谈阴极电泳设备总体设计

朱孝鹰

（上海市机电设计研究院有限公司涂装工程院，上海 200000）

前言

有关汽车涂装阴极电泳生产设备及控制的资料文章比较多，用户、油漆供应商、及其它有关部门都有一些有价值的数据、设想和概念。作为一名优秀的电泳设备设计者必须要充分考虑到以上这些内容和与电泳操作关系密切的问题，通过这次南京依维柯新建油漆车间启动生产以后，本人整理出以下一些有关在设计上必须需要考虑的问题。其实这些建议都是来自我们现场服务及电泳涂装系统的故障排除过程中所积累的经验。我认为这些要求是必要的，并能令电泳漆在电泳系统中发挥最高的性能。如要获得最高的涂层质量和最称心的系统操作，那么这些是需要的。

何谓电泳涂装是类似于电镀原理，将具有导电性的被涂工件作为一个电极，并与一相反电极同时浸入水性涂料溶液中，在直流电场的作用下，使高分子树脂粒子泳动到被涂工件的表面上，形成均匀涂膜的一种浸渍式涂装法。

在整个过程中伴随着电解（ELECTROLYSIS）、电泳（ELE CTROPHORESIS）、电渗（ELECTROOSMOSIS）、电沉积（ELECT RODEPOSITION）等物理和化学作用。若涂料粒子带负电荷，被涂物作为阳极的场合称为阳极电泳涂装（AED）；若涂料粒子带正电荷，被涂物作为阴极的场合称为阴极电泳涂装（CED），漆膜的电沉积过程同时包含有电泳，电解，电沉积，电渗等过程。

对于电泳设备设计人员来说，他们不一定要懂得这些详细原理，我们在此只是把在电泳槽中所发生的化学反应以及工艺原理进行解释。

其反应机理见下图所示：

图1

1 电泳设备的总体设计

1.1 空中机运的滴漏盘

机运的滴漏盘设计要连续贯通于前处理和电泳生产线，磷化工位以后的滴漏盘设计、安装要求较高（特别在电泳槽上方），使润滑油、磨损铁屑、灰尘等不会滴落在车身上。为使效果最佳，滴漏盘设计要尽可能宽，不致使脏物积聚并滴落到电泳槽中，在喷淋段内滴漏盘设计要保护整个机运链条免受冲洗。南京依维柯的前处理电泳输送链的滴漏盘由于前期设计考虑不周，滴漏盘宽度受到限制，虽然进行了一次整改，宽度尺寸增加了不多，造成了在电泳槽上方先天不足，电泳通电装置在工作时如发生接触不良，冒火花和磨损铜屑很容易滴落到车身上或电泳槽中。

1.2 吊具设计

前处理电泳吊具要设计成车身上方尽可能少有吊具的部件。吊具的任何部份，在生产过程中如处在车身上方，很容易使从前处理线上带来的污染物和水滴到吊具的顶部，从而造成污染电泳槽的可能性。

我认为选择吊具合理的形式是非常重要的，目前许多汽车厂基本选择“C”型吊具和摇杆型吊具“U”型，效果明显。这种设计使用，能使车身顶部的电泳均匀，节省油漆等优点。吊具材料形式的选择我认为管型最佳，它不容易带出涂料。设计还必须考虑车身沥液效果。我们南京依维柯的吊具设计有它的优点与不足，优点是车身的锁定性、吊具刚性较好，车身在槽内不容易脱落；缺点是吊具与撬体连接部件较多，容易带液到下一个工位污染槽液；车身内辅助阳极装置的接电装置通电效果不稳定，会产生瞬间电流过大。

1.3 前处理设备

有效的前处理清洗设备应具有除掉车身上矿物油、润滑油及冲压拉延油作用，必须要设置大流量喷洗工位对车身内部（车底板亦是清洗操作的重点部位之一）进行清洗等措施，和车身表面喷淋和浸渍形式结合起来，通过化学药剂进行良好的预清洗来提高磷化作业效果。充分的清洗可减少带入电泳槽和电泳漆膜烘干后油污而引起缩孔。

