基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法与流程

本发明涉及砂型铸造的技术领域，特别是砂型铸造工艺优化方面的技术领域。

背景技术：

砂型铸造广泛应用于现代工业中。然而由于其能源利用率不高以及大量的废弃物排放，砂型铸造对环境造成了很大影响。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。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。很显然，砂型铸造已成为能源消耗和污染排放的主要来源之一。

现有针对砂型铸造的研究主要关注砂型铸造的设备、新工艺与新材料。如使用约束快速感应熔炼单次向上铸造工艺(crimson)代替传统砂型铸造工艺，可以节省部分原材料；调整生产线并使用新型砂模可以大幅降低生产线对环境的影响；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等。为了实现铸造工艺的低碳化，能效作为提高能源效率的重要管理工具被引入铸造行业。理性的决策方法也可以帮助铸造厂进一步实现清洁生产。因此，砂型铸造行业在节能减排上依然有很大潜力可挖。

然而上述研究和方法虽然可以在一定程度上降低砂型铸造的总体碳排放，但是由于种种现实因素制约，使得方法难以实际开展或实际开展效果达不到预期水准。如企业普遍不愿意对现有生产线进行大幅度调整，购置新设备也会带来额外的碳排放。在实际应用场合，企业对经济因素的考量更多，所以企业更偏向于用现有设备和生产条件解决问题。

技术实现要素：

为了满足企业的实际需求，本发明提出基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法，能够从砂型铸造的工艺设计阶段出发，以工艺碳排放为衡量标准和优化参数判断依据，从而可以有针对性地选择可优化参数进行优化，以达到最终减少原料浪费和碳排放产生，并降低能耗的目的，对砂型铸造行业在节能减排和工艺优化方面具有一定的实际意义。

为实现上述目标，本发明提出了基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法，整个工艺优化方法由以下步骤组成；

步骤一：根据工艺设计参数之间的属性关系，将工艺过程内的砂型铸造工艺设计参数分为砂型铸造独立工艺设计参数ip、砂型铸造耦合工艺设计参数cp、砂型铸造固有属性工艺设计参数iap这三个参数类型，三类工艺设计参数可以作如下描述：

dp＝{ip,cp,iap}

其中dp表示砂型铸造工艺设计参数，将砂型铸造工艺设计参数按照自身属性归类至三类工艺设计参数中；

步骤二：提出砂型铸造的三类碳排放：物料碳排放cm、能源碳排放ce、非期望碳排放cu；按照铸造物料碳排放折算方式的不同，将物料碳排放cm分解为一次性物料碳排放cmot、重复利用物料碳排放cmr、均摊物料碳排放cms；根据三类碳排放的基础计算公式和砂型铸造工艺设计参数计算初始工艺的碳排放，其中一次性物料碳排放计算如下：

式中，mi表示第i种一次性物料消耗量，fi表示第i种一次性物料的碳排放系数；重复利用物料碳排放计算如下：

式中，mj表示第j种重复利用物料投入量，λj表示第j种重复利用物料的回收率，fj表示第j种一次性物料的碳排放系数；均摊物料碳排放计算如下：

式中，mk表示一段时间内第k种均摊物料的消耗量，mca表示单个铸件质量，maca表示均摊物料的消耗的这段时间内作用的总铸件质量，fk表示第k种均摊物料的碳系数；能源碳排放计算如下：

式中，ee为消耗电力，fe为电力的碳系数，el为第l种燃料能源的消耗量，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；非期望碳排放计算如下：

式中，mh为铸造工艺过程产生的第h种废弃物量，为处理单位第h种废弃物电耗；碳排放总量计算如下：

c＝cm+ce+cu

步骤三：参照步骤二中各部分碳排放值的大小，根据步骤一的各参数之间的属性关系以及工厂生产经验，合理选择部分工艺设计参数进行调整，每调整一次可以得到一套新的工艺设计参数；

步骤四：将新的工艺设计方案进行软件模拟验证，如果铸件质量合格则进行下一步；如果质量不合格则重复步骤三、四，直至新工艺达到要求；

步骤五：将新工艺的设计参数代入步骤二的公式中，得到新的碳排放总量与各分量；将新旧碳排放量做对比，反复调整工艺设计参数直到新工艺设计参数满足设定的节能减排目标。

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，如壁厚、拔模斜度、加工余量等；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，如浇铸温度、冷却时间等；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,如金属牌号、型砂类型等；

