金屬件涂裝線油性漆切換水性漆技術(shù)改造研究

應(yīng)傳穩(wěn)

（湖北三江航天涂裝設(shè)備工程有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，國家大力倡導(dǎo)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)遵循節(jié)能環(huán)保的理念，減少污染，針對工業(yè)污染源產(chǎn)生的廢水、廢氣和固體廢棄物，應(yīng)在處理達(dá)標(biāo)后排放。在金屬件涂裝線上，噴漆是一個重要的環(huán)節(jié)，由于油性漆成本較低，在金屬件涂裝時普遍使用油性漆。而油性漆在使用過程會產(chǎn)生較多的有害物質(zhì)，不僅會污染環(huán)境，還會威脅人體健康。近年來，水性漆作為一種節(jié)能環(huán)保、綠色安全的清潔涂料，在我國各個行業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。在這樣的背景下，在金屬性涂裝線上，也逐漸使用水性漆替代油性漆。

1 油性漆和水性漆介紹

1.1 油性漆

油性漆可稱其為油脂漆，是一種以干性油為主要成膜物質(zhì)的涂料，所用的油脂主要有亞麻油、魚油、豆油等。油性漆的特點是易于生產(chǎn)、價格低、滲透性好、涂刷性好。油性漆也有其突出的缺點，主要表現(xiàn)為含有強(qiáng)烈的刺激性氣味，氣體中含有大量的有害物質(zhì)，這些有害物質(zhì)包括揮發(fā)性有機(jī)化合物、甲醇、苯類、鹵代烴、重金屬、游離二異氰酸酯單體等，主要為揮發(fā)性有機(jī)化合物。而這些揮發(fā)物會危害人體健康，對人體皮膚和呼吸道產(chǎn)生刺激作用，可能會引起頭暈、頭痛、胸悶、乏力等癥狀，長時間接觸還會降低機(jī)體的免疫力，從而對人體的消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及造血功能等有嚴(yán)重的負(fù)面影響。

目前油漆的使用已經(jīng)深入人心，但許多消費者及油漆銷售商家對油漆的危害并不了解。通常油漆需要在涂刷一個月后才可入住，消費者會認(rèn)為這個時候油漆已經(jīng)沒有毒性了，其實不然，沒有刺激性氣味只是甲醛揮發(fā)到了人體能接受的程度，但油性漆中含有的苯、甲苯、游離TDI 等還在揮發(fā)，要想完全揮發(fā)干凈，至少需要幾十年的時間，而這些揮發(fā)性物質(zhì)對人體的健康是有較大的影響。

1.2 水性漆

隨著環(huán)保政策施壓，消費者環(huán)保意識增強(qiáng)，現(xiàn)如今出現(xiàn)了一種新的涂料，即水性漆。水性漆也可稱其為水性涂料，是以水作為溶劑的一種涂料，其含水量約20%～50%，且不含有甲醛、苯、游離TDI等有毒物質(zhì)。水性漆是以水為介質(zhì)，成分主要包括溶劑、樹脂、顏料、添加劑等，有機(jī)溶劑較低，約在5%～15%之間。凡是以水為主要溶劑或分散介質(zhì)的涂料，均可稱為水性漆。按照其用途，水性漆可分為水性防銹漆、水性木器漆、水性地坪漆、水性鋼構(gòu)漆這幾種；若按照其化學(xué)成分，水性漆可分為有機(jī)硅水性漆、丙烯酸樹脂涂料、水性聚氨酯涂料、環(huán)氧樹脂涂料、無機(jī)水性涂料這5 類。