预清洗同时清除金属屑及焊渣，它们却是磷化和电泳槽内的秽物来源。我们知道金属屑也会引起电泳底漆、中涂和面漆的“星形颗粒”，车底板是预清洗操作的重点部位之一。为了除去金属屑、焊渣等秽物，所以要在预清洗所有工序中要加机械过滤和磁棒。

前处理选用过滤袋类型：

表1

前处理过滤器在计算各个工位过滤面积必须要注意，特别是在预脱脂、脱脂、脱脂后喷洗、磷化工位过滤面积要适当加大（计算流量的2～2.5倍以上），因为在车身车间过来的白车身比较脏（有防锈油、灰尘、金属屑及焊渣等），否则每天换过滤袋也达不到压差要求（0.6bar以下）。只在南京依维柯前处理线上表现的有为明显，更换过滤袋较为频繁。

1.4 电泳槽

电泳槽要设计成使油漆沿单一循环路线连续运动，液面运动方向与车身运行方面相同（见图），实际经验证明，这样的设计能得到最干净的电泳车身。平稳的液面流动（在电泳槽入口端）是靠设计平滑的圆弧面作为“弧形导流板”来实现。在车身入口端斜坡上装上一排文氏喷嘴以引导漆液通过平滑的弧形导流板流离入口端，漆液虽改变流向，亦有助于防止颜料沉淀，现在这种设计形式在进口线上已被普遍采用（见图）。另外槽体二端同时抽出进入过滤装置的双向流动系统也被证明是成功的。

图2

槽体底部需要布置文氏喷嘴与竖式带喷头侧管相结合，可提供有效的槽液搅拌，必要时为加强循环，可在出口段加引流管。槽底喷射管要设在离槽底约7～8 cm处，这样可使漆液沿槽底自由流动。在设计电泳槽结构时要避免有死角，如有搅拌不到位的区域都会引起颜料沉淀（见图）。

槽底设计时必须考虑有一定的坡度，只有这样才能使电泳主槽和副槽的液体均可以完全排放。

设计时应考虑表面漆液运动速度大于槽中车身运动速度（5～10 m/min）；车身采取入槽通电方式，来确定机运的阴极铜排起始点位置。

建议在电泳槽的出口端设可调的堰板以维持槽的液位并使槽液表面流动时会将泡沫和杂质污物从电泳槽带入副槽内，漆液到副槽的落差应保持在150mm以内来防止起泡。建议在副槽底加文氏喷嘴以保持搅拌。副槽的容积应是主槽容积的1/10为设计依据。

电泳槽要装有高液位报警器（超声波液位器），以保证系统安全，不发生事故。输送链的接油盘必须在适当的高度上，以防止在高液位情况下被淹没，污染槽液。

1.5 电泳槽环氧衬里

电泳槽通常使用碳钢型钢和钢板制作而成，电泳槽作为工件电解反应的容器，防止它漏电，必须做好绝缘处理。所以我们首先对电泳槽表面钢板进行喷砂处理或打磨处理露出白色金属表面，在涂衬里之前表面钢板应无锈。然后涂一层环氧树脂加一层玻璃纤维布再一层环氧树脂、一层玻璃纤维布，重复这样施工，最后形成环氧玻璃钢厚度需要达到 6mm衬里。

电泳槽环氧玻璃钢衬里固化后，还需要在20,000伏直流电压下进行火花试验，来保证完全电绝缘，并出具专业公司的测试报告，由三方确认才能同意电泳漆进行投槽。

三方是业主、电泳油漆供应商、设备总包方。

还有在电泳槽槽内的循环管路、文氏喷嘴、管件材料必须采用非金属，要耐酸材料，通常我们采用的是“ABS”或“UPVC”材料。

1.6 电泳循环和过滤

槽液循环系统有三个重要的功能：

1）保持电泳涂料均匀混合，防止颜料在槽中或在被涂车身在水平面上沉淀。

2）由水泵带动下进行油漆 100%的过滤以除去颗粒杂质及残油。

3）经过热交换器冷却电泳槽液，以除去有涂装电功(电解反应产生的热量)及水泵运行等的机械功所产生的热量，保持电泳油漆恒温。

电泳槽总设计循环量要有4～6次/小时的通过过滤器的循环次数，来确定水泵的流量和扬程（电泳循环泵和电泳冷却循环泵的流量）。

应防止电泳颜料沉淀所进行的 24小时维持槽液循环是很重要，为此系统设计必须考虑有一个备用电源（发电机组），这些最低限度的预防措施能防止在长时间停电期间漆液变质或损坏超滤元件。

