金属件涂装线油性漆切换水性漆技术改造研究

2024-02-26应传稳

中国铸造装备与技术 2024年1期

应传稳

（湖北三江航天涂装设备工程有限公司，湖北武汉 430000）

0 引言

随着可持续发展战略的提出，国家大力倡导在工业生产领域，应遵循节能环保的理念，减少污染，针对工业污染源产生的废水、废气和固体废弃物，应在处理达标后排放。在金属件涂装线上，喷漆是一个重要的环节，由于油性漆成本较低，在金属件涂装时普遍使用油性漆。而油性漆在使用过程会产生较多的有害物质，不仅会污染环境，还会威胁人体健康。近年来，水性漆作为一种节能环保、绿色安全的清洁涂料，在我国各个行业领域中广泛应用。在这样的背景下，在金属性涂装线上，也逐渐使用水性漆替代油性漆。

1 油性漆和水性漆介绍

1.1 油性漆

油性漆可称其为油脂漆，是一种以干性油为主要成膜物质的涂料，所用的油脂主要有亚麻油、鱼油、豆油等。油性漆的特点是易于生产、价格低、渗透性好、涂刷性好。油性漆也有其突出的缺点，主要表现为含有强烈的刺激性气味，气体中含有大量的有害物质，这些有害物质包括挥发性有机化合物、甲醇、苯类、卤代烃、重金属、游离二异氰酸酯单体等，主要为挥发性有机化合物。而这些挥发物会危害人体健康，对人体皮肤和呼吸道产生刺激作用，可能会引起头晕、头痛、胸闷、乏力等症状，长时间接触还会降低机体的免疫力，从而对人体的消化系统、神经系统及造血功能等有严重的负面影响。

目前油漆的使用已经深入人心，但许多消费者及油漆销售商家对油漆的危害并不了解。通常油漆需要在涂刷一个月后才可入住，消费者会认为这个时候油漆已经没有毒性了，其实不然，没有刺激性气味只是甲醛挥发到了人体能接受的程度，但油性漆中含有的苯、甲苯、游离TDI 等还在挥发，要想完全挥发干净，至少需要几十年的时间，而这些挥发性物质对人体的健康是有较大的影响。

1.2 水性漆

随着环保政策施压，消费者环保意识增强，现如今出现了一种新的涂料，即水性漆。水性漆也可称其为水性涂料，是以水作为溶剂的一种涂料，其含水量约20%～50%，且不含有甲醛、苯、游离TDI等有毒物质。水性漆是以水为介质，成分主要包括溶剂、树脂、颜料、添加剂等，有机溶剂较低，约在5%～15%之间。凡是以水为主要溶剂或分散介质的涂料，均可称为水性漆。按照其用途，水性漆可分为水性防锈漆、水性木器漆、水性地坪漆、水性钢构漆这几种；若按照其化学成分，水性漆可分为有机硅水性漆、丙烯酸树脂涂料、水性聚氨酯涂料、环氧树脂涂料、无机水性涂料这5 类。

水性漆是一种节能环保、绿色安全的涂料，相比油性漆具有诸多优势：其一，可减少资源浪费。水性漆的主要原料是水，水是一种清洁可再生能源，不会造成自然资源的浪费。而传统油性漆中的有机溶剂，主要是从石油或煤炭中提炼，石油和煤炭均属于不可再生资源，大量使用油性漆，也就意味着有大量的有机溶剂挥发至空气中，造成大量资源的浪费。其二，挥发性有机化合物较少。据统计，油性漆挥发至大气中的有机溶剂约为涂料量的50%～80%，且这些挥发性有机物可能会使人中毒甚至致癌。而水性漆涂装时挥发的有机溶剂较少，可达到规定的排放要求，从而避免了对环境的污染。其三，稳定性好。水性金属漆中使用的水性丙烯酸树脂，具有较强的柔韧性，作为防锈漆使用时具有独特的弹性和延展性，可经受得住热胀冷缩频繁变化，不会出现龟裂、脱落等现象，因此具有良好的稳定性。其四，喷涂容易。在水性漆使用过程中，可直接用自来水稀释，施工便捷且安全，同时涂刷面积是一般油漆的2 倍以上，涂膜干燥速度快，施工结束后的工具设备清洗也较方便。

由于水性漆具有诸多优点，目前在航空航天、工程机械、汽车、家装建材等领域广泛应用。其中，在工程机械领域，水性漆在喷涂中表现出的低烘干温度、换色时间短、生产线改造费用低（对金属件涂装线原有油性漆改为水性漆）等优点，表明了水性漆涂装是未来工程机械涂装行业的发展趋势之一。