水性漆是一種節(jié)能環(huán)保、綠色安全的涂料，相比油性漆具有諸多優(yōu)勢：其一，可減少資源浪費。水性漆的主要原料是水，水是一種清潔可再生能源，不會造成自然資源的浪費。而傳統(tǒng)油性漆中的有機(jī)溶劑，主要是從石油或煤炭中提煉，石油和煤炭均屬于不可再生資源，大量使用油性漆，也就意味著有大量的有機(jī)溶劑揮發(fā)至空氣中，造成大量資源的浪費。其二，揮發(fā)性有機(jī)化合物較少。據(jù)統(tǒng)計，油性漆揮發(fā)至大氣中的有機(jī)溶劑約為涂料量的50%～80%，且這些揮發(fā)性有機(jī)物可能會使人中毒甚至致癌。而水性漆涂裝時揮發(fā)的有機(jī)溶劑較少，可達(dá)到規(guī)定的排放要求，從而避免了對環(huán)境的污染。其三，穩(wěn)定性好。水性金屬漆中使用的水性丙烯酸樹脂，具有較強(qiáng)的柔韌性，作為防銹漆使用時具有獨特的彈性和延展性，可經(jīng)受得住熱脹冷縮頻繁變化，不會出現(xiàn)龜裂、脫落等現(xiàn)象，因此具有良好的穩(wěn)定性。其四，噴涂容易。在水性漆使用過程中，可直接用自來水稀釋，施工便捷且安全，同時涂刷面積是一般油漆的2 倍以上，涂膜干燥速度快，施工結(jié)束后的工具設(shè)備清洗也較方便。

由于水性漆具有諸多優(yōu)點，目前在航空航天、工程機(jī)械、汽車、家裝建材等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。其中，在工程機(jī)械領(lǐng)域，水性漆在噴涂中表現(xiàn)出的低烘干溫度、換色時間短、生產(chǎn)線改造費用低（對金屬件涂裝線原有油性漆改為水性漆）等優(yōu)點，表明了水性漆涂裝是未來工程機(jī)械涂裝行業(yè)的發(fā)展趨勢之一。

2 技術(shù)改造難點及工藝比較

2.1 技術(shù)改造難點

在金屬件涂裝線上，將原有油性漆改為水性漆，可能會遇到以下幾個方面的改造難點：

（1）油性漆噴涂工藝與水性漆噴涂工藝有較大的差別，且變化點多，會增加技術(shù)改造的難度。

（2）現(xiàn)有涂裝線體的結(jié)構(gòu)尺寸存在一定的局限性，難以滿足技術(shù)改造的要求，增加了改造設(shè)計的難度。

（3）在實際改造設(shè)計中，需要改造的部位較多，包括輸送線、流平室、調(diào)漆室、側(cè)噴機(jī)、消防系統(tǒng)和燃?xì)夤艿赖?，工作量較大。

（4）在實際改造施工中，存在大量的交叉作用，會對施工安全有影響。

（5）在油性漆改為水性漆過程中，需要充分結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)計劃，因此在工期方面要求較高。

2.2 油性漆和水性漆工藝比較

油性漆涂裝工藝和水性漆涂裝工藝比較情況可見表1。

表1 金屬件涂裝線油性漆改為水性漆工藝比較

3 技術(shù)改造實例分析

3.1 項目概況

某制造企業(yè)的金屬件涂裝工藝一直采用的是油性漆，且未對油性漆中含有的揮發(fā)性有機(jī)化合物進(jìn)行深度處理便排放，不滿足當(dāng)前的環(huán)保要求。如果通過加裝深度凈化處理裝置，不僅技術(shù)難度大，且成本高。隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷改進(jìn)，加上市場上水性漆的價格也有所降低，因此在金屬件涂裝線上，將原有油性漆改為水性漆進(jìn)行涂裝，滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求的同時，也能達(dá)到環(huán)保要求。

3.2 改造方案

3.2.1 拆除DISK，改為調(diào)漆間和預(yù)熱段

（1）將DISK 噴房即自動靜電噴漆設(shè)備拆除，改建為調(diào)漆間和預(yù)熱室，通過預(yù)熱的方式將工件表面溫度提高約20～40 ℃，預(yù)熱時間是1.5min，以此滿足底漆噴涂的要求。