建议设计电泳管路时充分考虑管道内流速（2.5～4 m/s），在这种情况下可防止在管路中阀门附近局部流速增加过大，导致阀附近的管路过早地磨损和腐蚀。

1）水泵选型

在电泳系统中，一般使用卧式或立式离心泵，泵的选用取决于项目的经济条件、设计的限制或设计者的偏好，分体式卧式泵已成功地用于阴极电泳系统，然而初期投资较高，必须保持双机械密封及需要一超滤液作为密封液来完整，可能使它们使用受到限制（场地、费用等），优点是水泵的寿命一般较长，一些不利的条件可以得到补偿。

卧式泵必须配有可靠的阀将泵与系统分隔，泵还要装有低位排净口和供冲洗用的去离子水接管口，我们发现备用泵接在管路中是污染源，并且很难保持清洁，因此我不推荐将备用泵安装在电泳系统中。然而要注意的是水泵出口法兰处建议安装软性连接件以减少管道振动及增加泵机械密封的寿命。

2）阀的选型

在电泳系统中，隔膜阀、蝶阀、球阀及截止阀都有使用，其结构、材料及布置对延长阀门使用寿命至关重要。

要注意的是以上所有阀片和轴必须采用 316不锈钢材料，如阀座铸铁、铸钢材料那必须内部衬胶。衬胶材料为丁基橡胶、聚四烯、丁晴橡胶、天然橡胶等，但氯丁橡胶、丁苯橡胶不能使用，法兰垫圈材料选型同上。

铜、黄铜、铝或镀锌组件不能用于电泳系统，这些金属材料与阴极电泳漆接触很快起化学反应，将导致组件损坏并污染槽液。

在管路中，阀门要尽可能靠近“T”型结构安装，以使阀面得到冲刷（见图）。在“死区”搅拌不到的漆会沉积，导致沉淀，引起杂质堆积和阀门堵塞，为防止这种问题的发生，在“A”安装一高压冲洗口可能是必须的。

图3

3）压力表的选型

在管路中与电泳漆直接接触的必须选隔膜式压力表，可以避免油漆直接进入表内沉淀和堵塞，影响压力表正常工作。压力表与隔膜之间必须以甘油为填充物（千万不能采用以硅油作为填充物）。

压力表安置在合适的位置对减少其堵塞是极为重要的。只有将其安装在系统水平管线的上端（见左图），如在垂直管线上安装压力表，必须在压力表下端管子接上45度斜管（见右图），而且在系统管线与压力表之间要安装一个球阀，不能水平或环型连管，不然会引起沉淀和堵塞。

图4

4）电泳过滤器的选型

为了除去电泳漆中颗粒杂物，所有循环的漆液要百分之百地通过最大10～25μm的滤袋；过滤材料必须用合成的不溶于水的材料制成，如聚丙烯或丙烯酸系纤维；过滤器壳体采用316或304不锈钢材料制成，在过滤器盖子上必须设置压缩空气端口、放气端口，作用是便于更换过滤袋，尽可能少浪费槽液。

在桶体上必须设置进液压力表端口和出液压力表端口，作用是便于随时可以观察过滤袋二边的压差，及时更换过滤袋；在桶体底部需要设置一个排放端口，清洁时能排尽余液。

电泳选用过滤袋类型：

表2

电泳及后处理过滤器在计算流量时，各个工位过滤面积要适当加大（是计算流量的1.5～2倍之间），特别在电泳工位应选择熔吹聚丙烯具有吸油功能的过滤材料，因为在空中机运设备在运行时难免有润滑油滴落到车身上而进入电泳槽中，引起电泳漆膜产生缩孔等缺陷。

