一种砂型铸造工艺评估方法[发明专利]
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110223006 A(43)申请公布日 2019.09.10
(21)申请号 201910575828.2(22)申请日 2019.06.28
(71)申请人 浙江科技学院
地址 310023 浙江省杭州市西湖区留和路
318号(72)发明人 郑军 俞云鸽 周行健 张云
马红萍 凌玮 (74)专利代理机构 杭州中利知识产权代理事务
所(普通合伙) 33301
代理人 卢海龙(51)Int.Cl.
G06Q 10/06(2012.01)G06Q 50/04(2012.01)B22C 9/02(2006.01)
权利要求书2页 说明书9页 附图2页
(54)发明名称
一种砂型铸造工艺评估方法(57)摘要
本发明公开了一种砂型铸造工艺评估方法,评估方法由六项可计算评价指标组成,用于从多个角度评估针对同一铸件的不同砂型铸造工艺流程方案的优劣。本发明所提出的一种砂型铸造工艺评估方法可以为砂型铸造这一传统加工方法提供工艺优选思路,支持设计人员在砂型铸造的工艺设计阶段建立节能低碳的工艺方案。同时,通过本发明能够在产品设计阶段通过砂型铸造工艺设计参数所对应的评估结果,在生产前对砂型铸造工艺进行优化改进,满足不同的实际需求,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。CN 110223006 ACN 110223006 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种砂型铸造工艺评估方法,其特征在于:评估方法由六项可计算评价指标组成,用于从多个角度评估针对同一铸件的不同砂型铸造工艺流程方案的优劣;建立的六项评价指包括具体包括下列内容:
指标一:缺陷区域体积比
其中,η表示体积比,Vp表示浇注总体积,Va表示第a个缺陷区域的体积;指标二:工艺过程碳排放总量与各碳源碳排放量,碳排放量的计算具体包括以下步骤;步骤一:计算工艺流程物料碳排放CM
其中,f(mi)、f(mj)、f(mk)分别表示直接消耗、部分回收以及产生直接碳排放的第i、j、k种物料用量的计算函数,qi、qj表示第i、j种物料的碳排放系数,rk为第k种物料的直接碳排放系数,λj表示第j种部分回收物料的回收率;
步骤二:计算工艺流程能源碳排放CE
其中,f(ei′)、f(ej′)分别表示直接消耗、产生直接碳排放的第i′、j′种能源物质用量的计算函数,rj′为第j′种能源物质的直接碳排放系数,其余符号同上;
步骤三:计算工艺流程机加工碳排放CP
其中,f(pi″)表示参与加工过程的第i套设备所消耗电能的计算函数,qE表示电能的碳排放系数,f(Δmj″)表示参与回收或废弃处理的第j种物料的量,Ej″为单位物料回收或废弃的电能消耗量;
步骤四:计算工艺流程碳排放总量
其中,CT为在工艺过程T中的砂型铸造工艺过程碳排放总量,CMT、CET、CPT分别代表在工艺过程T中砂型铸造工艺过程中物料碳排放、能源碳排放、机加工碳排放的总量,其余符号同上;
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CN 110223006 A
权 利 要 求 书
2/2页
步骤五:计算平均工艺流程碳排放
其中,表示工艺过程T的砂型铸造平均工艺流程碳排放总量,θ其T为铸件的成品率,余符号同上;指标三:不同方案对碳源的影响率
其中,为在工艺过程T′中优化结果对K类碳源的影响率,KT′表示在工艺过程T′中K类
碳源的碳排放,K0表示原始工艺中K类碳源的碳排放;指标四:可回收资源占比
其中,RT′表示可回收能耗比例,f(Δmj)表示第j种可回收资源的被回收部分质量计算公式,其余符号同上;
指标五:铸造工艺出品率
其中,py为铸造工艺出品率,mca表示铸件实际质量,mal表示铸件余量质量,mga表示铸件浇注系统质量;
指标六:新工艺调整成本
其中,ΔET′表示工艺T′的总调整成本,Ec表示调整c要素的经济成本,Et表示调整t要素的时间成本;新工艺调整成本表示将初始方案做出改变时的生产线相关调整成本总和。
2.如权利要求1所述的一种砂型铸造工艺评估方法,其特征在于:指标一中,所述缺陷区域指在软件中显示可能出现缺陷的区域,表现为某一区域收缩率大于零;所述体积比指缺陷区域内体积相对于铸件体积所占的比例。
3.如权利要求1所述的一种砂型铸造工艺评估方法,其特征在于:指标二中,所述平均工艺流程碳排放表示包含生产合格品、次品和废品铸件的工艺过程,代表实际生产的平均值;所述工艺流程碳排放总量只包含生产合格品铸件的工艺过程,代表理论值。