（2）在改建調(diào)漆間過程中，用1.5 mm 鍍鋅板制作室體，內(nèi)部使用10#型的鋼骨架并噴漆處理，以保證鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。同時設(shè)置防火門，觀察窗5 mm 鋼化玻璃，內(nèi)置防爆凈化照明燈，地面鋪設(shè)厚3mm 的防滑防靜電花紋鋁板。

（3）在供風(fēng)方面，在保留現(xiàn)有涂裝線供風(fēng)機(jī)組的同時，增加排風(fēng)風(fēng)機(jī)和送排風(fēng)管道，并接入現(xiàn)有排風(fēng)系統(tǒng)。為方便調(diào)漆，內(nèi)部增設(shè)純水進(jìn)排水管道，排水管道連接吹灰室水槽。

（4）為避免在冬季時因溫度過低使水性漆結(jié)冰，需在調(diào)漆間內(nèi)部安裝空調(diào)，保證室內(nèi)溫度。加裝預(yù)熱裝置，選用電陶瓷發(fā)熱管進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱控制通過富士溫控器進(jìn)行，加熱時間不小于10 min，加熱溫度20～40℃。為避免預(yù)熱段引起熱量損耗、人員燙傷的問題，還需對預(yù)熱室體鍍鋅板鋪設(shè)保溫棉和內(nèi)板，保溫棉厚度為50 mm，內(nèi)板密度為80 kg/m3，并控制爐體外接縫400 mm 處的溫度是室溫±15℃范圍。

3.2.2 原有調(diào)漆間、底漆流平改為閃干室

（1）為滿足底漆噴涂后表干、閃干、冷卻等技術(shù)要求，將原有的調(diào)漆間及底漆流平室改建為閃干室，閃干室的長寬高分別為8000 mm、5800 mm和4000 mm，閃干溫度為50～80 ℃。

（2）在閃干室的進(jìn)出口處設(shè)置隔熱板和風(fēng)刀，送風(fēng)方式為高壓風(fēng)機(jī)送風(fēng)，避免爐內(nèi)熱量外延至底漆和面漆噴房。并在后端設(shè)置冷卻設(shè)施，確保工件在進(jìn)入面漆噴房后溫度降至40 ℃左右。

（3）閃干室的外圍結(jié)構(gòu)由1.5 mm 鍍鋅板制作而成，并鋪設(shè)100 mm 保溫層及密度為80 kg/m3內(nèi)板。在閃干室內(nèi)部使用10#型鋼骨架作支撐，爐體外接縫400 mm 處溫度控制在室溫±15 ℃。預(yù)熱段利用原有的油漆固化爐廢氣燃燒裝置的尾氣進(jìn)行預(yù)熱，并增加一套燃?xì)饧訜嵫b置及控制系統(tǒng)，兩種加熱方式互補(bǔ)使用，保證溫度可控的同時，實現(xiàn)節(jié)能。

（4）閃干室的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)主要由爐體、送回風(fēng)管道、廢氣排放系統(tǒng)、底框和內(nèi)框組成，循環(huán)頻次是2～3 次/min。在構(gòu)建熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)時，需注意這幾點問題：①需單獨對爐體設(shè)置加熱爐，熱風(fēng)通過風(fēng)機(jī)進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)中；②在爐內(nèi)設(shè)置攪拌風(fēng)機(jī)，并設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥用以控制爐內(nèi)溫度，保證爐內(nèi)溫度的均勻性；③考慮主體框架材質(zhì)為型鋼，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中必須要保證其合理牢固。對于烘干通道外板與框架之間，要盡可能地減少剛性連接，避免影響傳熱效果；④爐體內(nèi)板為1 mm 鍍鋅鋼板，外板為0.8 mm 彩鋼板，應(yīng)保證其顏色與其他部位一致；⑤需在30 min 內(nèi)自常升溫至80℃，溫控方式主要為兩點測溫和單點控溫，其中針對燃燒系統(tǒng)，需設(shè)置超溫保護(hù)開關(guān)進(jìn)行保護(hù)，一旦遇到超溫、低溫或風(fēng)機(jī)故障等問題時，及時關(guān)閉加熱系統(tǒng)并發(fā)出預(yù)警信號；⑥在燃燒機(jī)和循環(huán)風(fēng)機(jī)之間，設(shè)置電氣互鎖裝置，以保證系統(tǒng)正常運行。