2 技术改造难点及工艺比较

2.1 技术改造难点

在金属件涂装线上，将原有油性漆改为水性漆，可能会遇到以下几个方面的改造难点：

（1）油性漆喷涂工艺与水性漆喷涂工艺有较大的差别，且变化点多，会增加技术改造的难度。

（2）现有涂装线体的结构尺寸存在一定的局限性，难以满足技术改造的要求，增加了改造设计的难度。

（3）在实际改造设计中，需要改造的部位较多，包括输送线、流平室、调漆室、侧喷机、消防系统和燃气管道等，工作量较大。

（4）在实际改造施工中，存在大量的交叉作用，会对施工安全有影响。

（5）在油性漆改为水性漆过程中，需要充分结合企业生产计划，因此在工期方面要求较高。

2.2 油性漆和水性漆工艺比较

油性漆涂装工艺和水性漆涂装工艺比较情况可见表1。

表1 金属件涂装线油性漆改为水性漆工艺比较

3 技术改造实例分析

3.1 项目概况

某制造企业的金属件涂装工艺一直采用的是油性漆，且未对油性漆中含有的挥发性有机化合物进行深度处理便排放，不满足当前的环保要求。如果通过加装深度净化处理装置，不仅技术难度大，且成本高。随着生产技术不断改进，加上市场上水性漆的价格也有所降低，因此在金属件涂装线上，将原有油性漆改为水性漆进行涂装，满足生产质量要求的同时，也能达到环保要求。

3.2 改造方案

3.2.1 拆除DISK，改为调漆间和预热段

（1）将DISK 喷房即自动静电喷漆设备拆除，改建为调漆间和预热室，通过预热的方式将工件表面温度提高约20～40 ℃，预热时间是1.5min，以此满足底漆喷涂的要求。

（2）在改建调漆间过程中，用1.5 mm 镀锌板制作室体，内部使用10#型的钢骨架并喷漆处理，以保证钢结构的强度。同时设置防火门，观察窗5 mm 钢化玻璃，内置防爆净化照明灯，地面铺设厚3mm 的防滑防静电花纹铝板。

（3）在供风方面，在保留现有涂装线供风机组的同时，增加排风风机和送排风管道，并接入现有排风系统。为方便调漆，内部增设纯水进排水管道，排水管道连接吹灰室水槽。

（4）为避免在冬季时因温度过低使水性漆结冰，需在调漆间内部安装空调，保证室内温度。加装预热装置，选用电陶瓷发热管进行预热，预热控制通过富士温控器进行，加热时间不小于10 min，加热温度20～40℃。为避免预热段引起热量损耗、人员烫伤的问题，还需对预热室体镀锌板铺设保温棉和内板，保温棉厚度为50 mm，内板密度为80 kg/m3，并控制炉体外接缝400 mm 处的温度是室温±15℃范围。

3.2.2 原有调漆间、底漆流平改为闪干室

（1）为满足底漆喷涂后表干、闪干、冷却等技术要求，将原有的调漆间及底漆流平室改建为闪干室，闪干室的长宽高分别为8000 mm、5800 mm和4000 mm，闪干温度为50～80 ℃。

（2）在闪干室的进出口处设置隔热板和风刀，送风方式为高压风机送风，避免炉内热量外延至底漆和面漆喷房。并在后端设置冷却设施，确保工件在进入面漆喷房后温度降至40 ℃左右。

（3）闪干室的外围结构由1.5 mm 镀锌板制作而成，并铺设100 mm 保温层及密度为80 kg/m3内板。在闪干室内部使用10#型钢骨架作支撑，炉体外接缝400 mm 处温度控制在室温±15 ℃。预热段利用原有的油漆固化炉废气燃烧装置的尾气进行预热，并增加一套燃气加热装置及控制系统，两种加热方式互补使用，保证温度可控的同时，实现节能。

（4）闪干室的热风循环系统主要由炉体、送回风管道、废气排放系统、底框和内框组成，循环频次是2～3 次/min。在构建热风循环系统时，需注意这几点问题：①需单独对炉体设置加热炉，热风通过风机进入循环系统中；②在炉内设置搅拌风机，并设置相应的调节阀用以控制炉内温度，保证炉内温度的均匀性；③考虑主体框架材质为型钢，在结构设计过程中必须要保证其合理牢固。对于烘干通道外板与框架之间，要尽可能地减少刚性连接，避免影响传热效果；④炉体内板为1 mm 镀锌钢板，外板为0.8 mm 彩钢板，应保证其颜色与其他部位一致；⑤需在30 min 内自常升温至80℃，温控方式主要为两点测温和单点控温，其中针对燃烧系统，需设置超温保护开关进行保护，一旦遇到超温、低温或风机故障等问题时，及时关闭加热系统并发出预警信号；⑥在燃烧机和循环风机之间，设置电气互锁装置，以保证系统正常运行。

（5）加热室的加热方式为天然气，优点是温度均匀洁净。在设计加热系统时，应按照空气动力学等原理进行计算，确保加热系统可靠运行。送回风管路均为下进顶回，烘道顶部布设循环管道，利用循环风机抽取方式在炉体底部循环。通过炉内送回风管循环使炉内热量充分搅拌，最大化利用炉内热量。在燃烧机与燃气管道截止阀连接管路上设置减压阀、过滤装置。热循环系统的风机选用耐高温、低噪声的插入式风机，风量为36000 m3/h，并内置在保温室体，风机安装时注意预留出维修空间。

