型材環(huán)保自動(dòng)涂覆技術(shù)的研究開發(fā)

楊樹興

（山東柏瑞環(huán)?？萍加邢薰?，山東 濟(jì)南271127）

1 前 言

我國的冷彎型材多為裸鋼產(chǎn)品，該類產(chǎn)品裸露存放時(shí)其表面會(huì)迅速氧化產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕的同時(shí)降低了型材的機(jī)械性能，并且用戶在使用過程中需要增加對(duì)銹蝕型材的除銹工序，這樣以來，嚴(yán)重的大面積銹蝕也勢必會(huì)增加油漆用量，既不節(jié)能也不環(huán)保。另外，對(duì)于僅有的少量涂覆型材產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝依然停留在傳統(tǒng)的基于溶劑型油漆的先噴后烘的方法，其噴涂過程在職工健康、VOC排放、場地利用、油漆利用率、環(huán)保性等方面存在諸多缺陷［1-2］。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是建筑工程、車輛（鐵路、汽車等）制造、礦井建設(shè)、橋梁建設(shè)、電力建設(shè)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，涂覆型材的市場需求量呈現(xiàn)日趨增長的趨勢。山東柏瑞環(huán)?？萍加邢薰净趯?duì)國內(nèi)外型材噴涂技術(shù)和涂覆產(chǎn)品的市場需求以及相關(guān)環(huán)保法規(guī)充分解讀的基礎(chǔ)上，以提升型材檔次，解決冷彎型材存放、運(yùn)輸、使用過程中除銹、涂覆、干燥，廠房建設(shè)等不利因素和嚴(yán)重的環(huán)保問題等項(xiàng)目為目標(biāo)，決定結(jié)合國際先進(jìn)技術(shù)，研發(fā)適合國內(nèi)、國際市場的“短流程、環(huán)保節(jié)能型鋼自動(dòng)涂覆工藝裝備”及涂覆產(chǎn)品。自動(dòng)熱涂工藝及技術(shù)，以突出節(jié)能、環(huán)保、綠色為理念，以節(jié)能環(huán)保的新工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)涂裝工藝，可大幅度降低由于鋼材腐蝕所造成的浪費(fèi)和對(duì)已銹蝕鋼材處理所造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)鋼材涂覆過程的源頭環(huán)保、過程環(huán)保、產(chǎn)品環(huán)保。

2 型材自動(dòng)涂覆生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

在對(duì)型材涂覆技術(shù)充分研究的基礎(chǔ)上，對(duì)公司型材自動(dòng)涂覆生產(chǎn)線的預(yù)熱、噴漆、回收、攪拌、控制等各個(gè)工序環(huán)節(jié)做了詳細(xì)的數(shù)據(jù)計(jì)算和仿真模擬分析，同時(shí)結(jié)合水性漆的特點(diǎn)，研發(fā)出中頻預(yù)熱+無氣真空噴漆+密閉的帶有端部屏幕板的噴漆室+油漆回收再利用系統(tǒng)的先熱后噴的型材閃干噴涂工藝。

項(xiàng)目在借鑒國外豐富經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在短流程型材涂覆生產(chǎn)線工藝和裝備設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮環(huán)保性、高效率和低成本3個(gè)因素。1）自動(dòng)涂覆生產(chǎn)線應(yīng)具有極高的涂裝效率，涂覆效率高達(dá)300～1 200 m2/h。2）自動(dòng)涂覆生產(chǎn)線應(yīng)具有極佳的表面質(zhì)量，涂覆涂層保證平整、光滑、致密、無刷痕、滾痕和顆粒。3）自動(dòng)涂覆生產(chǎn)線可延長涂層使用壽命。型材自動(dòng)涂覆技術(shù)生產(chǎn)技術(shù)使漆膜與基材形成合理的固化咬合，增強(qiáng)涂料附著力進(jìn)而延長使用壽命。4）型材自動(dòng)涂覆應(yīng)能輕而易舉地攻克拐角、空隙和凹凸不平的難刷部位。5）自動(dòng)涂覆生產(chǎn)線應(yīng)節(jié)省涂料和保證凈化效果，保證涂覆涂層均勻，涂覆速度快、效率高，基本上無油漆氣體。6）型材自動(dòng)涂覆技術(shù)生產(chǎn)線應(yīng)保證其節(jié)能環(huán)保性能。

