基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法

第20卷第4期 2 0 1 4年4月 计算机集成制造系统 Computer Integrated Manufacturing Systems V01．20 No．4 Apr．2 01 4 DOI：10．13196／j．cims．2014．04．zhengjun．0898．11．20140421 基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法 郑军1’2，唐任仲1十，胡罗克1 (1．浙江大学机械工程学系工业工程中心，浙江杭州310027； 2．浙江科技学院机械与汽车工程学院，浙江杭州310023) 摘要：为了获得砂型铸造工艺过程各个工序的碳排放情况，有针对性地开展节能减排措施，分析了砂型铸造 生产过程的特点，提出了基于工序碳源的铸造工艺过程碳排放建模方法。通过分析铸造生产中的各个环节，用工 序特征要素描述砂型铸造工序基本状态。建立了五类基础工序碳源，利用基础工序碳源表示并计算各个工序的碳 排放量。结合某农用车箱体铸件生产过程进行验证，估算了该铸件的工序碳排放量． 关键词：特征要素；工序碳源；碳排放；砂型铸造 中图分类号：TH3；TG21 文献标识码：A Carbon emission modeling of sand casting based on process carbon sources ZHENGJunl～。TANGRen-zhong”．HULuo-kel (1．Industrial Engineering Center，Department of Mechanical Engineering， Zhejiang University，Hangzhou 310027，China； 2．School of Mechanical and Automotive Engineering，Zh@ang University of Science and Technology， Hangzhou 310023，China) Abstract：To calculate the carbon emission of sand casting processes and to realize the targeted energy-saving and e— mission-reduction，a modeling method for carbon emission of sand casting based on process carbon sources was pro— posed．With analyzing the feature of sand casting production processes，the process feature elements were built to describe the basic state of processing procedure．Five basic process carbon sources were constructed tO compute the process carbon emission．The feasibility of proposed method was verified through the casting production process of large box and the process carbon emission was calculated． Key words：feature elements；process carbon sources；carbon emission；sand casting 0引言 铸造行业的能量消耗占整个机械工业总能耗的 25％左右，行业能量平均利用率仅为17彬1|。为了 实现低碳铸造，建立碳排放量化模型，国内外从不同 层次开展了深入研究。尹瑞雪等嘲分析了砂型铸造 生产系统的碳排放情景，建立了能源碳、物料碳、工 艺碳的排放函数；李元元等[3]提出一种典型铸铁生 产能耗的简化模型，用单位成品能耗描述能源消耗 情况；Gutowski等[4]对砂型铸造生产过程进行生命 周期分析，给出了不同砂型铸造工艺的能耗及排放 模型；Thollanderc5]以瑞典一家铸造企业为研究案 例，量化了铸造企业节能利用效率；JeswietE6]等对 制造过程提出碳排放的量化模型；陶雪飞等[7]提出 收稿日期：2013—08—12；修订日期：2013—10—18。