3.2.3 输送系统改造

（1）结合水性漆喷涂加热、流平工序的时间要求，在预加热段和闪干段增加长度为21 m 的输送链和轨道。为满足工件预热的条件，还需对预热段输送链的运行轨迹进行重新设计。

（2）在新增的输送链上，使用QXT-250 双轮导向悬挂链，确保工件转弯时不干涉。单个吊点承重是50 kg，吊挂间距是750 mm。

（3）为保证输送链正常运行，增设一次吊板、C形钩、固定节油盘、圆形节油盘、十字拨叉、接油槽等附属设施。

（4）对驱动装置和张紧装置调整，使输送链条在加长后整体平稳运行，不会出现爬行及明显的抖动现象。

3.2.4 电气系统改造

（1）闪干室使用PID 恒温控制系统进行温度控制，将控温误差控制在工件±5 ℃之内。并设置超温保护开关和低温报警信号装置，避免出现超高温或低温等问题。循环风机应具有自动延时关机的功能，能在15 min 内自设定，便于加热系统冷却。

（2）修改PLC 控制系统和触摸屏程序，改为整线集中控制，并与线体其他部位安全互锁。

（3）充分结合国家相关技术规范要求进行电气控制的设计和安装施工。

3.2.5 侧喷机及消防系统改造

（1）原有侧喷机为MarkII 溶剂型静电喷漆，为满足水性漆喷涂工艺的要求，需将原有侧喷机改为RSW 水性自动静电喷枪。

（2）对改造后的调漆室和闪干室重新敷设消防系统，包括CO2灭火管路、CO2灭火释放喷头、火灾自动报警系统的防爆管线、防爆电子定温火灾探测器及防爆火焰火灾探测器。其中，在安装CO2灭火管路后，需对管路进行必要的耐压试验和密封性试验。

（3）在改造后的调漆室和闪干室的进出口处安装放气指示灯、急起急停按钮及声光报警装置，以便火灾识别预警。

（4）为保证消防系统安全可靠运行，将改造部分与原有消防系统主机联锁通信。

（5）消防系统改造中使用的管路、线路均为防爆、耐火材料。新增的报警装置、按钮和指示灯等采用海湾产品。改造后的消防系统，应具有自动切断保护区域内供排风设备电源的功能。

3.3 关键参数控制

3.3.1 温湿度

考虑水性涂料具有较高的含水量，因此在油性漆切换水性漆改造设计中，应当重视加强喷房环境温湿度的控制。以金属件外观质量为基础，在温度恒定时，温度高对涂膜外观有利。同理，相对湿度一定时，温度越低越有利，因为在温度低、相对湿度高时，水分挥发速度慢，可保证涂料充分流平。另外，由于外界温湿度对喷房的相对湿度有较大的影响，如在雨季和旱季时，相同设备、相同参数，喷房实际相对湿度也会有差异，表现为雨季较高，旱季较低。为降低外界温湿度的影响，可将喷房温湿度设定在施工窗口中间值，并及时根据季节变化调整闪干室新鲜风的取风口位置。

3.3.2 闪干时间

在水性漆进入到闪干室之前，应保证有足够的闪干时间，以防出现漆泡、针孔等问题，同时可提升漆膜外观平整度。但也不宜保持较长的闪干时间，因为长时间会使水性漆失去光泽。对此，一般是将涂膜闪干的时间控制在5 min 左右。另外，考虑水性漆的水分含量较高，流平性交溶剂较差，在选择喷涂工艺时尽可能地选择一站式喷涂，通过增加单层厚度来保证良好的流平性。

3.3.3 洁净度

喷房的洁净度直接影响金属件表面脏点颗粒数。应以高洁净区为标准进行喷房建设，并有效控制喷房的洁净度。首先，可通过循环风过滤系统维持喷房的洁净度，将风速控制在0.2～0.5 m/s，并定期更换过滤棉。其次，控制开门次数，因为污染物大部分是通过人员带入，因此需要控制水性漆喷涂时人员进入喷房次数，可在门上安装光电传感器，自动形成报表记录的形式进行管控。再者，可增设机器人专用喷涂程序，在人员进入后、喷车前自动喷涂，利用漆的黏附作用快速去除污染物。

4 技术改造效果分析

按照上述改造方案对金属件涂装线进行油性漆切换水性漆技术改造，在改造后运行使用的1年内，未出现有严重故障，整个涂装线运行稳定，且金属件喷涂质量达标。同时，通过VOCs 在线监测系统对改造后的涂装线排放物进行监测，监测结果表明，系统改造后的排放物均满足《大气污染物综合排放标准》（GB 16297-2018）的要求。监测结果见表2 所示。