4.如权利要求1所述的一种砂型铸造工艺评估方法,其特征在于:指标六中,所述Ec与Et的单位不同不能叠加,计算结果分开表示。
5.如权利要求1所述的一种砂型铸造工艺评估方法,其特征在于:所述计算公式f(mi)、f(mj)、f(mk)、f(ei′)、f(ej′)、f(pi″)、f(Δmj″)、f(Δmj)等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的改变而改变。
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CN 110223006 A
说 明 书
一种砂型铸造工艺评估方法
1/9页
【技术领域】
[0001]本发明涉及砂型铸造的技术领域,特别是有关砂型铸造工艺的技术领域。【背景技术】
[0002]研究表明,铸造作为制造业中的基础行业,其能耗总量在制造业中占有很大比重。由于生产水平参差不齐,铸造也产生了相当大的资源浪费和环境污染。在2017年,中国生产了4720万吨铸件,约占全球铸件总量的45%。这些铸件的能源消耗占中国机械工业总能耗的25%~30%,而生产中的能源利用率仅为17%。目前,许多国家对于制造业的节能减排已经达成共识,各自提出了针对节能减排的减排约束性量化指标。欧盟发布了《2030气候和能源框架》,规定2030年前欧盟在1990年的基础上至少减排温室气体40%,到2030年提高27%的能源利用率,节能减排的研究既是政策需要也是工业发展的大势所趋。[0003]在砂型铸造过程中,工艺水平、操作能力、质量把控和生产管理等因素的局限性都会导致铸件产生缺陷,进而影响工件质量,产生不必要的碳排放和污染物,为了防止缺陷产生,最佳选择是在生产前就能了解相应对策,进而合理修改工艺设计方案或设计参数。[0004]然而,在实际生产过程中,缺陷防治主要根据计算机模拟分析和现场试验,并参考前人总结的规律进行。缺陷防治的首要目的是提高铸件的质量和成品合格率。虽然这些不同的方法都能提高铸件质量,但是在经济性、环保性、资源合理分配性等其他方面往往会有不足。在传统制造业转型升级的大背景下,这些指标与铸件质量同等重要,需要在设计阶段同时考虑。但仅仅做到减小缺陷的危害还不足以判断工艺过程是否满足可持续发展的要求。因此就需要一些评价指标来对各个方案分别进行计算和评估。【发明内容】
[0005]为了填补现有技术中的空白,本发明提出一种砂型铸造工艺评估方法,可以从该评估方法中衍生出优化方案,有效地提高铸件的产品合格率,并提高物料、能源的利用率,减少生产过程的碳排放。
[0006]本发明提出了一种砂型铸造工艺评估方法,其特征在于:评估方法由六项可计算评价指标组成,用于从多个角度评估针对同一铸件的不同砂型铸造工艺流程方案的优劣;建立的六项评价指包括具体包括下列内容:[0007]指标一:缺陷区域体积比
[0008][0009][0010]
其中,η表示体积比,Vp表示浇注总体积,Va表示第a个缺陷区域的体积;
指标二:工艺过程碳排放总量与各碳源碳排放量,碳排放量的计算具体包括以下步骤一:计算工艺流程物料碳排放CM
步骤;
[0011]
4
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说 明 书
2/9页
[0012][0013]
其中,f(mi)、f(mj)、f(mk)分别表示直接消耗、部分回收以及产生直接碳排放的第
i、j、k种物料用量的计算函数,qi、qj表示第i、j种物料的碳排放系数,rk为第k种物料的直接碳排放系数,λ步骤二:计算工艺流程能源碳排放CEj表示第j种部分回收物料的回收率;
[0014][0015]
其中,f(ei′)、f(ej′)分别表示直接消耗、产生直接碳排放的第i′、j′种能源物质用量的计算函数,rj′为第j′种能源物质的直接碳排放系数,其余符号同上;步骤三:计算工艺流程机加工碳排放CP
[0016]
其中,f(pi″)表示参与加工过程的第i套设备所消耗电能的计算函数,qE表示电能
的碳排放系数,f(Δmj″)表示参与回收或废弃处理的第j种物料的量,Ej″为单位物料回收或废弃的电能消耗量;[0018]步骤四:计算工艺流程碳排放总量
[0017]
[0019]
其中,CT为在工艺过程T中的砂型铸造工艺过程碳排放总量,CMT、CET、CPT分别代表在工艺过程T中砂型铸造工艺过程中物料碳排放、能源碳排放、机加工碳排放的总量,其余符号同上;
[0021]步骤五:计算平均工艺流程碳排放