Received 12 Aug．2013；accepted 18 Oct．2013． 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51175464)；浙江省自然基金资助项目(I-Q13G010009)；浙江省教育厅科研资助项目(Y201223365)；桐 乡科技计划资助项目(201302036)。Foundation items：Project supported by the National Natural Science Foundation，China(No． 51 175464)，the Natural Science Foundation of Zhejiang Province，China(No．I。Q13G010009)，the Scientific Research Fund of Zhe— jiang Provincial Education Department·China(No．Y201223365)，and the Tongxiang Science and Technology Plan Project，China (No．201302036)． 万方数据 第4期 郑军等：基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法 899 基于碳排放强度系数的物料消耗计算及评价模型； Narita等[8]从生命周期评估角度，对制造过程操作 活动的碳排放量进行研究；李先广等[90针对制造过 程，提出了基于Petri网的碳排放建模与量化方法， 对温室气体的碳排放强度进行分析；曹华军等[1 01从 生命周期角度建立了机床碳排放评估模型。 上述对碳排放模型的研究大多从生产过程中的 整体角度进行量化分析和建模，没有明确工序及工 序之间的具体碳排放情况。工序是生产过程中最小 的基本单位，充分掌握工序层次的碳排放情况，分析 各个工序之间的碳排放关系，有利于企业有针对性 地开展节能减排措施。砂型铸造生产过程的能耗及 排放巨大，具有较大的节能减排潜力。因此，本文从 砂型铸造工艺过程的角度出发，通过分析工艺过程 特点，采用工序特征要素描述工序基本状态，建立空 载(待机)碳源、负载碳源、物料碳源和非期望碳源五 类基础工序碳源，利用基础工序碳源描述并计算各 个工序的碳排放。所提碳排放模型可以定量估算出 不同工序的碳排放量，实现了工艺过程中碳排放量 的分析和比较，为企业制定节能减排措施提供了理 论依据。 1砂型铸造工艺过程特征分析 砂型铸造生产过程是一个包含具有连续工业过 程和离散铸造过程特点的复杂生产过程，工艺过程 涉及40余道工序，工序之间按照一定关系构成生产 工部[11]。从原料投入到最终生产出铸件产品的过 程由不同类型的各道工序组成，每一道工序由一定 的加工设备、物料和能源等的投入完成，这个过程中 会直接产生碳排放．因此可以通过分析砂型铸造生 产中的各个工序内容，通过工序过程中参与的设备、 物料和能源等对象以及使用状态信息特征描述工序 的状态。砂型铸造生产过程碳排放环节如图1 所示。 从生命周期角度分析铸造过程的碳排放环节， 更应该考虑工序过程中产生的各类污染物对环境的 影响，因此可以将生产过程中污染物的处理过程所 需要的能源、物质等作为铸造生产过程中碳排放的 一部分，更加全面地计算和分析铸造工艺过程中输 入和输出对环境的影响。 ………争污染物——+能量流 ……·’物料流 图1 砂型铸造工艺过程碳排放环节 2砂型铸造工序碳源建模 2．1砂型铸造工序特征模型 为了描述各类工序状态参数，对工序特征有如 下定义： 定义l描述铸造工序状态参数的信息单元称 为工序特征。工序特征由时间要素、载荷要素、负载 要素、空载要素、待机要素、物料要素、能源要素和非 期望要素八类特征组成。工序特征可以表示为 PF一{pf_ID，pf_class，pf—name，Pf_vaule}。(1) 式中：pf_ID为特征编号；pf—class为特征类型；pf— name为特征名称；Pf_vaule为特征值。 定义2工序活动保持相同状态所持续的时间 称为时间要素，用TE表示。 定义3工序执行过程中受到的载荷大小称为 载荷要素，用WE表示。 定义4工序执行过程中在负载状态下的功率 特征称为负载功率要素，用LE表示。 定义5工序执行过程中在空载状态下的功率 特征称为空载功率要素，用PE表示。 