2.1 油漆涂料的選擇

傳統(tǒng)溶劑涂料由于產(chǎn)生大量VOC 揮發(fā)性有機(jī)化合物和重金屬，給實(shí)際的噴涂作業(yè)帶來較重污染。而水性涂料以水為稀釋劑，不含苯類、醛類、有毒重金屬等對(duì)人體和環(huán)境有危害的成分，無毒和刺激氣味，不污染環(huán)境，對(duì)人體無害，并且漆膜豐滿透亮、柔韌性好，具有耐磨、耐水、耐黃變、耐老化、使用方便等特點(diǎn)，較傳統(tǒng)溶劑涂料具有明顯的環(huán)保優(yōu)勢。

在采用水性涂料的情況下在相關(guān)的工藝和設(shè)備設(shè)計(jì)方面，應(yīng)考慮如何解決在保證最大的油漆利用率前提下，實(shí)現(xiàn)基材表面涂層的快速干燥，同時(shí)又不影響漆膜表面質(zhì)量的問題。

水作為水性涂料的主要溶劑，與傳統(tǒng)溶劑型涂料中的一些常用溶劑的特性有較大不同，特性對(duì)比如表1 所示。傳統(tǒng)的溶劑型涂料則通過控制稀釋劑的揮發(fā)速率以實(shí)現(xiàn)調(diào)整施工固體含量的目的；而在水性涂料中，主要溶劑水的揮發(fā)多通過噴漆室的溫濕度進(jìn)行控制。同時(shí)，與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比，水性涂料中的施工固體含量較低，通常在20%左右，因此水性漆具有較好的平滑性。在實(shí)際涂覆生產(chǎn)過程中，匯總水性涂料流變性的控制技術(shù)是涂覆工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

表1 水與常用溶劑主要特性對(duì)比［3］

如何解決在油漆最大利用率前提下實(shí)現(xiàn)快速干燥而又不影響漆膜表面質(zhì)量，是本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵。初期工藝確定和產(chǎn)品定位是首先確保必須解決型鋼噴涂后的干燥問題和三廢排放問題，為此，結(jié)合國內(nèi)其他行業(yè)和國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)最終確定采用水性底漆為噴涂油漆，研究了型鋼水性底漆閃干噴涂方法。

2.2 工藝流程

根據(jù)水性涂料的特性，確定了工藝流程：分層上料裝置→鏈?zhǔn)缴狭陷斔蜋C(jī)→可調(diào)槽口式上料裝置→輸入輥道→清洗裝置→氣力吹掃裝置→中頻加熱裝置→噴漆室（回收、過濾）→托輥鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)→叉式回轉(zhuǎn)下料裝置→鏈?zhǔn)礁稍镙斔蜋C(jī)→翻管機(jī)→氣動(dòng)齊頭裝置→打包臺(tái)→鏈?zhǔn)捷敵鰴C(jī)→檢查入庫。

2.3 關(guān)鍵工藝及設(shè)備

2.3.1 基于水性涂料的涂覆預(yù)處理工藝

不同斷面的冷彎型材在噴涂前均需進(jìn)行其表面各類污物的清除，整平及化學(xué)轉(zhuǎn)化膜覆蓋等準(zhǔn)備工作，統(tǒng)稱噴涂前表面預(yù)處理，是涂覆技術(shù)的重要組成部分。在整個(gè)預(yù)處理工藝過程中，需要合理正確選用清洗劑、表面調(diào)整劑、磷化劑等多種精細(xì)化工產(chǎn)品，如果選用不當(dāng)或在使用過程中不能較好管理和控制，就會(huì)對(duì)涂層質(zhì)量不利。緣于水性涂料以水為稀釋劑，其表面張力比一般有機(jī)溶劑要大，因此該類涂料較難浸潤基材，且容易產(chǎn)生縮孔。鑒于此，需要在水性涂料的生產(chǎn)配方中適量添加合適的表面活性劑以達(dá)到降低其表面張力，提高其浸潤性能的目的；同時(shí)，冷彎型材表面清理平整期間應(yīng)提高其表面質(zhì)量要求。