[0022][0023]
[0020]
其中,表示工艺过程T的砂型铸造平均工艺流程碳排放总量,θT为铸件的成品
率,其余符号同上;[0024]指标三:不同方案对碳源的影响率
[0025][0026]
其中,为在工艺过程T′中优化结果对K类碳源的影响率,KT′表示在工艺过程T′
中K类碳源的碳排放,K0表示原始工艺中K类碳源的碳排放;
5
CN 110223006 A[0027][0028][0029]
说 明 书
3/9页
指标四:可回收资源占比
其中,RT′表示可回收能耗比例,f(Δmj)表示第j种可回收资源的被回收部分质量
计算公式,其余符号同上;[0030]指标五:铸造工艺出品率
[0031]
其中,py为铸造工艺出品率,mca表示铸件实际质量,mal表示铸件余量质量,mga表示铸件浇注系统质量;[0033]指标六:新工艺调整成本
[0034]
[0032]
其中,ΔET′表示工艺T′的总调整成本,Ec表示调整c要素的经济成本,Et表示调整t要素的时间成本;新工艺调整成本表示将初始方案做出改变时的生产线相关调整成本总和。
[0036]作为优选,指标一中所述缺陷区域指在软件中显示可能出现缺陷的区域,表现为某一区域收缩率大于零;所述体积比指缺陷区域内体积相对于铸件体积所占的比例。[0037]作为优选,指标二中所述平均工艺流程碳排放表示包含生产合格品、次品和废品铸件的工艺过程,代表实际生产的平均值;所述工艺流程碳排放总量只包含生产合格品铸件的工艺过程,代表理论值。[0038]作为优选,指标六中所述Ec与Et的单位不同不能叠加,计算结果分开表示。[0039]作为优选,所述计算公式f(mi)、f(mj)、f(mk)、f(ei′)、f(ej′)、f(pi″)、f(Δmj″)、f(Δmj)等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的改变而改变。[0040]本发明的有益效果:本发明提出了一种砂型铸造工艺评估方法,能够在砂型铸造工艺设计阶段估算碳排放,在设计阶段对相关设计参数进行重新设计并提出改进方案,可以有效地提高资源的利用率,减少碳排放量,从而支持传统加工方法的可持续发展。[0041]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】
[0042]图1是本发明一种砂型铸造工艺评估方法的砂型铸造实例零件图;
[0043]图2是本发明一种砂型铸造工艺评估方法的工艺设计参数和分型面图;[0044]图3是本发明一种砂型铸造工艺评估方法的初始工艺仿真结果图;[0045]图4是本发明一种砂型铸造工艺评估方法的修改后工艺仿真结果图;[0046]图5是本发明一种砂型铸造工艺评估方法的初始工艺碳排放量和比例图。
[0035]
6
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说 明 书
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【具体实施方式】
[0047]参阅图1~图5,本发明一种砂型铸造工艺评估方法由六项可计算评价指标组成,用于从多个角度评估针对同一铸件的不同砂型铸造工艺流程方案的优劣;建立的六项评价指包括具体包括下列内容:[0048]指标一:缺陷区域体积比
[0049][0050][0051]
其中,η表示体积比,Vp表示浇注总体积,Va表示第a个缺陷区域的体积;
指标二:工艺过程碳排放总量与各碳源碳排放量,碳排放量的计算具体包括以下步骤一:计算工艺流程物料碳排放CM
步骤;
[0052][0053]
其中,f(mi)、f(mj)、f(mk)分别表示直接消耗、部分回收以及产生直接碳排放的第
i、j、k种物料用量的计算函数,qi、qj表示第i、j种物料的碳排放系数,rk为第k种物料的直接碳排放系数,λj表示第j种部分回收物料的回收率;[0055]步骤二:计算工艺流程能源碳排放CE
[0056][0057]
[0054]
其中,f(ei′)、f(ej′)分别表示直接消耗、产生直接碳排放的第i′、j′种能源物质用量的计算函数,rj′为第j′种能源物质的直接碳排放系数,其余符号同上;步骤三:计算工艺流程机加工碳排放CP
[0058]
其中,f(pi″)表示参与加工过程的第i套设备所消耗电能的计算函数,qE表示电能
的碳排放系数,f(Δmj″)表示参与回收或废弃处理的第j种物料的量,Ej″为单位物料回收或废弃的电能消耗量;[0060]步骤四:计算工艺流程碳排放总量
[0059]
[0061]
[0062]
