钢铁制品粉末静电喷涂生产线设备规划和选型中的常见问题分析

2022-08-24王启祥

现代制造技术与装备 2022年7期

王启祥

（浙江中力机械股份有限公司，湖州 313300）

粉末静电喷涂生产线是指通过静电喷涂方式均匀喷附到钢类工件表面形成保护层的专用生产线。这里主要以聚合物树脂粉末为主，其中粉末是100%固体含量、零挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，VOC）的“4E”涂料。这种涂料是公认的环境友好型涂料，对多个传统工业领域溶剂型涂料实现了颠覆式的产业替换[1]。粉末静电喷涂生产线是伴随粉末涂料的发明和使用而产生的一种全新的涂装工艺生产线。近年来，随着粉末涂料在国内的推广，粉末静电喷涂生产线设备迅猛发展。目前，粉末静电喷涂生产线已经在电梯、工程机械、休闲家具、家用电器以及机械制造等行业发挥着重要作用。

通常情况下，粉末静电喷涂生产线工序较多，线体较长，占地面积大。由于其非标定制的特点，在制造业生产中扮演着十分重要的角色。尤其是涂装作为制造业的重要一环，是制造业中的关键工序。涂装线的好坏往往关系到整个企业生产的顺畅性，因此直接与经济效益相关。如何在设备投入前规划好线体，对制造企业乃至整个制造业来说具有重要意义。文章从实际使用的角度出发，分析了粉末静电喷涂生产线设备投入中遇到的常见问题，并提出了相关解决思路。

1 需求问题分析

有些企业不重视粉末静电喷涂生产线的前期规划，稀里糊涂装上涂装线，并不明确自己目前的需求，且对未来需求规划不到位，容易导致诸多问题，如产品的兼容性差和工艺参数有误造成产品涂装质量不达标等问题。后期若想整改，存在难度大和成本高的问题。

针对以上问题需要在规划涂装线之前做好以下规划。

（1）产品问题分析。规划粉末静电喷涂产线前，需要对拟喷涂的产品长宽高尺寸、重量和拟组挂重量、表面积及结构等进行全面分析。需要注意，在考虑产品尺寸时，需要关注工件的组挂方式、吊挂方式和漏水孔位置。争取做到既要好挂又要好喷，同时兼顾效率。

（2）前期需要做好工艺分析和工艺试验，确保有效的工艺流程，使得工艺参数更加准确。

（3）需要做好产能规划。喷塑线产能一旦确定，后期很难提升，且改造的可能性很小。因此，合理的产能规划十分关键，能够为未来产能提升奠定基础，但不能过度投资造成产能浪费，需要综合产能、投资、场地等因素合理规划产能和节拍。

2 工艺问题分析

粉末静电涂装生产线属于非标产线，需要根据不同的产品结构设计不同的工艺流程和工艺参数。一般在初始规划时需要在类似产线上进行工艺试验。下面分析常见工艺及其出现的问题。

2.1 钢铁制品粉末静电喷涂常见工艺流程

钢铁制品粉末静电喷涂常见工艺流程如下：上件→抛丸→热水洗→预脱脂→主脱脂→水洗→纯水洗1→硅烷化→纯水洗2→纯水洗3→吹水→刮导电腻子→水分烘干→冷却1→打磨→屏蔽→喷粉→固化→冷却2→下件。

2.2 钢铁制品粉末静电喷涂常见工艺流程问题分析

钢铁制品粉末静电喷涂的常见问题主要从抛丸、热水洗、脱脂、水洗和纯水洗1、硅烷化、纯水洗2和纯水洗3、水分烘干、喷粉以及固化9个流程进行分析。

2.2.1 抛丸

抛丸清理工艺是一种表面处理技术，通过抛丸器叶片的高速运动，利用离心力将弹丸高速抛落冲击在工件或物体表面，达到清理强化的效果[2]。抛丸工艺用在粉末静电喷涂生产线的前处理工艺中，主要用来去除工件表面的氧化皮。表面质量较好的原材料可以取消抛丸工序。另外，对于薄板件而言，抛丸容易导致其变形，因此3 mm以下的薄板件一般不考虑抛丸工艺。薄板件常用的除氧化皮工艺是酸洗，但是酸洗工艺对环境污染严重，逐渐被行业舍弃。因此，薄板件一般用于提高原材料表面质量，或者采用打磨工艺。