定义6工序执行过程中，在待机状态下的功 率特征称为待机要素，用SE表示。 定义7工序执行过程中的产出污染物对象称 为非期望特征，用UE表示。非期望特征包括工艺 活动产生的废气、废渣、废砂、废水等污染物。 定义8工序执行过程中所需消耗的各类物料 资源对象称为物料要素，用ME表示。资源特征主 要包括各类物料以及}肖耗的水、气、油等能源物质。 定义9工序活动所消耗的除电力以外的能源 对象称为能源要素，用EE表示。 万方数据 计算机集成制造系统 第20卷 根据上述对工序特征的定义得到工序与工序特 征的映射关系，该映射关系可以用关系矩阵表示为 rr(1， r(2， 舻一I ‘ r(i。 r(村， … r(1，歹) …r(2，歹) … r(i，J) …r(n，J) r(1，6) r(2，6) r(i，6) r(n，6) 。 (2) 式中：r(i，J)为第i个工序活动与第』个工序特征的 关联函数，其值为0或1。当r(i，歹)一。时，表示第i 个工序活动与第歹个要素没有关联；当r(i，J)=0 时，表示第i个工序活动与第歹个要素具有关联 特性。 2．2砂型铸造过程工序碳源模型 IPCC(intergovernmental panel On climate change)将碳源描述为向环境释放碳∞通量、过程、 系统或机制，碳源主要有人为源和自然源[12]。根据 砂型铸造工序特征，借鉴碳源的描述，将工序碳源定 义如下： 定义10砂型铸造工序执行过程中，向环境排 放碳通量的不可再分的基本过程称为工序碳源。 各种类型工序在执行过程中都依赖设备，设备 的运行状态决定了该工序的能耗状况。八类工序特 征要素可以描述砂型铸造生产过程中各种类型工序 的生产状况，利用工序特征要素，本文定义以下五类 基础工序碳源，通过工序碳源来描述不同类型的工 序碳排放关系。 定义11工序在执行过程中消耗各类物料的 过程称为物料消耗碳源，用MC表示。 定义12工序在执行过程中排放各类污染物， 产生废品的过程碳排放称为非期望碳源，用tiC 表示。 定义13设备运行过程中维持设备运行状态、 等待进入工作状态的过程碳排放称为空载(待机)碳 源，用PC表示。 定义14设备负载状态下运行过程的碳排放 称为负载碳源，用LC表示。 定义15工序执行过程中，除了电力消耗以外 的所有动力类能源消耗的资源称为能源消耗碳源， 用EC表示。 工序执行过程中，不同的工序碳排放都可以用 上述五类基础工序碳源构成，例如吊装工艺活动的 执行流程为“启动一吊装一暂停”。根据上述执行流 程可以得到吊装的碳排放由PC-LC-PC几个基础 工序碳源组成，即空载(待机)碳源一负载碳源一空 载(待机)碳源。 2．3基础工序碳源碳排放建模 对于基础工序碳源碳排放来说，可以根据 PAS2050[13-j关于产品碳排放计算方法中的排放系 数法进行计算。 (1)空载(待机)碳源PC 空载(待机)碳源描述设备运行过程中没有任何 载荷或者为了维持设备运行状态等待进入工作状态 的过程所排放的碳排放量。在这个过程中，该部分 的能量消耗一直伴随着设备的运行过程，直到设备 停止。不同设备的空载(待机)功率不尽相同，可以 通过实测设备历史的运行状况获得空载(待机) 功率。 Po一∑Po，／瓣。 (3) t一1 式中：R为该设备第i次测得的空载或待机功率 (单位：kW)；7／为测试数量。 文献[6]给出了制造过程碳排放计算模型，其空 载(待机)碳源的排放计算公式为 Cpc—P。·￡·E。 (4) 式中：P。为铸造设备空载功率或待机功率(单位： kW)；t为运行时间(单位：s)；E为电力碳排放 系数。 (2)负载碳源LC 砂型铸造过程中的负载碳源排放描述设备承受 载荷下所消耗的能量大小，不同载荷下，设备的工作 功率并不相同，负载碳源的排放计算公式为 CLc一(P。+A·G·P。)·z·E。 (5) 式中：P。为铸造设备空载功率(单位：kW)；P加为铸 造设备单位重量下的附加功率(单位：kW)；A为单 位功率损失系数；t为运行时间(单位：s)；G为负载 重量(单位：kg)；E为电力碳排放系数。 (3)物料消耗碳源MC 指砂型铸造生产过程中所需的各种物料，包括 型砂、石灰石、各类涂料等。物料消耗碳源排放量的 计算方法如下： 设砂型铸造过程中第i类物料和工艺活动J之 问的消耗关联度为f。(i，J)，则物料对象与工艺活动 的关联度矩阵 万方数据 第4期 郑军等：基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法 901 『-Cme(1，1) Cme(1，2) f。