汽車涂裝線磷化除渣系統(tǒng)的改造

劉志廣，毛岳衡，嚴宏慶

（湖南長豐汽車制造股份有限公司長沙基地，湖南 長沙 410100）

汽車涂裝線磷化除渣系統(tǒng)的改造

劉志廣*，毛岳衡，嚴宏慶

（湖南長豐汽車制造股份有限公司長沙基地，湖南 長沙 410100）

針對汽車車身涂裝生產(chǎn)線磷化除渣系統(tǒng)存在的問題(如液位缺陷、液位傳感器失效、流量不匹配以及出渣量小等)，對舊的磷化除渣系統(tǒng)進行了改造。介紹了整改方法：選用耐溫、耐污、防腐的液位傳感器，安裝方式由底部水平安裝改為頂部垂直安裝；調(diào)整泵的運行方式，以便調(diào)整清水罐的流量；將磷化槽沉淀錐由2對增至6對，提高了磷化濃液的收集能力，從而提高出渣量，等等。改造后，除渣系統(tǒng)的除渣效果大大增強，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性也同時得到了提升。

磷化；汽車涂裝線；除渣；改造

1 前言

在汽車涂裝表面處理中，良好的磷化處理可顯著提高車身涂層的附著力和耐腐蝕性。磷化渣是金屬磷化過程中的附加產(chǎn)物，如不及時清除，對車身表面質(zhì)量、加熱系統(tǒng)換熱效率、管路閥門、磷化噴射系統(tǒng)等都會產(chǎn)生不良影響。本文分析了涂裝生產(chǎn)線磷化除渣系統(tǒng)在運行中產(chǎn)生的問題，并提出了相應的解決方法。

2 磷化除渣系統(tǒng)

汽車涂裝產(chǎn)生的磷化渣的主要成分是鐵系和鋅系磷酸鹽，在添加改性劑的磷化液中，也會含有Mn2+和Ca2+系列磷酸鹽，這些磷酸鹽在磷化液中通常以絮凝狀、塊狀、團塊狀和顆粒結晶狀等物理形式存在。由于磷化渣的主要表現(xiàn)形式為磷酸鹽的結晶顆粒，所以最簡單有效的去除方法就是采用固液分離裝置——過濾裝置來去除。在涂裝生產(chǎn)線上，常見的過濾裝置有板框式壓濾機、紙帶式過濾機和FK式壓濾機等。在實際應用中，一般在除渣裝置前增加沉降裝置，利用重力沉降作用形成磷化濃縮液來提高除渣效率。本文討論的磷化除渣裝置主要由斜板沉淀池和FK-4L壓濾機構成。

2. 1 改造前磷化除渣系統(tǒng)的配備

改造前磷化除渣系統(tǒng)的配備如圖 1所示。該系統(tǒng)配備 3臺水泵，其中一臺為除渣機自有水泵，其關鍵裝置為斜板沉淀池和FK壓濾機。

(1) 斜板沉淀池。其外形為帶錐底的斜方槽，磷化濃液由除渣泵打入沉淀區(qū)。沉淀區(qū)內(nèi)水流較慢，便于磷化渣的重力沉降。在沉淀池上部磷化液流動方向設置一組斜板，對磷化液中的磷化渣顆粒起阻擋作用。經(jīng)斜板沉淀池處理后的磷化液，分為上層清液和底層磷化渣漿。前者通過沉淀池上部鋸齒形溢流堰均勻溢流，后者通過除渣機進行過濾。

(2) FK壓濾機。FK系列壓濾機為日本三進產(chǎn)品，該設備采用加壓過濾的方式分離出含液率較低的磷化渣，而分離出的清液可直接返回磷化槽。FK壓濾機的工作流程為：進濾紙─濾框封閉─過濾─脫水─濾框分離─出濾紙(排渣)。該系統(tǒng)工作時，需要供給0.2 MPa以上的壓縮空氣。

圖1 改造前磷化除渣系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of phosphating slag-removal system before reconstruction

需注意的是，由于磷化除渣機處理能力(4.0 m3/h)相對工藝槽容積(155 m3)而言很小，所以其處理對象必須是經(jīng)濃縮處理后含渣量較高的磷化液。

2. 2 系統(tǒng)運行中存在的問題

2. 2. 1 液位缺陷

受場地限制，圖 1中沉淀池②設計時，工作液位比磷化槽①低(?h = 1 m)，這個高度差在實際生產(chǎn)中產(chǎn)生了兩個問題：一是沉淀池清液無法自動溢流回磷化槽，即循環(huán)流程簡圖中的自動溢流1無法實現(xiàn)，故只能以自動溢流 2取代該過程，這樣該系統(tǒng)就比常規(guī)系統(tǒng)多配備了清水罐⑤和清水泵；二是磷化槽和沉淀池之間有連通效應。由于磷化槽液位相對高些，水泵異常停機時，磷化槽內(nèi)仍有槽液通過聯(lián)通效應流入沉淀池，最終導致沉淀池溢流，清水罐溢出。由于液體流動方向和正常工作時的方向一致，故不能用止回閥解決該問題。