（5）加熱室的加熱方式為天然氣，優(yōu)點是溫度均勻潔凈。在設(shè)計加熱系統(tǒng)時，應(yīng)按照空氣動力學(xué)等原理進(jìn)行計算，確保加熱系統(tǒng)可靠運行。送回風(fēng)管路均為下進(jìn)頂回，烘道頂部布設(shè)循環(huán)管道，利用循環(huán)風(fēng)機(jī)抽取方式在爐體底部循環(huán)。通過爐內(nèi)送回風(fēng)管循環(huán)使?fàn)t內(nèi)熱量充分?jǐn)嚢?，最大化利用爐內(nèi)熱量。在燃燒機(jī)與燃?xì)夤艿澜刂归y連接管路上設(shè)置減壓閥、過濾裝置。熱循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)選用耐高溫、低噪聲的插入式風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為36000 m3/h，并內(nèi)置在保溫室體，風(fēng)機(jī)安裝時注意預(yù)留出維修空間。

3.2.3 輸送系統(tǒng)改造

（1）結(jié)合水性漆噴涂加熱、流平工序的時間要求，在預(yù)加熱段和閃干段增加長度為21 m 的輸送鏈和軌道。為滿足工件預(yù)熱的條件，還需對預(yù)熱段輸送鏈的運行軌跡進(jìn)行重新設(shè)計。

（2）在新增的輸送鏈上，使用QXT-250 雙輪導(dǎo)向懸掛鏈，確保工件轉(zhuǎn)彎時不干涉。單個吊點承重是50 kg，吊掛間距是750 mm。

（3）為保證輸送鏈正常運行，增設(shè)一次吊板、C形鉤、固定節(jié)油盤、圓形節(jié)油盤、十字撥叉、接油槽等附屬設(shè)施。

（4）對驅(qū)動裝置和張緊裝置調(diào)整，使輸送鏈條在加長后整體平穩(wěn)運行，不會出現(xiàn)爬行及明顯的抖動現(xiàn)象。

3.2.4 電氣系統(tǒng)改造

（1）閃干室使用PID 恒溫控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制，將控溫誤差控制在工件±5 ℃之內(nèi)。并設(shè)置超溫保護(hù)開關(guān)和低溫報警信號裝置，避免出現(xiàn)超高溫或低溫等問題。循環(huán)風(fēng)機(jī)應(yīng)具有自動延時關(guān)機(jī)的功能，能在15 min 內(nèi)自設(shè)定，便于加熱系統(tǒng)冷卻。

（2）修改PLC 控制系統(tǒng)和觸摸屏程序，改為整線集中控制，并與線體其他部位安全互鎖。

（3）充分結(jié)合國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行電氣控制的設(shè)計和安裝施工。

3.2.5 側(cè)噴機(jī)及消防系統(tǒng)改造

（1）原有側(cè)噴機(jī)為MarkII 溶劑型靜電噴漆，為滿足水性漆噴涂工藝的要求，需將原有側(cè)噴機(jī)改為RSW 水性自動靜電噴槍。

（2）對改造后的調(diào)漆室和閃干室重新敷設(shè)消防系統(tǒng)，包括CO2滅火管路、CO2滅火釋放噴頭、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的防爆管線、防爆電子定溫火災(zāi)探測器及防爆火焰火災(zāi)探測器。其中，在安裝CO2滅火管路后，需對管路進(jìn)行必要的耐壓試驗和密封性試驗。

