方法可在产品设计阶段通过砂型铸造工艺设计参数对砂型铸造产品的碳排放进行计算，并且每个分项的碳排放可以直观展现。

本发明能够在产品设计阶段通过砂型铸造工艺设计参数对砂型铸造产品的碳排放进行计算，并且每个分项的碳排放可以直观展现，从而可以在生产前对砂型铸造工艺进行优化改进，以达到最终减少碳排放、降低能耗的目的，对砂型铸造行业具有一定的理论与现实意义。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。