2. 2. 2 液位傳感器頻繁失效

系統(tǒng)中存在兩個中間水罐，均設有液位傳感器控制其液位。但在實際使用中，液位傳感器頻繁出現(xiàn)數(shù)據(jù)異?；驌p壞故障，造成系統(tǒng)經(jīng)常停轉。

2. 2. 3 流量不匹配

系統(tǒng)中存在三臺水泵，分別為除渣泵、返回泵和FK壓濾機自帶的水泵。這3臺水泵都作用于清水罐，使清水罐的入口和出口流量很難達到精確匹配。故在實際生產(chǎn)中，清水罐液位常出現(xiàn)溢出或低位現(xiàn)象，需要操作人員進行高頻率的巡視與調(diào)整，系統(tǒng)的工作效率非常低。

2. 2. 4 出渣量小

按工藝標準，工藝槽含渣量應控制在300 mg/L以下。但在實際運行中，由于工藝槽含渣量偏高，而除渣系統(tǒng)除渣量偏小，導致磷化車身表面質(zhì)量不佳。

3 原因分析及解決辦法

3. 1 液位缺陷分析

液位缺陷的根本原因是沉淀池太低，這和現(xiàn)場工藝布置相關。在生產(chǎn)現(xiàn)場、沉淀池上部約500 mm處，布置有前處理懸鏈返回線，而沉淀池的周圍則布置了機械化輸送設備。所以就地抬高沉淀池或遷移沉淀池，都會產(chǎn)生設備干涉，糾正難度大，目前只能維持現(xiàn)狀。

3. 2 液位傳感器失效分析及解決方法

3. 2. 1 失效原因

液位傳感器失效的原因是傳感器選型不當。應選用耐溫、耐污、耐腐蝕的液位傳感器。

3. 2. 2 解決辦法

應以對溫度和溶液顆粒不敏感的傳感器替代原來的傳感器，同時把傳感器的安裝方式由底部水平安裝改為頂部垂直安裝，防止磷化顆粒污染傳感器?，F(xiàn)選用的昆侖JYB系列傳感器已使用一年半，運行正常。

3. 3 流量不匹配的原因分析和解決辦法

3. 3. 1 流量不匹配的原因

3. 3. 1. 1 濃縮罐流量問題

磷化除渣過程如圖2所示。其中，泵1為除渣主泵，泵2為除渣機自帶水泵，泵3為返回泵(清水泵)。

圖2 磷化除渣過程示意圖Figure 2 Schematic diagram of phosphating slag-removal course

對磷化槽而言，輸入和輸出必須相等，即泵 1和泵3的流量要匹配，Q1= Q3；對沉淀池而言，則有Q1= Q4+ Q5；對清水罐而言，有Q3= Q2+ Q5。由此推出：Q2= Q4。但是，Q2= Q4和實際情況是矛盾的，如圖2中的虛框部分，該部分為除渣機工作回路。因除渣機工作時含過濾和脫水兩個主要流程，在脫水流程，泵2必須關閉，所以泵2的工作方式是間歇式的。同樣，濃縮罐的補水方式也應當是間歇式的，否則濃縮罐可能溢出。另外，當除渣機過濾恰好發(fā)生補水動作時，若補水量Q4＜ Q2，則濃縮罐可能會被抽干。而Q4取較大值，有益于提高除渣效果，因沉淀池為錐形底，工作時底部會附著大量磷化渣，高流速能克服磷化渣對容器壁的吸附力，有效帶走磷化渣，提高出渣率。故實際運行中，Q4＞＞ Q2。