作为优选，所述物料碳排放指在物料生产过程，包括铸件原材料(废钢、生铁等)、辅助材料(砂、酒精等)生产过程，以及运输、销售等与产品相关的过程中产生的碳排放，这些过程中企业输入物料，能源，产出产品和特定的排放物；所述能源碳排放指企业在生产中所消耗的各种能源物质在自身的制造过程中产生的碳排放；所述非期望碳排放指的是处理在工艺生产中形成的废弃物和废品的过程产生的碳排放；

作为优选，所述工艺过程仅包含砂型铸造加工过程与落砂清理、切除浇道冒口、抛丸打磨等三项一般后处理过程，不包含热处理、表面处理、缺陷修补等其他后处理过程；

作为优选，所述碳系数fi、fj、fk、fe、fl均来自中国钢铁年鉴及gb/t2589-2008，ff由化学方程式计算得出。

本发明的有益效果：本发明提出基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法，能够从砂型铸造的工艺设计阶段出发，以工艺碳排放为衡量标准和优化参数判断依据，从而可以有针对性地选择可优化参数进行优化，以达到最终减少原料浪费和碳排放产生，并降低能耗的目的；本发明有很强的的可操作性，对砂型铸造行业在节能减排和工艺优化方面具有一定的实际意义。

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是本发明基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法的砂型铸造工艺过程图；

图2是本发明基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法的原始工艺零件图和模拟结果；

图3是本发明基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法的新工艺零件图和模拟结果；

图4是本发明基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法的碳排放分量对比图；

图5是本发明基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法的碳排放总量对比图。

【具体实施方式】

参阅图1-图5，本发明提出的基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法，整个工艺优化方法由以下步骤组成；

步骤一：根据工艺设计参数之间的属性关系，将工艺过程内的砂型铸造工艺设计参数分为砂型铸造独立工艺设计参数ip、砂型铸造耦合工艺设计参数cp、砂型铸造固有属性工艺设计参数iap这三个参数类型，三类工艺设计参数可以作如下描述：

dp＝{ip,cp,iap}

其中dp表示砂型铸造工艺设计参数，将砂型铸造工艺设计参数按照自身属性归类至三类工艺设计参数中；

步骤二：提出砂型铸造的三类碳排放：物料碳排放cm、能源碳排放ce、非期望碳排放cu；按照铸造物料碳排放折算方式的不同，将物料碳排放cm分解为一次性物料碳排放cmot、重复利用物料碳排放cmr、均摊物料碳排放cms；根据三类碳排放的基础计算公式和砂型铸造工艺设计参数计算初始工艺的碳排放，其中一次性物料碳排放计算如下：

式中，mi表示第i种一次性物料消耗量，fi表示第i种一次性物料的碳排放系数；重复利用物料碳排放计算如下：

式中，mj表示第j种重复利用物料投入量，λj表示第j种重复利用物料的回收率，fj表示第j种一次性物料的碳排放系数；均摊物料碳排放计算如下：

式中，mk表示一段时间内第k种均摊物料的消耗量，mca表示单个铸件质量，maca表示均摊物料的消耗的这段时间内作用的总铸件质量，fk表示第k种均摊物料的碳系数；能源碳排放计算如下：

式中，ee为消耗电力，fe为电力的碳系数，el为第l种燃料能源的消耗量，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；非期望碳排放计算如下：

式中，mh为铸造工艺过程产生的第h种废弃物量，为处理单位第h种废弃物电耗；碳排放总量计算如下：

c＝cm+ce+cu

步骤三：参照步骤二中各部分碳排放值的大小，根据步骤一的各参数之间的属性关系以及工厂生产经验，合理选择部分工艺设计参数进行调整，每调整一次可以得到一套新的工艺设计参数；

步骤四：将新的工艺设计方案进行软件模拟验证，如果铸件质量合格则进行下一步；如果质量不合格则重复步骤三、四，直至新工艺达到要求；

步骤五：将新工艺的设计参数代入步骤二的公式中，得到新的碳排放总量与各分量；将新旧碳排放量做对比，反复调整工艺设计参数直到新工艺设计参数满足设定的节能减排目标。

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，如壁厚、拔模斜度、加工余量等；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，如浇铸温度、冷却时间等；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,如金属牌号、型砂类型等；