(2，1) Cme(2，2) ： ：俨=l ‘ ’ Cme(i，1) f。(i，2) I； ； f。(m，1) c。(m，2) 式中：C。(i，歹)为工艺活动J在执行过程中所需要消 耗第i种物料资源的数量。 物料碳排放计算方法可以采用文献[2]提出的 方法，即将物料生产过程中各阶段的能量消耗折算 成碳排放量。设生产单位i种物料需要经历k个加 工阶段，则单位i种物料的碳排放量为 _，一∑Es·E。 (7) 式中：ES为第k个加工阶段；E为电力碳排放系数。 第歹个工艺活动的物料碳源量为 ‰=∑c。(i，J)·_，= ∑∑(Es·Cut(i，歹))·E。 (8) 式中：f埘为单位i种物料的碳排放量；E为电力碳排 放系数。 (4)能源消耗碳源EC 在砂型铸造过程中，能源输人不仅是电力，还包 括煤、石油、天然气等各类能源，能源消耗碳源不包 括电力，参考文献[13—14]给出的碳排放计算方法， 砂型铸造过程能源消耗碳源的碳排放量建模方法 如下： 设砂型铸造过程中第i类能源和工艺活动歹之 间的消耗关联度为c，(i，』)，则资源对象与工艺活动 的关联度矩阵 ME== 一G(1，1) C。(1，2) … 巳(1，J) … C。(1，挖)] f。(2，1) o(2，2) …o(2，J) …巳(2，咒)l ； ； ； i c。(i，1) o(i，2) … 以(i，J) … o(i，以)I i i i i 巳(m，1) G(m，2) … o(m，J) … o(优，押)l (9) 式中Ce(i，歹)为工艺活动J在执行过程中所需要消 耗第i种能源的数量。 工艺活动J所消耗i种能源的碳排放量为 …f。(1，歹) … Cnr(1，行)] …f。(2，J) c。(2，行)| ： ： …“0…“岛I。 ∞’ i ； …c。(m，歹) …f。(m，行)1 ％=∑巳(i，歹)·Ei。 (10) 式中：E为电力的碳排放系数；行为所消耗能源的 种类。 (5)非期望碳源UC 非期望包括工艺活动中产生的各种废气物，还 包括生产出来的废品。对于非期望物质的碳排放计 算，可以将处理这些非期望物质过程中消耗的能量 转换为电量的大小。 定义16非期望物质与工艺活动的消耗关联 度描述了工艺活动在执行过程中产生的废弃物的 数量。 设工艺活动J在执行过程中产生m种非期望 物质的量，则工艺活动歹与非期望物质的量关系为 A—Lf。(1，J)，f。(2，歹)，…， C。(i，歹)，…C。(m，歹)]T。 (11) 式中c。(i，J)为第i类非期望物质和工艺活动歹之 间的消耗关联度，即工艺活动J在执行过程中产生 的第i种非期望物质的数量。则非期望物质与工艺 活动的关联度矩阵 ^P一 卜(1，1)f。(1，2)…f。(1，歹)…f。(1，72)] c。(2，1)f。(2，2)…f。(2，歹) f。(2，理)I l； ； ； ；c。(i，1)c。(i，2)…f。(i，歹)…c。(i，咒)l。 }i ； i ； 卜。(m，1)c。(m，2)…f。(m，歹)…f。(m，行)J (12) 各类非期望物质的处理方法和工艺都不相同， 为了统一衡量非期望物质的碳排放量，引入了非期 望物质处理难度系数。 定义17非期望物质处理难度系数反映影响 企业处理非期望物质的难易程度，由非期望物质处 理费用、非期望物质平均回收率、非期望物质处理环 节数量及投入成本等构成。 考虑到不同企业处理的方式不同，可以从行业 专家角度对非期望物质的处理难度系数进行打分， 万方数据 902 计算机集成制造系统 第20卷 难度系数以铸件废品处理为参照对象进行评分，在 此基础上获得平均非期望物质难度系数 声一∑仍／n。 (13)鬲‘ 式中：船为参与评判的行业专家人数；仍为第i个专 家打分的分值。 由于单位i类非期望物质进行处理工艺中涉及 到是个阶段，单位i种非期望物质的碳排放为 I，一≯，·∑ES·E。 (14) 女一】 式中：取为第是个加工阶段；声，为第i种非期望物 质处理难度系数。 第J个工艺活动的非期望物质碳源排放量为 cM一∑o(i，歹)·。，一 i—l ” i ∑∑(鹾·c。(i，歹)·j5：)·E。 (1 5) l一1^一1 式中f。为单位i类非期望物质的碳排放量。 2．4基于工序碳源的砂型铸造工艺过程模型 有向图可以直观地描述各个对象之间的关系， 但缺乏对象关系程度的描述，故引入有向边的权来 描述工序特征要素与工序活动之间的关联程度。