其中,CT为在工艺过程T中的砂型铸造工艺过程碳排放总量,CMT、CET、CPT分别代表
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说 明 书
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在工艺过程T中砂型铸造工艺过程中物料碳排放、能源碳排放、机加工碳排放的总量,其余符号同上;
[0063]步骤五:计算平均工艺流程碳排放
[0064][0065]
其中,表示工艺过程T的砂型铸造平均工艺流程碳排放总量,θT为铸件的成品
率,其余符号同上;[0066]指标三:不同方案对碳源的影响率
[0067][0068]
其中,为在工艺过程T′中优化结果对K类碳源的影响率,KT′表示在工艺过程T′
中K类碳源的碳排放,K0表示原始工艺中K类碳源的碳排放;[0069]指标四:可回收资源占比
[0070][0071]
其中,RT′表示可回收能耗比例,f(Δmj)表示第j种可回收资源的被回收部分质量计算公式,其余符号同上;[0072]指标五:铸造工艺出品率
[0073]
其中,py为铸造工艺出品率,mca表示铸件实际质量,mal表示铸件余量质量,mga表示铸件浇注系统质量;[0075]指标六:新工艺调整成本
[0076]
[0074]
其中,ΔET′表示工艺T′的总调整成本,Ec表示调整c要素的经济成本,Et表示调整t要素的时间成本;新工艺调整成本表示将初始方案做出改变时的生产线相关调整成本总和。
[0078]具体的,指标一中所述缺陷区域指在软件中显示可能出现缺陷的区域,表现为某一区域收缩率大于零;所述体积比指缺陷区域内体积相对于铸件体积所占的比例。[0079]具体的,指标二中所述平均工艺流程碳排放表示包含生产合格品、次品和废品铸件的工艺过程,代表实际生产的平均值;所述工艺流程碳排放总量只包含生产合格品铸件的工艺过程,代表理论值。[0080]具体的,指标六中所述Ec与Et的单位不同不能叠加,计算结果分开表示。[0081]具体的,所述计算公式f(mi)、f(mj)、f(mk)、f(ei′)、f(ej′)、f(pi″)、f(Δmj″)、f(Δmj)等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的改变而改变。
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[0077]
CN 110223006 A[0082]
说 明 书
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本发明的工作过程:
[0083]本发明一种砂型铸造工艺评估方法,结合附图进行说明。[0084]生产实例以某轮型铸件为例模拟铸造工艺及进行评估,铸件基本外形参数如图1所示。该铸件由牌号为HT200的灰铸铁制成,质量为85.53kg,设计要求最终成品不能有任何缩孔缩松等缺陷。铸件的最大尺寸为450mm×450mm×136mm,最厚处壁厚约为49mm,算上余量则为55mm。
[0085]生产该铸件所有设备的额定功率下表所示,由于设备的工作时间远大于启动和停止时间,因此在计算机加工碳排放时,可以将设备的额定功率看作设备工作的平均功率。
[0086]
[0087]
生产的主要物料为型砂和灰铸铁。铸件上下砂箱的内部尺寸为900mm×800mm×250mm。型砂使用自固化树脂砂,砂的密度为1.48g/cm3,树脂占原砂质量分数的1%。企业旧砂回收率为96.25%,回收一吨旧砂耗费电力0.0119kW·h。生产1公斤灰铸铁需要的原材料有0.0986kg生铁,0.4191kg铸造回收,0.5208kg废钢和0.0127kg焦炭。废钢碳排放的一半归入上游企业,其余物料碳排放全部计入。
[0088]下表列出了不同材料及电能的碳排放系数。所有碳排放系数来自中国钢铁年鉴以及GB/T2589-2008。缓慢消耗的材料只计算消耗部分(如钢丸),处理一吨铸件消耗的钢丸总量为2.15×10-3kg。燃料碳系数不包含燃料使用产生的直接碳排放。直接碳排放可以用化学方程式算出(假设燃料充分反应)。
[0089]
[0090]
铸造厂生产该铸件有一套初始工艺,部分工艺设计参数和分型面位置如图2所示。
根据初始工艺,设计了一套修改后的工艺设计参数,参数具体区别如下表所示:
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说 明 书
7/9页
[0091]
修改后工艺仅更改浇注温度、浇注时间两个参数。将两套工艺设计参数分别进行