具体的，所述物料碳排放指在物料生产过程，包括铸件原材料(废钢、生铁等)、辅助材料(砂、酒精等)生产过程，以及运输、销售等与产品相关的过程中产生的碳排放，这些过程中企业输入物料，能源，产出产品和特定的排放物；所述能源碳排放指企业在生产中所消耗的各种能源物质在自身的制造过程中产生的碳排放；所述非期望碳排放指的是处理在工艺生产中形成的废弃物和废品的过程产生的碳排放；

具体的，所述工艺过程仅包含砂型铸造加工过程与落砂清理、切除浇道冒口、抛丸打磨等三项一般后处理过程，不包含热处理、表面处理、缺陷修补等其他后处理过程；

具体的，所述碳系数fi、fj、fk、fe、fl均来自中国钢铁年鉴及gb/t2589-2008，ff由化学方程式计算得出。

本发明工作过程：

本发明基于设计参数碳排放的砂型铸造工艺优化方法在工作过程中，结合附图进行说明。

根据图1的砂型铸造工艺流程图，事先将砂型铸造工艺设计参数分类。如将壁厚、拔模斜度、加工余量等归于砂型铸造独立工艺设计参数；将浇铸温度、浇注速度、冷却时间等归于砂型铸造耦合工艺设计参数；将金属牌号、原料类型、设备额定功率等归于砂型铸造固有工艺设计参数。之后根据碳源折算方式，将工艺过程中用到的物料分类。如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。

选用某砂型铸造企业生产的电机外壳作为计算实例。电机外壳材料为ht250灰铸铁，外壳重量579.69kg。根据初始工艺，电机外壳每箱一件，外壳平均厚度为12.7mm。上下砂箱的内部尺寸为1350mm×1250mm×550mm。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。将初始工艺进行模拟，模拟结果如图2所示，在铸件主体上无缩松、缩孔等缺陷，主体铸件合格。铸造初始工艺参数如下表所示。

工艺中使用的使用材料属性如下：型砂为自固化树脂砂，密度1.48g/cm³，铸造企业旧砂回收率96.25％。生产1公斤ht250灰铸铁需要0.1023kg生铁，0.4249kg回炉料，0.5134kg废钢和0.0116kg焦炭。上游企业和铸造企业各自承担一半的废钢碳排放。回收一吨旧沙需要消耗0.0119kw·h的电力。处理一吨铸件要用2.15×10^-3kg的钢丸。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。

工艺中所用设备额定功率如下：搅拌机11.5kw，辊道2.2kw，干燥炉104.2kw，振动平台3kw，淋幕机1.85kw，桥式起重机6.6kw，固化剂配比仪1.5kw，砂处理线178.5kw。

根据以上条件，可以分别计算初始工艺的砂型铸造物料碳排放cm、能源碳排放ce、以及非期望碳排放cu。

初始工艺砂型铸造物料碳排放cm：

初始工艺砂型铸造能源碳排放ce：

初始工艺砂型铸造能源碳排放cu：

初始工艺碳排放总量如下：

c＝cm+ce+cu＝1811.92+665.07+6.17

＝2483.16(kgco2)

现在需要设计一种新工艺，前提是不改变原始工艺中的材料种类、材料配比、生产线内的任何设备及人力。新工艺目标如下：

1、将砂型铸造工艺碳排放总量降低5％以上。

2、使各碳源的碳排放均有所降低。

结合工艺设计参数分类、铸件设计要求和初始工艺碳排放，新工艺设计及其和原始工艺对比如下表所示：

新工艺分别调整了拔模角度、加工余量、圆角半径以及浇注温度，模拟结果如图3所示。虽然比原始工艺多了一些缺陷，但在铸件主体上仍然无缩松、缩孔等缺陷，符合要求。然后计算新工艺的碳排放并将计算结果与原始工艺碳排放做对比。计算方式同上，各碳源碳排放对比如图4所示，碳排放总量对比如图5所示。

对比结果如下：相比原始工艺，新工艺的物料碳排放cm减少了33.91(kgco2)，降低1.87％；能源碳排放ce减少了176.41(kgco2)，降低26.53％；非期望碳排放cu减少了0.08(kgco2)，降低1.30％；碳排放总量减少了210.40(kgco2)，降低8.47％。对比结果显示新工艺满足要求。

结合案例，说明该方法可以在产品设计阶段，以工艺碳排放为衡量标准和优化参数判断依据，通过有针对性地选择优化参数进行优化，达到砂型铸造工艺流程节能降耗的目的，对砂型铸造行业在节能减排和工艺优化方面具有一定的实际意义。

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。