将 工序特征集成到工艺过程中，可以定义基于权重有 向图的砂型铸造工艺过程模型为 SPM一(V，R，PF，RP，WP)。 (16) 式中： V一{阢I i一1，2．…，Ⅲ)为非空有限集合，表示 抽象的砂型铸造工艺过程中所有节点的集合； R一{，．，li一1，2，…，行)一{(vk，73f，，…) 为非空有限集合，表示节点集合中依据关联关系形 成的有向边集合； RF={rfi i一1，2，…，8)为非空有限集合，表 示节点所包含的工序特征要素的内容； RP一{冲I i一1，2，…，q)一{，，…)为非空有限集合，表示工序特征要素与工序 节点集合中依据关联关系形成的有向边集合； WP一{础l i一1，2，…，1)为有向边r}上的权， 反映工序特征集合RF要素中的属性值。 构建集成工序特征要素的权重有向图砂型铸造 工艺过程模型的规则如下： 规则1工序有向边添加。假如工序p口。与工 序抛。有先后执行关系，则添加一条从抛。指向 抛。的虚线有向线段。 规则2工序特征要素有向边添加。假如工序 特征要素pf2与工序加。有属性关系，则添加一条 指向加。的实线有向线段，线段的权为工序特征要 素p厂2的值。 根据上述两个添加线段的规则，可以得到工序 的工序特征要素被指向的线段数量”≤8。 图2所示为某工序i集成工序特征要素的权重 有向图工艺过程模型，可以得到工序i的工序特征 要素包含TE，ME，UE，PE和LE五个要素，对应 的权重集合为∥。 ： 图2集成工序特征要素的权重有向图砂型铸造工艺过程模型 令工序特征集合PF一{Pf，，Pf2，p^，Pf4， Pfa，户厂6，Pf7，乡^)一{TE，WE，LE，PE，SE，UE， ME，EE)，通过该模型可以方便地获得工序与工序 特征要素之间的关系矩阵 ^俨PF— pal pa 2 ： ● pa。 Pfl r(∞1，Pfl) r(∞2，Ⅳ1) p{2 r(加1，Ⅳ2) r(pa 2，Ⅳ2) ，．(pa。，Ⅳ1)r(pa。，∥’2) 式中r(pa：，pfj)为工序i与工序特征要素歹之问的 函数值，如果没有相关属性，值则为0。 SPM一(V，R，PF，RP，W9)模型从工序角度对 铸造过程进行了工序之间的执行关系描述，并且集 成了工序特征要素信息，进一步可以将该模型转换 为用五类基础工序碳源描述的工艺过程模型，该模 型有利于工艺过程中各类工序碳排放的计算和 分析。 基于工序碳源描述的铸造工艺过程模型定义为 PCS一(V，V9，R，R州，PF，RP，WP)。(18) m耐耐；耐 抛加 抛 万方数据 第4期 郑军等：基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法 式中：旷一{u，P i一1，2，…，5}一{PC，LC，MC，EC， NC)为非空有限集合，表示将工序节点分解为五类 工序碳源表示的工序碳源节点集合；R更={，．川i一 1，2，…，胛)={，。…)为非空有限 集合，表示工序碳源节点集合中依据关联关系形成 的有向边集合。 对于图2所示的工艺过程模型，可以转变为工 序碳源描述模型(PCS)，如图3所示。 图3基于工序碳源的铸造_[序模型 设CR一{fn，CF2，CF3，cr4，fr5}一{PC，LC，UC， MC，EC)为工序碳源集合，则工序与工序碳源之间 的关联矩阵 MM隙一 pal pa 2 ： ● pa。 c7-1 c，2 r(pal，crl)r(pal，CF2) r(pa 2，crl)r(∞2，cr2) r(pa。，Crl)r(pa。，OK2) …(y； …r(pal，盯j) …r(加2，frj) …r(加。，cr5) (19) 式中r(pa，，crj)为工序i与工序碳源歹的关系函数， r(pa。，cr，)一{TE，WE，LE，PE， SE，UE，ME，EE}。 (20) 可以得到工序特征要素与工序碳源之问的关系矩阵 渺没一 (21) 3基于工序碳源的砂型铸造过程碳排量计 算方法 铸造工艺过程是对各类工序的组织，体现了其 执行的先后顺序，本文通过基于工序碳源的铸造工 艺过程模型来计算和分析铸造工艺过程的碳排 放量。 基于工序碳源的碳排放模型构建步骤如下： 步骤1构建砂型铸造工艺过程模型，并且集 成工序特征，获得SPM一(y，R，PF)。 步骤2令集合CR一{crl，cr2，cr3，fr4，CF5)为 工序碳源集合，PA={pa，，paz，…，加。)为工序集 合，将工序i遍历集合CR，若c’rJ∈pa。，则r(加：， cri)+，完成整个工序集合对工序碳源集合的遍历， 建立工序碳源关系矩阵M似积。 