3. 3. 1. 2 清水罐容量問題

由于除渣系統(tǒng)間歇運行，導致清水罐的液位時常發(fā)生較大變化，清水罐的流量控制也很難做到精確匹配。圖2中磷化除渣過程可簡單地分解為2個過程：過程1是圖2中的實線部分，過程2是圖2中的虛線部分。整個過程可理解為：每隔時間間隔 t1，從沉淀池取出體積為V1的溶液放入濃縮罐，在t2的時間內(nèi)返回到清水罐，如此反復循環(huán)。所以在 t1時間內(nèi)，清水罐液位會下降(因有 V1體積的液體輸出系統(tǒng)，暫存于濃縮罐)，在t2時間內(nèi)，清水罐液位會上升。如果清水罐體積V2不夠大，液位緩沖能力不強，系統(tǒng)運行時，清水罐會有溢出或液位過低兩種異常狀態(tài)。理論上講，清水罐容量V2應滿足以下條件：

由于Q4＞＞ Q2，式(1)可簡寫為：

因 Q4× t1的物理意義就是把濃縮罐補滿，即：所以式(1)又可簡寫為：

考慮到管路殘液的影響、磷化液易起泡和液位信號處理的延時效應等因素，V2實際應取值為3V1。本文中，V1為1.2 m3，故V2的理想取值應為3.6 m3以上，但受場地限制，V2實際僅為1.5 m3，從而導致運行過程中清水罐經(jīng)常溢出或液位過低，系統(tǒng)運行經(jīng)常中斷。

3. 3. 2 解決辦法

由于硬件擴容的方案無法實施，只能從系統(tǒng)運行方面來解決該問題。經(jīng)多次嘗試，決定以清水罐的液位為主要控制點進行流量匹配。由于不開磷化除渣機時，清水罐液位只受泵1與泵3的影響，故可進行如下調(diào)整：

(1) 調(diào)整泵3流量略大于泵1，保證清水罐液面不會溢出。

(2) 系統(tǒng)運行時，泵1常開，泵3根據(jù)清水罐的液位進行自動啟動和停止。

但是，在開啟除渣機時，清水罐液位同時受泵1、泵2與泵3的影響。在工藝上，泵2為除渣機的水泵，受濾紙和渣膜的阻力影響，其流量不固定，故其動作是間歇的、非固定周期的。在進行流量調(diào)整時，為減少工作量，可先開啟泵1和泵3，對兩泵的絕對流量予以粗調(diào)，以決定系統(tǒng)的循環(huán)能力，然后開啟泵2，對泵1和泵3的流量差進行微調(diào)，以減弱泵2對清水罐液位的影響，防止泵 3頻繁啟動。如果經(jīng)濟條件允許，可對泵3實施變頻控制(通過清水罐的液位控制泵3的流量)，消除泵2帶來的影響，使液位永遠處于高、低液位之間。這種方法對清水罐的液位控制效果最為理想。

3. 4 出渣量過小

3. 4. 1 原因分析

對磷化槽溫度、總酸、游離酸、酸比等工藝參數(shù)進行檢測比較后認為，分析出渣量過小的原因應重點放在磷化槽的結構上。

改進前的磷化槽結構如圖3所示。槽底部可分為I、II兩段。其中，I段設有一對沉淀錐，II段為平坦平面。正常生產(chǎn)時，磷化槽液以一定的速度進行循環(huán)流動，流經(jīng)A錐斗時，槽液中的磷化顆粒隨環(huán)流進入錐斗A，因重力作用沉入錐底，無法再加入磷化液的大循環(huán)。

圖3 改進前磷化槽剖面圖Figure 3 Section chart of phosphating trough before reconstruction

在實際生產(chǎn)中，因循環(huán)攪拌，磷化液中的磷化顆粒是均勻分布的，故II段也可能沉積一些磷化顆粒，特別是每天生產(chǎn)結束后，溶液中的磷化顆粒因重力沉降作用而大量堆積在II段，形成磷化濃液。當正常生產(chǎn)時，這些堆積的磷化濃液又隨大循環(huán)進入磷化液，如此往復所造成的后果是：磷化液中顆粒含量越來越高，磷化車身表面質(zhì)量不斷惡化。

事實上，通過數(shù)次磷化槽倒槽，證實II段確實堆積有大量磷化渣，所以磷化槽出渣量太少的原因不是無渣，而是II段無沉淀錐收集磷化濃液。

3. 4. 2 解決辦法

鑒于上述分析，在原磷化槽的II段增設兩對沉淀錐，以收集磷化濃液，使?jié)庖菏占b置的數(shù)量變?yōu)樵瓉淼?倍，如圖4所示。這樣有效提高了磷化濃液的收集率。該裝置改造已有半年時間，目前出渣效果理想，磷化車身質(zhì)量穩(wěn)定。