1.7 电泳槽液冷却系统

对于薄膜阴极电泳来说，冷却装置必须具有在满负荷生产情况下保持漆液在27℃～29℃的能力，温度与给定温度的偏差不能大于1℃，厚膜电泳漆一般的操作温度是29～35℃。对标准的阴极电泳漆来说，冷却装置要具有在满负荷生产情况下保持漆液在15℃的能力，同样温度与给定温度的偏差不能大于1℃，标准电泳漆一般的操作温度是27～28℃。

冷冻机组的冷量和热交换器的面积要以其在350V电压、最高的预计的电流强度下工作来计算设计，计算后冷却系统的冷量要有20%以上余量。也要考虑接上自来水以便冷冻机组发生故障时应急使用。

热交换器的槽液的压力要保持超过冷冻水的压力以防止热交换器渗漏使槽液污染，热交换器板片是电解抛光后的304材料。天冷时，可以停止使用冷冻机组单独启用循环水系统，防止冷冻机组内部结冰。

1.8 阳极系统

建议阴极与阳极比不大于 4∶1，设计电泳槽水平长度时要满足车身在槽内运行全浸没时间在2.5～3分钟。阳极管应沿槽壁布置，设计阳极管高度不小于全浸段垂直槽深度的百分之五十，阳极布置要从槽的出口段向前排。

如连续式生产的电泳槽，阳极一般不放在与车身进口邻近的地方，阳极布置从电泳槽进口端到第一根阳极典型距离为1/2～1个车身长度。

车身电泳一般需要分二段或二段以上升压区，如分二段电压升压，高压区与低压区之比为3∶1（电泳槽的水平长度）。高、低压压差在50～75伏，高压区与低压区要留有1～1.5米距离，防止高压区电流回流，影响电泳质量；高、低压压差大于100伏，高压区与低压区要留有2米以上距离；而且在电气部分要增加二极管保护。

图5

在现场需要安装阳极管流量与电流观察面板，在生产时可以随时观察阳极系统工作是否正常，做到一目了然。

阳极液系统管路必须用不锈钢或ABS塑料制成，要能耐pH 2.0-5.2 有机酸溶液，每根阳极管要配置一个流量计来监视极液流量，则在每个极罩上装一个不锈钢连接器以将极液槽接地（防止接触阳极时有电击）。

阳极系统要能控制阳极液电导率在设定点的±100us/cm内。控制器及仪器量程应为0-10,000us/cm（见图12）。阳极液槽及电泳槽用“无极型”电导率传感器时工作性能好。

在新槽投料之前，所有极罩都要做渗漏试验，在投槽时，极罩中必须有去离子水，以防隔膜破裂。极罩渗漏或损坏时应立即更换。

阳极系统要能控制阳极液电导率在设定点的±100us/cm内。控制器及仪器量程应为 0～10000us/cm。阳极液槽及电泳槽用“无极型”电导率传感器时工作性能好。在新槽投料之前，所有极罩都要做渗漏试验，在投槽时，极罩中必须有去离子水，以防隔膜破裂。极罩渗漏或损坏时应立即更换。

1.9 整流电源

电泳的整流电源应能使电压在0～400伏之间可调，实践证明厚膜电泳漆电流消耗大约为0.22安培*小时/平方米，系统设计要考虑百分之五十的电流余量以供调试和扩容，可用以下计算公式选型：

所需安培数＝1.5*（0.22安培*小时/平方米）*（车身面积/分钟）*（60分钟/小时）。设计要考虑配有专用及独立启动的备用整流电源或双控式整流电源，以确保即使整流器发生故障时生产也能连续继续进行生产且电泳膜不受影响，建议采用限流整流电源以保护设备。

另外电气设计时还要考虑低压区以 10～20秒升压时间为好，从零伏升到工作电压，高压区是恒定工作电压；整流器“供电平稳度”或输出脉动率很重要，直流电要经滤波，电压脉冲波动幅度不能超过平均直流电压的百分之五，满负荷情况下电压脉动率要小于百分之五。