步骤3建立工序特征集合与工序之问的关系 矩阵MPAPF。 根据工序特征要素的定义，可以将工序特征集 合做如下扩展： (1)时间要素TE={tP，tL，ts}，其中：tP为空 载工作时间；tt为负载工作时间，ts为待机时间。 (2)栽荷要素WE一{伽e}，设备在工序活动中 所承载的物料或者铸件重量的大小。 (3)负载要素LE={P”P∞…，P“)，为工序 执行过程中设备负载的附加功率。 (4)空载要素PE={P扪P扪…，P。}，为工序 执行过程中设备的空载功率。 (5)待机要素SE={P扪P加…，P。)，为工序 执行过程中设备的待机功率。 (6)非期望要素 UE一{bi91，“P2，…，ue。)，其 中：1Ae：为工序执行过程中排放的第i种非期望对 象；卯为非期望对象总数。 (7)物料要素ME一{优P1，铆92，…，mP。}，其 中：me，为工序执行过程中消耗的第i种物料；m为 物料总数。 (8)能源要素 EE一{仑Pl，PP2，…，P改)j其中： ee。为工序执行过程中消耗的第i种能源；k为能源 类型总数。 根据扩展的工序特征集合，可以将关系矩阵 M脚’变换为 O 0 0 0 0 1 0 0 O 0 O 0 O 0 0 l 0 0 0 0 O 0 1 0 1 1 1 1 0 O O O 1 0 0 1 1 O O 0 万方数据 计算机集成制造系统 第20卷 TEl(tP．tL，ts) TE2(tP，tL，ts) TE．(tP，tf，，ts) TE。(tP，tL，ts) WE，(”) WE，(埘) WE．(础) WE。(w) LEl(Pll，…。P口) LE2(Prl，…，PH) LE，(P“，…，P口) LE。(A。，…，钆) 步骤4根据MeAeF与MPaCR的对应关系计算 工序的碳排放量。 根据基础工序碳源的碳排放计算模型(式(3)～ 式(14))以及工序特征信息，得到集成了工序特征信 息的工序碳源碳排放计算模型如下： 工艺过程中工序i的空载(待机)碳源(PC)的 排放量 Cpc．=MeaRFrl 0 0 1 1 0 0 0]T— r(∞。，CFl) TE。(如，tL，ts) PE，(仇) SE。(p，) o(户·t·E)。 (23) 式中O表示将矩阵的属性映射到对应元素。 工艺过程中工序i的负载碳源LC的排放量 ％．=M眦F[1 l 1 1 0 0 0 o]= r(加，，盯2) TEi(如，tf，，ts) PE。(p。) WE，(硼) LE。(户p) O((P+A·w·P加)·t·E)T。 (24) 工艺过程中工序i的物料碳源MC排放量 CMc，一M眦9·Eo 0 0 0 0 0 1 o]T— EME。(mel，．一，础。)]o (∑∑(E5·f。(i，歹))·E)。 (25) l=1女=1 工艺过程中工序i的能源碳源EC排放量 ％．一MeaR7·Eo 0 0 0 0 0 0 1]T一 [EE，(eel，．一，韶。)]o(∑Ce(i，歹)·Ek)。(26) 工艺过程中工序i的非期望碳源NC排放量 CNc“一M眦F·Eo 0 0 0 0 1 0 o] [UE：(uel，…，獬f)]o l i (∑∑(鹾·f。(i，歹)·伫)·E)。 (27) 生产铸件产品的砂型铸造工艺过程的总碳 排放 …，口．)1 …，口。)l …，贸。)l …，船。)I (22 C一∑(M翮·M舢7 O l=1 (Cec。+Gc，+‰。+％，+CM。))。 (28) 将式(21)～式(26)代人式(27)，可以得到集成 了工序特征信息的工艺过程碳排放总量模型为 CD一。一 r(∞i，crl) TE。(如，tL，ts) PE。(P。) SE，(P，) r(加。，CF2) TEi(如，tL，ts) PEi(仇) WEi(硼) LE。(Pp) o(户·t·E)+ o((P+A·W·P舢)· ∑∑(El·c。(i，歹))·E i—l k=1 ∑G(i，J)·巨 i一1 f l ∑∑(鹾·f。(i，J)·伫)·E 4模型应用 通过建立的工序特征和工序碳源，可以逐个分 析和计算各种类型的工序碳排放，分析不同工序的 碳排放来源，有利于设计阶段的工艺过程规划，优化 铸造工艺过程，有针对性地开展和实施企业节能减 排措施。本章以某企业砂型铸造造型生产过程为 例，说明基于工序碳源的碳排放计算模型的可行性。 某企业生产农用车辆箱体类铸件，该铸件外形 尺寸为1 400 mm×400 mm×450 mm，材质 HT250，铸件本体硬度170 HB～240 HB，采用呋喃 树脂砂作为型砂，树脂砂密度约为1．