2.2.2 热水洗

热水洗主要采用温度为50～60 ℃的热水喷淋清洗工件表面，以达到处理工件表面油污的效果。同时，热水洗可以减少工件带进预脱脂工序的油污量，节约脱脂药剂的使用和排放，以达到降本和环保的目的。但是，有些厂家不注重本工序，常常省掉这一步骤或者用冷水取代。本文不建议取消该工序。

2.2.3 脱脂

脱脂包括预脱脂和主脱脂。脱脂的目的是深度处理金属工件表面的防锈油、切削油以及灰尘等杂质，以保证金属表面清洁，确保塑粉和工件的有效黏连，从而保障工件表面的外观质量。常用的脱脂方法包括水基碱液喷淋清洗、水基碱液喷淋加浸泡清洗以及浸泡式超声波清洗等。需要说明：对腔体型工件内表面有表面处理要求的，一般需要选择喷浸结合的工艺；对于普通工件，一般直接喷淋即可达到效果。具体选择哪种工艺，需要根据产品结构特性进行分析。

2.2.4 水洗和纯水洗1

水洗和纯水洗1主要对工件进行再次清洗，防止脱脂剂进入硅烷化槽内。需要说明，在水质达标的情况下，纯水洗1可以用自来水代替，具体可以进行工艺试验后再确定。

2.2.5 硅烷化

硅烷化的目的是在金属表面形成一层表面耦合剂，使得塑粉与金属紧密连接。传统的涂装产线中常用磷化技术。随着国家环保法规对锌、镍、锰、磷、氮等的控制越来越严格，作为代替磷化前处理的硅烷化金属表面处理技术，在涂装前处理行业中逐渐成为引领行业发展方向的重要工艺之一[3]。综合考虑能耗和环保等问题，对新规划的粉末静电喷涂线，建议采用硅烷化工艺。

2.2.6 纯水洗2和纯水洗3

纯水洗2和纯水洗3工艺根据硅烷化药剂的需求来定，可以取消或者改成一道纯水洗，也可以使用符合水质要求的自来水替代纯水。

2.2.7 水分烘干

水分烘干是指用高温热风将工件表面的水分吹干，确保喷分前工件干燥。该工序工艺参数可根据工件的具体尺寸和厚度确定，一般温度为150～180 ℃、时间为15～20 min，具体参数以工艺试验确定。

2.2.8 喷粉

喷粉是指粉末在电场力和压缩空气压力的双重推动下到达工件表面，依靠静电吸引在工件表面形成一层均匀的涂层[4]。配备相应的附件可以确保以下几个方面：保持喷粉环境的洁净度，防止杂质进入；保持塑粉环境的温度、湿度和压缩空气的湿度，确保粉末的活性和电离特性；做好挂具和线体接地，保持粉末和工件之间的电场。

2.2.9 固化

固化是指塑粉在高温热风下熔融流平直至胶化和固化在工件表面的过程。固化过程一般需要保持工件所处的环境温度恒定保持在180～220 ℃，时间为20～35 min，具体参数需要根据塑粉的特性来确定。特别注意，需要保持温度的均匀和恒定，时间不能太短也不宜过长，具体可以根据塑粉的工艺说明书来确定[5]。

3 产线配置问题分析

粉末静电喷涂生产线往往投资额度高，少的上百万，多的数百万甚至上千万。对中小企业来说，设备的一次性投资成本并不低，这就造成部分制造企业过分关注设备价格而忽视了设备配置，容易造成设备整体配置较差，故障不断，无法正常使用。针对以上问题，需要关注如下内容。

3.1 前处理喷淋系统配置

前处理模块主要由棚体、槽体、水泵和喷淋管路4部分组成。其中：棚体的主要作用是隔绝和收集喷淋的液体，防止喷洒到车间其他区域；槽体是进行收集和存放喷淋液体的容器；水泵和喷淋管路用来产生喷淋压力，从而输送液体。

目前，棚体、槽体、喷淋管路3个模块主要有两种材质，分别为PP（聚丙烯）材质和不锈钢材质。PP材质的优点是投资成本低、安装制作简单，缺点是板件易变形老化、不耐冲击，一旦工件脱落，很容易砸坏管路或者槽体。PP材质适合用于投资预算低或者工件较轻的轻型涂装线，整体使用年限一般不超过10年。不锈钢材质的优点是美观、坚固、耐用，缺点是一次性投资成本较高。不锈钢材质的前处理模块，一般整体使用年限可以达到15年。