短流程、環(huán)保節(jié)能型鋼閃干自動(dòng)涂覆技術(shù)先期是基于冷彎型鋼的自動(dòng)涂覆，所以并未考慮拋丸噴砂等針對(duì)熱軋型鋼除銹的預(yù)處理工藝，目前采用的預(yù)處理方式為中壓中溫清洗水+氣力除掃除磷方式，該裝置安裝在中頻工序之前。先用高壓水清洗待噴涂基材表面，再用空氣去除水分。主要配置：夾送輥4 組，側(cè)導(dǎo)輥1 組，高壓泵與噴嘴1 組，氣刀（壓縮空氣）2組，水箱及加熱1組。

2.3.2 基于水性涂料的涂覆工藝

采用水性涂料噴涂時(shí)所用的空氣噴槍與溶劑型涂料相同，但對(duì)噴涂環(huán)境條件的要求與傳統(tǒng)溶劑型涂料相比存在一定的差別。水性涂料中的水分在噴涂時(shí)將會(huì)變成水蒸汽，其體積將膨脹一千多倍，噴漆室內(nèi)的濕度將瞬間升高，當(dāng)濕度達(dá)到一定數(shù)值后，噴涂在冷彎型鋼上的涂膜就會(huì)流淌下來。因此對(duì)水性涂料進(jìn)行噴涂時(shí)需要嚴(yán)格控制噴漆室的濕度，同時(shí)需要將室內(nèi)的溫度控制在不產(chǎn)生流掛的范圍之內(nèi)，噴漆室內(nèi)的送風(fēng)裝置必須有科學(xué)的調(diào)濕調(diào)溫作用。

經(jīng)過預(yù)處理表面符合噴涂要求的型材，進(jìn)入中頻加熱裝置被加熱到100 ℃以下的某個(gè)溫度區(qū)間，然后進(jìn)入噴漆室進(jìn)行表面涂覆，適當(dāng)控制輸送速度、噴涂溫度、漆膜厚度，閃干時(shí)間需要精確控制。如果閃干時(shí)間較長，則型材表面漆膜表面過干，涂層易產(chǎn)生橘皮等缺陷；閃干時(shí)間較短，則涂層內(nèi)的水分和溶劑不能及時(shí)揮發(fā)出來，從而導(dǎo)致涂層經(jīng)高溫烘烤后出現(xiàn)針孔、痱子等缺陷。涂覆后的產(chǎn)品經(jīng)干燥區(qū)降溫干燥，以確保水分控制在合理的范圍內(nèi)（一般控制在10%以內(nèi)），然后精心自動(dòng)堆垛、打包。水性漆噴涂底漆工藝曲線如圖1所示。

圖1 水性漆噴涂底漆工藝曲線

閃干核心工藝設(shè)備主要包括鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、中頻加熱裝置、噴漆室及自動(dòng)無氣噴涂裝置、托輥鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)、鏈?zhǔn)礁稍镙斔蜋C(jī)等設(shè)備。

為保證設(shè)計(jì)規(guī)格的溫度需求，中頻加熱裝置功率選擇按照以下計(jì)算步驟確定。已知參數(shù)：需加熱的產(chǎn)品是尺寸為100 mm×100 mm×3 mm 的矩形管，單位重量8.96 kg/m，材質(zhì)為Q235A，輸送速度為40 m/min，溫度由20 ℃加熱至90 ℃，加熱爐爐膛長度1.34 m。

由以上條件可知單位長度加熱時(shí)間t=2.01 s，爐膛長度工件重量12 kg。功率計(jì)算公式為：

式中：C為材質(zhì)比熱，0.168 kJ/（kg·℃）；G為工件重量，kg；T為加熱溫度，℃；t為時(shí)間，s；η為加熱效率，0.6。

計(jì)算得出功率為487 kW，推出中頻加熱裝置的功率選擇為600 kW。

2.3.3 基于水性涂料的環(huán)保工藝

短流程、環(huán)保節(jié)能型鋼閃干自動(dòng)涂覆技術(shù)，嚴(yán)格按照國家涂裝行業(yè)節(jié)能環(huán)保規(guī)范要求配置本項(xiàng)目工藝和裝備，有針對(duì)性的研制了除塵、除味的水幕過濾集塵室+A/C活性炭塔結(jié)合的環(huán)保除塵系統(tǒng)。