圖4 改進后磷化槽剖面圖Figure 4 Section chart of phosphating trough after reconstruction

4 輔助措施

4. 1 增設氣吹裝置

磷化沉渣的吸附作用會造成管道堵塞，所以在所有錐斗下方設置氣吹裝置，以便異常時用壓縮空氣疏通管路。

4. 2 水吹裝置

同樣道理，可在磷化除渣主泵出口，引水至各錐斗底部，通過水流對磷化渣進行水吹，以提高出渣率。在生產(chǎn)線運行時，該方式須和各錐斗的排液電磁閥進行聯(lián)動，以防止磷化沉渣異常泛起。

4. 3 錐斗輪動排液機制

經(jīng)測定，磷化液靜置至含渣量低于300 mg/L的時間約為40 min，而要提高FK壓濾機的除渣效率，須為其提供高度濃縮的磷化渣漿，故每個錐斗必須有足夠的濃液靜置時間?，F(xiàn)采取以下輪動機制來實現(xiàn)：對磷化槽的6個沉淀錐，按5 min的節(jié)拍依次開啟其中一個錐斗，保證每個錐斗有25 min的靜置時間；對雙斗沉淀池，按30 min的節(jié)拍輪流開啟其中一個錐斗，保證30 min的靜置時間。事實證明，這種輪動機制使出渣效果非常理想。

4. 4 防止水錘效應

對磷化槽的 6個錐斗采用循環(huán)輪動和重疊開啟的方式，即切換錐斗閥門時，當后閥門完全開啟后，才關斷前一閥門，以保證管道中液體的連續(xù)性。而沉淀池的兩個錐斗為補水型，故防止關閉時發(fā)生水錘效應的關鍵是調(diào)節(jié)氣動閥的關閉速度。

4. 5 控制出渣頻率

FK壓濾機的出渣由時間和壓力雙重控制，滿足其中任一條件的閥值均可觸發(fā)出渣。合理調(diào)整這兩個參數(shù)，可提高除渣機的出渣頻率和除渣效率，有效節(jié)約濾紙。目前設定值為12 min/0.25 MPa。

4. 6 謹慎選擇濾紙

應選擇孔隙率大、過濾阻力小的濾紙，否則會導致出渣頻繁(渣量少)、渣餅含液率高和渣餅過薄等弊病，嚴重影響除渣機的工作效率。

4. 7 加強工藝管理

應嚴格按工藝要求控制磷化槽溫度、游離酸、總酸和促進劑濃度等各項工藝參數(shù)，保證磷化液系統(tǒng)平衡，減少不必要的磷化沉渣。特別要注意的是，向磷化槽添加藥劑時必須先稀釋，同時槽液必須處于循環(huán)狀態(tài)，以免局部槽液失衡而產(chǎn)生大量磷化渣。

5 結語

汽車涂裝生產(chǎn)線投入使用后，往往會發(fā)生一些設備能力和工藝不配套的情況。在當前經(jīng)濟形勢下，通過引入新設備或進行大的技改活動來改善設備工藝配套性時，往往會遭遇資金瓶頸。作為技術人員，應從實際情況出發(fā)，立足于現(xiàn)有的設備和工藝，積極尋求解決問題的方法，以最小的成本換取最大的收益，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

[1] 王錫春. 涂裝車間設計手冊[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2008: 32-33.

[2] 周謨銀. 金屬磷化技術[M]. 北京: 中國標準出版社, 1999: 145-146.

[ 編輯：韋鳳仙 ]

Reconstruction of phosphating slag-removal system in automobile coating line //

LIU Zhi-guang*, MAO Yueheng, YAN Hong-qing

According to some problems existing in phosphating slag-removal system in automobile bodywork coating line, such as liquid level defect, liquid level sensor failure, flow mismatch and a small outcome of slag, the old phosphating slag-removal system was reconstructed. The reform and adjustment methods were introduced, including selecting a liquid level sensor with resistance to heat, pollution and corrosion and adjusting its installation from bottom horizontal to top vertical; changing the pump operation mode for adjusting the flow rate of the clear water tank; increasing the amount of precipitation cones from 2 pairs to 6 pairs to improve the collection capability for concentrated phosphating bath, thereby enhancing the amount of slag, etc. The slagremoval effect of phosphating system after reconstruction is improved greatly and the system runs more steadily.

phosphating; automobile coating line; slag removal; reconstruction

Hunan Changfeng Motors Co., Ltd., Changsha 410100, China

TG178; X788

A

1004 – 227X (2010) 02 – 0063 – 04

2009–11–17

2009–12–11

劉志廣（1978–），男，湖南郴州人，工程師，主要從事汽車制造裝備和制造工藝的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) guangniao123@163.com。