6 g／cm3。该 铸件的规划生产工艺过程如表1所示。 彤 钟 茁 贸 巳i医 臣 瓯 _ m m m 糟 艘 糟 塞| ¨ ¨ ¨ ¨ ， ， ●●● ， ●●● ， 糟 糟 糟 糟 姬|塞 旭 尬 增 雠 泔 理 ¨ 一 ¨ ～ ， ， ●●● ， ●●● ， 御 啦 理 理 江晒 |三j 晒 “m “ 以 ¨ ¨ ¨ ¨ A A 以 A 瓯％ 瓯 观 儿“ “ “ ～ ～ ～ ～ ， ， 以丸 以 A 阳}}! 腰 阿 o J，， 础 ‰ 蚴 ●， ●， ●， 一， 一， ¨， 吼 ∞ 坝0又又牌五 +D 万方数据 第4期 郑军等：基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法 表1 农用车辆箱体铸造造型生产线的主要工序 序号 工序名称 序号 工序名称 1 混砂 5 合箱 2 紧实 6 浇注 3 翻箱 7 冷却 4 起模 8 落砂 树脂砂具有自硬特性，不需要烘烤工序，铸件理 论重量为0．36 t(包括浇注系统等)，辅助用料主要 为树脂砂，树脂砂的主要含量为原砂、树脂(粘结剂) 和固化剂。其中树脂使用量为原砂的1％～1．3％， 固化剂及其他物料使用量为树脂使用量的25％～ 50％左右，因此可以将使用原砂和树脂的能耗折算 为树脂砂的碳排放量。 该造型生产线的布置主要有八道工序，其中浇 注与冷却工序属于浇注工部，落砂工序属于落砂清 理工部，下面以工序l～5为研究对象展开该工序的 碳排放计算，其中，为了计算方便，对于物料的碳排 放，仅考虑其一次性投入的碳排放量。 企业采用的设备有机械混砂机、震实机和翻箱 起模合模机，吊装设备采用葫芦吊。分析企业生产 过程中的相关信息，获得相关设备要素信息如下： 该生产线每吨铸件平均用砂量1．5 t左右，耗 砂量5％左右；混砂设备生产率约为10 t／h，树脂砂 密度约为1．6 g／cm3度；混砂机的平均待机功率为 0．4 kW，空载功率平均为3 kW，负载功率为0．6 kW／t；震实台平均空载功率为2．1 kW，平均负载功 率为0．7 kW／t，待机功率为0．3 kW；翻箱起模合箱 机平均空载功率为5 kw，负载功率为3 kW／t，待机 功率为0．5 kW；企业采用的电葫芦额定载重为5 t， 平均空载功率为6 kW，根据综合负载以及操作次数 等因素，平均附加功率为2．6 kW／t，待机功率为 o．5 kW。 根据所采用的设备工作状态，将工序1～5用工 序碳源表示(如表2)，其中翻箱起模合箱由一台设 备完成三个工序内容，因此合并为一道工序。 表2基于工序碳源造型生产线主要工序关系 所建立的基于工序碳源的工艺过程模型如图4 所示。 图4造型生产线部分工序SPM模型 根据表2的工序碳源表示内容，将图4中的 SPM模型转变为基于工序碳源的铸造过程模型 PCS，如图5所示。 上述模型描述了工序和工序碳源直接的关系， 可以用矩阵表示为 一㈠强 根据式(21)，建立工序与工序特征要素的关系 万方数据 906 计算机集成制造系统 第20卷 M“”= rt／,l一0．083；tp2—0．0171 t』l一0．117；t』2—0．033 t：1—0．033；t，2—0．050 f如1—0．167；tp2—0．017] itn一0．050；t口一0．033 t；一0．033；t，2—0．050 ftpl一0．167；r衄=0．017] 1t，l一0．050；t＆一0．033 lt，=0．033；r，2—0．050 图5造型生产线部分工序P∞模型 w=546娌Ppz一(2三：)(篡鞫ue=0．21(：：=：1。8。)。 w=610(篡鞫(2东)(篡鞫ue=0．31 。 。 w=610(基i：：)(2二i)(2三：：；)ue=0．10 。 。 三道工序中，非期望对象粉尘的主要成分为石 英砂，根据文献E2，15]，国家标准GB／T2589—2008 的折算系数，电力当量值转换为标准煤系数为 0．122 9 kgce／kg。对新砂和膨润土的开采、运输和 加工等阶段能耗，生产每吨石英砂原料所消耗的标 准煤为：天然气9．654 kgce／m3，原煤69 kgce／kg， 原油13．943 kgce／kg。为了计算方便，树脂的生产 碳排放量可以折算到石英砂中，折算系数如表3 所示。 表3各种能源的碳排放系数kgC02 e／kgce 根据式(25)计算物料碳排放， m i 如、一∑∑(联·f。(i，歹))·Ei i=1 k一】 =0．18×(16．836 6+216．522+31．