浅谈硅烷/锆化工艺设备前期规划

夏正荣 （奇瑞汽车（安徽）有限公司，安徽芜湖 241000）

0 引言

硅烷属于有机材料，锆化为无机材料，两种不同工艺，统称薄膜工艺，硅烷/锆化工艺设备与传统磷化工艺设备工作原理相同，都包含了循环系统、除渣系统、喷淋系统、加热系统、加药系统，但因硅烷/锆化工艺自身的特性，对工艺设备选型上要求更具体。

1 通用性设计

1.1 循环系统

为了使与工件表面接触的槽液不断更新，槽液温度和浓度均匀，硅烷/锆化工艺和磷化工艺一样，都采用循环泵进行槽液循环，但工艺需求不同，磷化工艺要求循环3～4次，而硅烷/锆化工艺循环1～2次，这就导致在前期规划设计时，泵选型需根据自身工艺进行，循环泵选用时，Q=rV（Q—泵流量、V—槽体容积、r—系数，槽体循环次数），视r系数（循环次数）输出进行更改。

循环系统的喷嘴设置和磷化工艺相同，但需注意侧面喷嘴与车身倾斜一定角度，不应垂直于车身。

1.2 除渣系统

磷化工艺除渣系统采用方法有高位沉降塔、斜板沉降、带式过滤机、板式压滤机等，每一种方法都经过实际应用和技术沉淀，但硅烷/锆化工艺的产渣量少，仅相当于磷化工艺的十分之一，且渣悬浮在槽液内，区别于磷化渣，故硅烷/锆化工艺利用重力方式除渣达不到实际效果。

行业内硅烷/锆化工艺除渣装置有2种方式：一种是借助循环系统的袋式过滤器，将过滤袋型号更改为5 μm，借助孔径除渣；另一种是采用全流量板式压滤机，滤布粒径20 μm，压滤除渣。通过实际应用证明，采用全流量板式压滤机的方式更为有效。

1.3 喷淋系统

因区别于磷化工艺，取消了表调工序，硅烷/锆化工艺前处理线体更短，前、后槽体均为纯水洗槽体（图1），所以入槽前为纯水喷淋，喷淋水溢流至纯水槽1，出槽喷淋为纯水喷淋，喷淋水溢流至纯水槽2。另外入槽和出槽喷淋设计成过车喷淋，白车身经过时启动喷淋。

图1 前处理喷淋工序Figure 1 Pretreatment spraying process

槽体顶部设有槽液喷淋，槽液喷淋本身可加速成膜反应，硅烷/锆化工艺成膜时间约1～2 min，如车身在槽液内反应时间大于2 min，可以不采用槽液喷淋，需与材料厂商沟通，材料本身也可加速和减缓反应成膜时间。

1.4 加热系统

硅烷/锆化工艺室温下即可进行生产，无需加热，工艺温度为15～40 ℃。如果生产线处于北方，冬季时气温低于0 ℃，那么进行线体规划时，需考虑加热装置。

与磷化工艺设计相同，因占地面积小、换热效率高、容易清洗的特性，都采用板式换热器，热水和硅烷/锆化槽液温差需控制在20 ℃以下，锅炉热水因温度过高（75～90 ℃），不能直接给槽体加热，需采用二级换热，增加一套换热循环系统，锅炉热水与换热循环系统换热后，再用于槽体加热。

另外，磷化工艺的板式换热器工作一段时间后，内层会结渣，降低换热效率，很多线体规划时，会设置一套酸洗系统，通过泵、管路和阀的选控，可以对磷化板式换热器及周边的管路、阀等进行酸洗和清洗。但硅烷/锆化工艺产渣量少，规划时可以取消酸洗系统。

图2为某公司薄膜工艺的加热系统。

图2 两级换热系统Figure 2 Two-stage heat exchange system

1.5 加料系统

磷化工艺加药系统一般设有3台泵，其中1台气动隔膜泵，2台不锈钢计量泵，气动隔膜泵和计量泵为米顿罗和GRACO公司产品。气动隔膜泵流量≥3 m3/h，2台计量泵流量均为0～0.25 m3/h，流量可手动无级调节，各泵配有耐压软管和不锈钢吸管，不锈钢吸管进口端带有过滤网，其中软管长度≥2 m，不锈钢吸管长度≥1.2 m，其它不与酸接触的管路阀门均为SUS304不锈钢。

表1为某公司的磷化加料设备。

表1 磷化加料设备Table 1 Phosphating dosing equipment

硅烷/锆化工艺属于新工艺，加料方式和磷化工艺不同，取消了加料罐和搅拌器，且都采用计量泵进行加料。最大的区别在于为防止车身返锈，硅烷/锆化工艺槽体前后的水洗槽内都需添加防锈剂，因此需增加一套防锈剂加料泵，分出4条管路分别增加至硅烷/锆化槽体前后水洗槽，如表2所示。

表2 硅烷/锆化工艺加料设备Table 2 Silane/zirconium process dosing equipment

2 硅烷/锆化工艺的优势

硅烷/锆化工艺相较于传统的磷化工艺，具有环保优势、工艺优势、成本优势等，下面着重就成本优势进行规划分析，其他方面优势在此不作介绍。

2.1 设备成本优势

● 前处理工序长度缩减，无需表面调整和钝化工序，可缩短处理时间，新建生产线可减少投资和占地面积；

● 循环泵功率相对于磷化工艺有所降低；

●取消酸洗系统。

2.2 运营成本优势

下面以某公司生产线磷化工艺改硅烷/锆化工艺为例，进行成本分析对比，按产能12万台计算，每台处理面积总和110 m2，生产节拍为20台/h。

2.2.1 热能消耗

硅烷/锆化工艺室温下即可进行，无需加热，仅冬天需加热至15 ℃以上；磷化工艺温度为35～45 ℃，热能消耗大约为50元/km2，此项每年预计节省人民币66万元。

2.2.2 维护成本

磷化液每2～3个月需要输送到储备槽沉降除渣1次；每3～6个月倒槽1次，倒槽后需用化学法除去槽壁和管道内的磷化渣；喷嘴需要每周拆卸，用化学品清洗1次；热交换器需要每2～4周化学清洗1次，否则将影响磷化处理效果。改为硅烷/锆化工艺后，上述维护工作均随之取消。

2.2.3 水量消耗

水量消耗对比见表3。

表3 水量消耗对比表Table 3 Water consumption comparison table

综上所述，磷化工艺改为硅烷/锆化工艺后，每年运行费用可节省人民币约70万元。

3 结语

硅烷/锆化工艺因其环保、能耗低、多种底材的适应性等特点，现新建线体采用此技术的越来越多，是涂装前处理发展的必然趋势，上述方案为经过两个现场验证，同时也与行业内硅烷/锆化材料厂家多次沟通形成的沉淀积累。望后期通过不断的生产积累和总结，使硅烷/锆化设备设计规范化和统一化。