模拟仿真,仿真结果如图3、图4所示,可以看出初始工艺内有部分细小缺陷,而修改后工艺没有明显缺陷。接下来根据以上条件,依据本发明提出的六项指标,对初始工艺方案和修改后方案分别进行计算和评估。[0093]1、缺陷区域计算[0094]根据公式,初始工艺中缺陷区域体积比计算如下:
[0095][0096]
[0092]
而在修改后工艺中,铸件内部没有明显缺陷,所以修改后方案的体积比为0%,优于初始工艺。[0097]2、碳排放计算
[0098]计算初始工艺的碳排放主要分为以下步骤。[0099]步骤一,计算初始工艺物料碳排放CM:
[0100]
[0101]
步骤二,计算初始工艺能源碳排放CE:
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说 明 书
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[0103][0104]
步骤三,计算初始工艺机加工碳排放CP:
[0105][0106][0107][0108][0109][0110]
初始工艺碳排放分量和各自比例如图5所示;步骤四,计算初始工艺碳排放总量:
C=CM+CE+CP=320.15+7.11+93.23=420.49(kgco2)步骤五,根据初始工艺70%的铸件成品率,计算初始工艺平均工艺碳排放总量:
平均工艺碳排放分量同样可以算出,然后重复步骤一到五,计算修改后工艺各碳
源的碳排放,各碳源平均工艺碳排放计算结果如下表所示:
[0111]
[0112]
由于修改后工艺的工艺出品率提高,修改后工艺各碳源的碳排放均大幅低于初始
工艺。
[0113]
3、参数的影响率计算
[0114]影响率体现的是不同修改方案对原方案的碳排放影响大小,只体现变化的绝对值。将修改后工艺的参数影响率计算之后得到下表数据:
[0115]
可以看出在修改后方案对CP的影响最大。在尚未决定改进方案时,参数影响率可以作为方案选择的参考,通过计算改变其中一类参数对三类碳源的影响率,能够更好反映出改进特定参数对不同种类碳排放的优化效果。[0117]4、可回收资源占比
[0118]两种方案的可回收资源占比计算如下:
11
[0116]
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说 明 书
9/9页
[0119]
本例中的修改方案没有变动资源种类和数量,所以两个方案拥有相同的可回收资
源占比。[0121]5、铸造工艺出品率[0122]理论上,工艺出品率越高越好。但是过高的工艺出品率会造成补缩不良,使孔洞类缺陷增加。下表为经过公示计算的工艺出品率:
[0123]
[0120]
[0124]
平均出品率表示计入次品后的出品率,修改后工艺的平均出品率明显高于初始工6、调整成本
下表是各方案经过计算后的调整成本。初始方案的成本为选择“不调整”的成本:
艺。
[0125][0126]
[0127]
利用以上六项指标评估初始工艺和修改后工艺,可以得出修改后工艺在各项指标
中普遍优于初始工艺的结论,等同于修改后工艺相较于初始工艺更加可行。同样地,指标也能被用于评估不同优化工艺间的区别,并根据指标优劣进行适当取舍,从而筛选出适合特定铸件的铸造工艺方案。[0129]结合案例,本发明所提出的一种砂型铸造工艺评估方法可以为砂型铸造这一传统加工方法提供工艺优选思路,支持设计人员在砂型铸造的工艺设计阶段建立节能低碳的工艺方案。同时,通过本发明能够在产品设计阶段通过砂型铸造工艺设计参数所对应的评估结果,在生产前对砂型铸造工艺进行优化改进,满足不同的实际需求,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。[0130]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。
[0128]
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说 明 书 附 图
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图1
图2
13
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说 明 书 附 图
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图3
图4
图5
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