413 58) 一47．658 99(kgC02e)。 根据式(23)计算空载(待机)碳排放， ％，一 1 tpl一0．083：lp2—0．017 t，}一0．033；t，2—0．050 落i) (麓㈡ (P·t·E)=(0．35I+0。038 2)X 4。035× 0．122 9=0．193(kgC02e)。 同理计算其他两道工序的空载(待机)碳排放， Ck：2=0．241 8 kgC02e； ％3=0．485 2 kgC02e。 根据式(24)计算负载碳排放， Clci— l t，1—0．117；tf2—0．033 范三：) W==546 (篆㈡ ((P+A·W·P。)·t·E)一(O．389 23+ 0．244 85)X 4．035×0。122 9—0．314 5(kgC02e)。 同理可以计算其他两道工序的负载碳排放， 万方数据 第4期 郑军等：基于工序碳源的砂型铸造过程碳排放建模方法 907 Cj』·2—0．183 kgC02e； C』f3=0．286 kgC02e。 根据式(27)计算非期望碳排放， f i ％，一[凇]o(∑∑(霹·％(i，J)·弘)·E)一 f=1^=1 0．21×(16．836 58+216．522+31．413 58)× 10—3—0．055 6(kgC02e)。 同理计算其他两道工序的非期望碳排放， Gc2=0．082 0 kgC02e； C&、3—0．024 7 kgC02e。 三道工序的总碳排放量为 3 C=y(M肌_．ApPF× l=1 (Cec，+Cfr，+Ck’，+C『日．。+CNc。)= (A+A·w·Pp)·t·E+(∑∑ i=1^=1 (El·f。(i，j))·E)+(∑cf(i，歹)·Ek)+ l=1 』 i (∑∑(鹾·f。(i，歹)·≯：)·E)]= i=l^=】 47．658 99+0．92+0．783 5+0．162 46— 49．524 95(kgC02e)。 通过以上计算得到上述三道工序总碳排放量为 49．524 95 kgCOze，其中物料碳排放只计算了一次 性投入的碳排放，没有考虑树脂砂的可回收性和重 复利用次数，一般树脂砂的可回收率可以达到 95％，故将物料碳排放根据其可【旦l收性进行分摊。 分析三道工序中的碳排放情况如图6和图7所 示。从图6和图7可以直观地分析得到，工序1(混 砂工序)中的负载碳排放和工序3(翻箱起模合箱工 序)中的空载碳排放较大，有进一步优化的空间，该 过程中工序的非期望碳排放相对于其他的较少。 5结束语 本文研究了砂型铸造工艺过程工序碳排放量的 建模方法，采用工序特征要素描述各类工序的状态 0．50 0．45 0．40 0．35 O．30 0．25 0．20 0．15 0．10 0．05 O 0．50 0．45 0．40 0．35 0．30 0．25 0．20 0．15 0．10 0．05 0 工序l 工序2 工序3 ●空载碳源口负载碳源口非期望碳源 图6工序碳排放情况比较 1 —L 空载碳源 负载碳源 非期望碳源 一工序l 口工序2 口工序3 图7基础工序碳源的磺排放值比较 参数，提出了基于工序碳源的砂型铸造工艺过程碳 排放模型，根据砂型铸造生产特点建立了空载(待 机)碳源、负载碳源、物料碳源、能源碳源和非期望碳 源五类基本碳源，将铸造工序碳排放量表达为五类 基本工序碳源，用于计算工序碳排放量。通过实例 对基于工序碳源的碳排放模型进行验算，并对工序 之间的碳排放进行直观有效地比较。下一步将在砂 型铸造工序碳源模型的基础上，开展砂型铸造过程 低碳对标的研究，以有针对性地实施节能减排的措 施，提高节能减排的效果。 参考文献： [1]1．IU Jianguo，HUANG Tianyou，I，U Dingquan，et a1．Analy— sis on development of Chinese foundry industry in 1 2th five- year plan period[J]．Foundry Technology，2012(9)：1090—1093 (in Chinese)．!柳建国，黄天佑，卢定全，等．“十二五”中国铸造 行业发展浅析[J]．铸造技术，20129)：1090—1093．] [2]YIN Ruixue，CA()Huajun，I．I Hongcheng，et a1．Carbon e— mission quantification method of sand casting process and its applicatio