使用水性涂料后，環(huán)保法規(guī)中（VOC）廢氣排放要求三廢處理無復(fù)雜設(shè)備，主要是解決閃干工藝中為控制噴漆室溫度濕度增加通風(fēng)設(shè)備而產(chǎn)生的含有水性漆顆粒外排廢氣問題，以及COD 達(dá)到排放要求后進(jìn)行排放。

2.4 其他輔助工序的設(shè)計(jì)

2.4.1 項(xiàng)目的清洗干燥裝置

針對(duì)國內(nèi)冷彎型材多為黑鋼的特點(diǎn)，通過比較NPP 工藝設(shè)備，本項(xiàng)目采用了中壓水清洗+中壓氣力干燥的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了帶輔助加熱功能的清洗干燥室。為了防止冷彎型材發(fā)生銹蝕，需要在型材表面覆以涂層，并且在涂覆之前，需要對(duì)型材表面進(jìn)行處理以提高所覆涂層的附著力，因此用于型材涂層成形裝置的清洗裝置是一種重要的噴涂工藝設(shè)備。然而目前國內(nèi)型材表面涂覆處理均在施工、制造現(xiàn)場直接進(jìn)行，一直以來沒有一種用于管材涂層成形裝置的清洗裝置。鑒于此，公司自主研發(fā)試制了該型材清洗裝置，實(shí)現(xiàn)了冷彎型材的清洗自動(dòng)化，提高了管材的涂層噴涂效率。裝置包含有用于驅(qū)動(dòng)管材移動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)輥、與酸性清洗液體連通的噴淋嘴、與熱氣流連通的噴氣嘴、殼體中分離塊，管材依次通過噴淋嘴的酸性清洗液清洗和噴氣嘴的熱氣流烘干。圖2為該裝置的示意圖，冷彎型材通過轉(zhuǎn)動(dòng)輥?zhàn)饔眠M(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在噴淋嘴和噴氣嘴作用下進(jìn)行清洗和烘干，不再由人工對(duì)管材進(jìn)行人工清洗，提高了管材的涂層噴涂效率，實(shí)現(xiàn)了管材的清洗自動(dòng)化。

2.4.2 上下料裝置

根據(jù)本項(xiàng)目滿足多規(guī)格、多品種、全尺寸自動(dòng)噴涂的要求，通過建立結(jié)構(gòu)分析模型并結(jié)合理論計(jì)算，確立了能夠根據(jù)不同規(guī)格和尺寸自動(dòng)調(diào)整對(duì)中關(guān)系，精確高效的可調(diào)槽口式上料裝置和叉式回轉(zhuǎn)下料裝置。

2.4.3 成品輸送裝置的設(shè)計(jì)

經(jīng)噴漆后的成品如何在不損傷漆面的情況下被輸送至干燥機(jī)，成為本項(xiàng)目難點(diǎn)之一。本項(xiàng)目通過比較NPP 生產(chǎn)工藝，通過模擬模型分析，確定采用成品與托輥無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的鏈?zhǔn)酵休佭\(yùn)輸裝置。

圖2 型材清洗裝置示意圖

2.4.4 自動(dòng)下料堆垛裝置的設(shè)計(jì)

通過分析國內(nèi)型材打包堆垛的特點(diǎn)，結(jié)合機(jī)械技術(shù)研究和力學(xué)分析結(jié)果，通過動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型模擬動(dòng)作，最終成功研制了能滿足多外形、全尺寸、全自動(dòng)下料堆垛裝置。

2.4.5 樣機(jī)性能測試

對(duì)所研制的樣機(jī)進(jìn)行測試，包括機(jī)械性能測試、全尺寸多規(guī)格自動(dòng)噴涂測試、環(huán)保除塵系統(tǒng)測試、傳動(dòng)效率測試、自動(dòng)噴涂產(chǎn)品測試等，確定樣機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.5 型材涂覆設(shè)備布置

通過上述設(shè)計(jì)，柏瑞環(huán)保公司根據(jù)型材自動(dòng)涂覆技術(shù)所涉及的前后工序繪制了冷彎型材涂覆產(chǎn)線設(shè)備布置示意圖，如圖3所示。

圖3 型鋼自動(dòng)涂覆生產(chǎn)線設(shè)備布置

3 型鋼自動(dòng)涂覆技術(shù)特點(diǎn)