（3）在改造后的調(diào)漆室和閃干室的進(jìn)出口處安裝放氣指示燈、急起急停按鈕及聲光報警裝置，以便火災(zāi)識別預(yù)警。

（4）為保證消防系統(tǒng)安全可靠運行，將改造部分與原有消防系統(tǒng)主機(jī)聯(lián)鎖通信。

（5）消防系統(tǒng)改造中使用的管路、線路均為防爆、耐火材料。新增的報警裝置、按鈕和指示燈等采用海灣產(chǎn)品。改造后的消防系統(tǒng)，應(yīng)具有自動切斷保護(hù)區(qū)域內(nèi)供排風(fēng)設(shè)備電源的功能。

3.3 關(guān)鍵參數(shù)控制

3.3.1 溫濕度

考慮水性涂料具有較高的含水量，因此在油性漆切換水性漆改造設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)重視加強(qiáng)噴房環(huán)境溫濕度的控制。以金屬件外觀質(zhì)量為基礎(chǔ)，在溫度恒定時，溫度高對涂膜外觀有利。同理，相對濕度一定時，溫度越低越有利，因為在溫度低、相對濕度高時，水分揮發(fā)速度慢，可保證涂料充分流平。另外，由于外界溫濕度對噴房的相對濕度有較大的影響，如在雨季和旱季時，相同設(shè)備、相同參數(shù)，噴房實際相對濕度也會有差異，表現(xiàn)為雨季較高，旱季較低。為降低外界溫濕度的影響，可將噴房溫濕度設(shè)定在施工窗口中間值，并及時根據(jù)季節(jié)變化調(diào)整閃干室新鮮風(fēng)的取風(fēng)口位置。

3.3.2 閃干時間

在水性漆進(jìn)入到閃干室之前，應(yīng)保證有足夠的閃干時間，以防出現(xiàn)漆泡、針孔等問題，同時可提升漆膜外觀平整度。但也不宜保持較長的閃干時間，因為長時間會使水性漆失去光澤。對此，一般是將涂膜閃干的時間控制在5 min 左右。另外，考慮水性漆的水分含量較高，流平性交溶劑較差，在選擇噴涂工藝時盡可能地選擇一站式噴涂，通過增加單層厚度來保證良好的流平性。

3.3.3 潔凈度

噴房的潔凈度直接影響金屬件表面臟點顆粒數(shù)。應(yīng)以高潔凈區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行噴房建設(shè)，并有效控制噴房的潔凈度。首先，可通過循環(huán)風(fēng)過濾系統(tǒng)維持噴房的潔凈度，將風(fēng)速控制在0.2～0.5 m/s，并定期更換過濾棉。其次，控制開門次數(shù)，因為污染物大部分是通過人員帶入，因此需要控制水性漆噴涂時人員進(jìn)入噴房次數(shù)，可在門上安裝光電傳感器，自動形成報表記錄的形式進(jìn)行管控。再者，可增設(shè)機(jī)器人專用噴涂程序，在人員進(jìn)入后、噴車前自動噴涂，利用漆的黏附作用快速去除污染物。

4 技術(shù)改造效果分析

按照上述改造方案對金屬件涂裝線進(jìn)行油性漆切換水性漆技術(shù)改造，在改造后運行使用的1年內(nèi)，未出現(xiàn)有嚴(yán)重故障，整個涂裝線運行穩(wěn)定，且金屬件噴涂質(zhì)量達(dá)標(biāo)。同時，通過VOCs 在線監(jiān)測系統(tǒng)對改造后的涂裝線排放物進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明，系統(tǒng)改造后的排放物均滿足《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16297-2018）的要求。監(jiān)測結(jié)果見表2 所示。

表2 系統(tǒng)改造后各排放物監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

綜上，由于油性漆具有較大的危害性，而水性漆具有綠色環(huán)保、安全節(jié)能的特點，因此廣泛應(yīng)用水性漆是未來涂裝行業(yè)發(fā)展的趨勢之一。文章以金屬件涂裝線為研究基礎(chǔ)，具體闡述了油漆線切換水性漆技術(shù)改造的方法和措施，希望能為相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)制造提供一定的參考和借鑒。