水泵一般选用优质品牌，可以使用不锈钢泵或者铸铁泵。

3.2 烘干和固化系统配置

烘干固化模块的主要作用是通过热风循环将工件保持在一定温度。常见的结构主要采用炭钢型材框架作为支撑，岩棉板作为密封板，制作成为一个封闭式通道。这里的常见问题一般是不清楚板材的厚度和材料选型。因此，普通建议采用容重为120 kg·m-3的岩棉板，内板厚度不建议低于1 mm，外板不建议低于0.8 mm。根据实测，内板为1 mm、外板为0.8 mm、容重为120 kg·m-3的岩棉板做成的固化烘道。冬季烘道内外温差不超过10 ℃。

3.3 静电喷粉系统配置

静电喷粉系统主要包含喷粉房、喷粉系统和回收系统3个模块。

喷粉房是一种侧板、底板和顶板拼合而成的房体结构，是粉末静电喷涂的主要场所。喷粉房一般用PP板或不锈钢材质制作。因为不锈钢粉房容易粘粉，不透光，所以一般选择PP粉房。

喷粉系统一般是指静电喷枪和供粉中心。这里需要注意保持粉末保存环境的温度和湿度。若温度和湿度过高，则粉末容易结块，不仅需要配备相应的制冷和除湿设备，还需要配置压缩空气热感机保持空气干燥。另外，对表面涂层厚度要求高的产品，选择喷枪时建议优先选择国产优质或者进口品牌。常见的进口品牌喷枪特点是喷粉量小、上粉率高，对表面涂层厚涂控制比较精确，粉末浪费少。

塑粉回收系统目前常用大旋风回收除尘系统，主要包含大旋风系统和后端过滤器。通过大旋风系统将大颗粒粉末分离回收进入供粉中心，过滤后的超细粉作为废料集中收集。需要注意，要根据粉房尺寸合理计算风量，同时保持风压以确保回收效果良好。

3.4 输送系统配置

输送系统主要包含链条、驱动和轨道等模块。配置输送系统需要注意：前期计算好产品，主要包含挂具和组挂件的总重量，确保链条和驱动的合理选择，防止因链条拉力不够或者驱动动力不足而影响产线效率；通过产品、挂具以及组挂件的总重量，合理选择轨道和支撑架的规格与型号；多驱动的链线需要合理布局驱动位置，同时设计电控时需要保持两套驱动同步运行；在场地允许的情况下，尽量少设计坡道和弯道，尤其是尽量在烘道内少设计弯轨。因为弯轨在烘道内很容易磨损，且更换不便，所以需要尽可能在前期避免。

4 环保和安全问题分析

4.1 环保问题

环保的设计和规划既能更好地符合各项环保法规，也能达到绿色生产的目的，以保障工作场所的环境质量，确保员工身心健康。下面分析粉末静电喷涂生产线中常见的环保问题。

4.1.1 工艺环保

由分析工艺问题可知，目前比较环保的工艺模式是硅烷化工艺。它产生废水的氨氮、磷、化学需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）值较低，综合废水化学需氧量一般在800～1 000。与酸洗磷化工艺废水动辄2 000的COD指标和超高的磷含量相比，硅烷化工艺可以减少处理难度和产排污量。

4.1.2 硬件结构设计环保

设计前处理部分工艺水回流，通过减少废水排放达到节约和环保的目的。

4.1.3 配置环保

前处理热水优先考虑蒸汽加热，如果没有蒸汽，一般选择燃气热水锅炉。由于该处的天燃气尾气是直接排放的，因此建议此处规划使用氮排放少于80 mg·Nm-3的低氮型燃烧机。

粉房回收和抛丸工序需要合理计算风量，同时配置优质的旋风除尘和过滤除尘装置，以确保粉房和抛丸区域空气质量良好，从而保障颗粒物排放达到标准要求。

4.2 安全问题

粉末静电喷涂流水线常见的安全问题主要包括使用安全和配置安全。使用安全是指设置合理的急停装置和紧急报警装置，确保异常状态下可以及时停机。配置安全是指粉房内颗粒物浓度较高，且所有旋风系统都包括封闭的管路与容积腔，在一定的空气/粉末混合比例及火源环境中随时可能爆炸，需要设置隔爆阀、泄爆口。电器采用防爆电器，以确保粉房安全。需要注意：使用天燃气作为加热能源，需要在接口处安装燃气泄露报警装置；喷塑线位置需要合理布局；烘道周围不要布置易燃易爆品堆放区；粉房区域不要布置易产生明火的生产工序；悬空通道底部需要安装防护网。