如车身带接地电压入槽是提供了最大的人生安全性，使开关系统更简化，且能得到对车身下部最长的电泳时间，同时也能减少电弧花和烧坏汇流铜排。

1）整流电压与漆膜厚度的关系：例举电泳漆PPG（G1083）

表3

2）入槽供电方式的选择

在选择电泳涂装的入槽供电方式时，首先应考虑入槽前车身磷化膜的干湿状况来说。对于干膜入槽电泳，应尽可能采用入槽后通电的供电方式。因为这种磷化膜如采用带电入槽方式很容易造成车身漆膜呈阶梯痕，尤其是在车身输送速度过慢（小于 2 米/分钟）或速度不连续的情况下。面对湿膜入槽电泳，可以采用带电入槽的供电方式，但也应注意，湿膜是否均匀一致非常关键，以免造成由于表面导电性各处不同而出现漆膜弊病。

实践证明，对干、湿采用同一供电方式，会造成不同漆膜效果。比如：通常干膜入槽电泳可产生更好的防腐蚀性能。

其次，选择入槽后供电形式还应考虑到不同的生产方式，实践证明，采用逐步升压的入槽供电形式可获得较为理想的电泳效果，其优点在于即可获得较高的泳透力，又可限制峰值电流，防止漆膜弊病的产生。

对间隙式生产方式来说，逐步升压方式可以通过程序自动控制电压来实现（比如：仪征汽车厂油漆车间电泳生产线）。

对连续式生产方式来说，则通常采用分段汇流排的方式，每段汇流排的电压可以单独调节和控制，从而可获得最佳供电方式（仪征汇众轻客厂油漆车间电泳生产线和南京依维柯新建油漆车间电泳生产线）。

1.10 超滤机组

超滤机组通常采用卷式膜管，膜组数量由设计者确定，每小时系统产水量大小取决于每小时生产工件最大面积*每平方米需要2升超滤水冲洗，满足系统产水量的要求并且还要考虑到预留以后系统扩容的安装位置和接口。

一般超滤液水箱布置于电泳槽上方平台，位置在与电泳槽与最后一级UF清洗槽之间，超滤液水箱应设计成，靠重力溢流至最后一级UF清洗槽和电泳槽。

超滤循环泵性能参数要满足超滤系统设计要求，通常采用卧式泵，泵的进、出口要设柔性软连接及阀门，泵的出口管路上设不锈钢膜片式压力表，泵壳体、叶轮和轴的材质为304不锈钢。超滤循环泵要有机械密封装置，采用清洁超滤液作为密封液来密封。

超滤膜管之前必须安装不锈钢袋式过滤器，过滤器进、出口管路上要有不锈钢膜片式压力表及阀门，下设排污接头和不锈钢接污盘。要设有独立的膜管清洗系统，能正反清洗。清洗系统由不锈钢清洗水槽、清洗泵、温度计、电加热装置等组成。

超滤主机管道, 油漆入口处要设电动缓开阀门，防止大量油漆瞬间冲击超滤膜管。每只超滤膜组配有单支膜组流量计，便于生产时观察。

通常机封水箱与超滤液水箱设计成一体化，便于管理，水箱大小应容纳超滤机组0.5小时的产水量。系统配有轴封泵2台（一用一备）、压力传感器、浊度计、喷淋泵、电动阀、电控等组成。

1.11 超滤液冲洗

电泳后用超滤液冲洗可除去车身电泳漆膜表面附著的一层薄浮漆，电泳表面带有少量浮漆会引起漆膜缺憾，所以车身一旦露出电泳槽后要尽快冲洗，时间不要超过1分钟，此冲洗工位称为“槽上喷淋”。

槽上喷淋是用第一循环超滤冲洗液在车身一出电泳槽就马上开始冲洗，其喷淋位置在靠近或正好在电泳副槽上面布置，以收集由喷洗造成的泡沫，通过清洗也可保持车身湿润，从而时车身不会沾污和干结。冲洗喷嘴流量要适当，使喷射面要覆盖整个车身喷射角度为65～85度的广角喷嘴。由于槽上喷淋时会造成大量喷雾，必须设置喷淋挡板和出槽口门洞板。

设计时还必须注意设置喷洗之间过渡段时间最少应为 1分钟（新鲜超滤液和新鲜去离子水冲洗除外），新鲜超滤液与去离子水槽过渡段时间不能少于1.2分钟，以防止超滤液过多带入去离子水槽,可以减少对去离子水的污染。