3.1 與國內(nèi)傳統(tǒng)涂覆技術(shù)先進(jìn)性對(duì)比

短流程環(huán)保節(jié)能型材閃干自動(dòng)涂覆技術(shù)的技術(shù)先進(jìn)性主要體現(xiàn)在：

1）全自動(dòng)、短流程、無人值守、綠色環(huán)保的閃干涂覆工藝。項(xiàng)目研制以安全、環(huán)保、工藝簡潔的先進(jìn)設(shè)備為基礎(chǔ)，通過先進(jìn)的自動(dòng)化控制理念，以先進(jìn)的工藝技術(shù)手段，對(duì)各種規(guī)格的型材產(chǎn)品、半成品等基材進(jìn)行防銹、防腐、耐磨、減摩、耐高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導(dǎo)電等，無需人工輔助。2）能滿足多規(guī)格、多品種、全尺寸自動(dòng)涂覆要求的精確高效的可調(diào)槽口式上料裝置。項(xiàng)目自動(dòng)涂覆的基材包括圓管、方矩管、C 型材、槽鋼、角鋼、H 型材以及各種異形型材，規(guī)格范圍包括25～200 mm方矩管、25～114 mm 圓管、75～200C 型材等?？烧{(diào)槽口式上料裝置能夠根據(jù)不同品種、不同規(guī)格通過自動(dòng)調(diào)整槽口寬度實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)上料。3）帶有端部屏幕板的噴漆室和油漆回收再利用系統(tǒng)的無氣真空噴漆系統(tǒng)，圍繞安全、環(huán)保、工藝簡潔、連續(xù)、自動(dòng)涂覆等領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)技術(shù)進(jìn)行集成。結(jié)合國外先進(jìn)技術(shù)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，研究集成了無氣真空自動(dòng)噴漆系統(tǒng)。4）全自動(dòng)下料堆垛打包裝置。根據(jù)各規(guī)格型材的打包要求，研制了全規(guī)格的全自動(dòng)下料堆垛打包裝置，真正實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)高效機(jī)械堆垛打包，可延伸應(yīng)用于型材的下料打包系統(tǒng)。5）先進(jìn)的環(huán)保除塵系統(tǒng)。本項(xiàng)目研制繼承了除塵、除味的水幕過濾集塵室+A/C活性炭塔結(jié)合環(huán)保除塵系統(tǒng)。6）能夠完全替代人工涂覆的自動(dòng)涂覆產(chǎn)品。本項(xiàng)目參照國內(nèi)人工涂覆產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合自動(dòng)涂覆工藝的特點(diǎn)，通過自動(dòng)、高效、環(huán)保的方式的能夠生產(chǎn)出完全替代人工涂覆的替代品。

3.2 主要技術(shù)指標(biāo)

通過對(duì)短流程、環(huán)保節(jié)能型鋼自動(dòng)涂覆工藝裝備的研制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種規(guī)格的型材產(chǎn)品、半成品等基材進(jìn)行全自動(dòng)涂覆，廢氣排放、廢氣綜合回收大氣污染等環(huán)保節(jié)能指標(biāo)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)。與傳統(tǒng)涂覆工藝相比，VOC 排放比減少85%，涂覆工藝時(shí)間提高50 倍，油漆利用率提高1.3 倍，涂覆綜合成本降低50%，油漆利用率96%，漆膜硬度HB級(jí)。

應(yīng)用本技術(shù)涂覆的型材產(chǎn)品采用丙烯酸變性醇酸樹脂（水溶性防銹涂料）涂覆，自動(dòng)涂覆產(chǎn)品性能達(dá)到涂膜厚度18 mm±3 um、附著性采用劃格法≥2 級(jí)、附著性拉拔法≥3 MPa、耐水性40 ℃恒水溫含浸（48 h）良好、耐鹽霧試驗(yàn)中性鹽霧（≥48 h）無起泡、脫色或剝落。

4 結(jié) 語

山東柏瑞環(huán)?？萍加邢薰咀灾餮邪l(fā)的自動(dòng)涂覆裝備和涂覆型材產(chǎn)品，涂層型材產(chǎn)品涂層均勻，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品，具備低成本、高質(zhì)量和綠色環(huán)保的特點(diǎn)，符合國家淘汰高污染產(chǎn)能，大力提倡綠色產(chǎn)業(yè)的要求。