1.12 超滤液、纯水浸洗

电泳后处理浸洗槽设计成使车身能在尽可能短的时间内完成全浸没，在此槽中不要求过长的水平输送段，循环、过滤设计技术与电泳槽相似。通过过滤器的过滤次数 2～2.5次/小时已足够，过滤精度最大为25μm。

1.13 电泳加料系统

电泳加料分树脂、色浆、溶剂共三套加料系统；树脂可以使用气动隔膜泵，通过管道，由阀门控制，可加料至电泳副槽，溶剂同样可以使用气动隔膜泵，通过管道亦可加料至UF浸槽。

色浆加料必须设置搅拌器，在桶内搅拌均匀再使用气动隔膜泵，通过管道，由阀门控制，可加料至电泳循环管路泵吸口处。

1.14 其他类

1）建槽材料的选择

汽车车身电泳涂装生产线上，电泳槽通常采用6～8毫米厚的低碳钢用双面焊接和碳钢型钢构成，所有焊缝要平滑无砂眼，槽子制作完成后必须喷砂处理至露出底金属。

电泳备用槽可以采用6～8毫米厚的低碳钢或4～5毫米不锈钢用双面焊接和碳钢型钢构成，如用低碳钢作为建槽材料，同样必须进行喷砂处理，然后在金属表面涂上耐腐蚀材料（玻璃纤维布、环氧树脂，其厚度大于3毫米以上）；用不锈钢材料建槽可以不作任何处理。

其余后处理槽子(UF1槽、UF2槽、UF3槽、纯水槽)均采用4～5毫米不锈钢用双面焊接构成，所有槽子里都要安装上下扶梯，便于维修人员清洁槽体和更换搅拌喷嘴用。

2）电泳室体

电泳室体用2mm不锈钢板制成，密封无泄漏，内壁要光滑,电泳槽二侧设有出入门和壁板上装有6mm安全玻璃窗，围房带顶，每块玻璃的面积不大于 1.5m2，室体支撑框架采用碳钢型材；室体内需要照明，照明为350LUX；出入门要密封，带锁紧手柄，可自动闭合；门上装有安全保护联锁装置，与整流器、机运系统连锁，并要有声光报警。

3）电泳清洗通道

电泳清洗通道由2.5～3mm不锈钢板制成，密封无泄漏。通道內壁板面应是平整面，外侧面做二次翻边，一次翻边内部满焊，二次翻边点焊。每段装有玻璃观察窗。室体内部淌水板为3mm不锈钢板制成。

通道内设单侧过道，铺设玻璃钢格栅板，不锈钢接水盘，格栅板可以取下来，便于清洁；每个单侧过道上设置密封门，密封门下有门槛排水沟，装有推杆式门把手。

通道壁板外面和顶部每段工位安装两组二管式荧光灯，照明为350LUX；每段工位安装有出入密封门、玻璃观察窗。

电泳清洗通道内部根据不同要求设置不锈钢仿形门洞板封闭，喷淋段进出口均设有挡水板。

4）电泳槽液的温度要求

为了防止槽液过热，油漆供应商通常要求电泳设计者要有报警系统，数据如下：

槽液工作温度： 27～35℃

高温报警： 40℃

超滤停止运转： 40℃

浸洗、喷洗温度报警： 35℃

停止生产： 41℃

5）停线要求

如果输送链发生故障停止运行时，要求整流电源工作电压10～20秒减小到零，对阴极电泳漆不要求维持电压。

当输送链再次启动时，要求整流电源的电压在 10～15秒内渐升回到正常工作电压。车身在电泳槽中滞留时间超过5～10分钟，可能会应颜料在水平面上沉积而导致车身外观不良，良好的电泳槽搅拌可以减少油漆沉淀的问题。

2 结束语

本人从事设计阴极电泳生产线有三十多年了，曾多次担任汽车、家电、汽车零部件涂装生产线的项目经理、现场经理角色，本论文是通过这些年来设计、安装、调试阴极电泳生产线后的心得，并参考了一些有关《汽车涂装技术文献》、《阴极电泳涂装手册》等书籍，收集了一些有价值的数据、经验和概念，可能给电泳设备设计者有些参考和帮助，可以少走一些弯路，如有不对之处请大家批评与指正。