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1、机械制造领域涂装节能减排新工艺 新技术概述 机械制造领域涂装节能减排 新工艺 新技术概述 马春庆1 张冰冰1 张雷雷1 赵宝刚1 （第一拖拉机股份有限公司工艺材料研究所，河南洛阳 471004） 摘 要：随着中国经济的快速发展，环境污染越来越严重。为了节能减排，最近以汽车制造为代表的涂装新工艺、新技术应用发展非常快，本文以汽车涂装为例对机械制造领域的涂装新工艺、新技术进行了简单介绍。 关键词：涂装 新工艺 新技术 一、前言 我国现在已经成为世界第一大机械制造国，以汽车为例，2009年我国汽车产量为1379.10万辆，成为世界第一汽车生产大国，2014年我国累计生产汽车2372.29万辆，同比增
2、长7.3%，销售汽车2349.19万辆，同比增长6.9%，产销量保持世界第一。 涂装作为汽车等机械制造的四大生产工艺（零件冲压工艺、焊装工艺、涂装工艺和总成装配工艺）之一，是机械制造过程中的耗能大户，又是最大的污染源。随着国家对环保要求的日益提升、原材料涨价和市场竞争激烈，促使涂装工艺技术要不断创新。 21世纪涂装的主题： “绿色环保、节能减排、清洁生产、降低成本” 具体目标： 1、工艺流程紧凑化、精益化，低投入、低运行成本、高产出。 2、管理上水平，质量稳定可靠，提高一次合格率。 3、提高提高能效、资源利用率、减少CO2 排出。 4、环保达标（低VOC化、低碳化、无害化）。 5、绿色涂装：“
3、优质高产、低成本、少公害”（或“节能、降耗、减污、增效”清洁生产。 机械制造业涂装的目标要兼顾高品质、商业价值、经济性、环境友好性等四个方面（参见图1）。 图1 涂装工艺技术发展目标 按生命周期分析法：工业涂层的耗能和CO2发生量主要在涂装过程中（参见表1）。 汽车涂装耗能最大，在生命周期中涂装排出CO2比率大（70），其原因： 多涂层体系、环境条件（空调）要求高，烘干次数多。 过去，人们不把CO2当作有害气体，现今温室气体要限排。为保护人类的生存环境和可持续发展，联合国会议要求各国制定节能减排（削减CO2排放量）的目标值。 汽车涂装往往代表了机械制造领域涂装的最高水平。下面以汽车涂装为例，对
4、机械制造领域近年来涂装的新工艺、新技术加以概述。 二、涂装耗能现状、国内外的差距 汽车涂装车间是汽车制造业的耗能大户。 德国杜尔公司：汽车涂装能耗占汽车生产总能耗的70，零部件制造 占19，装配占11。 意大利GEICO公司：涂装车间的能耗占整个汽车生产70电能和80 的热能。每辆汽车涂装产生CO2235kg/台。 日本大气社：2000年报导年产24万台轿车车身的涂装车间，年排出 CO24万多吨，每台车身涂装产生CO2169.6kg/台（参见图2、表2）。 我国已向世界承诺至2020年将单位GDPCO2排放量在2005年基础上减少45。目前单位GDP的耗能量，我国是日本的5.5倍，美国的2.3
5、5倍。 综上所述：汽车车身涂装CO2产生量（kgCO2/台）也是日本的25倍，这也说明我们节能减排潜力巨大。 换句话说：我国现已是世界第一的汽车生产大国，2014年产2372万辆，涂装所耗能量在日本可涂装470010000万辆汽车，也就是说我国汽车工业大而不强的原因之一。 三、新的节能减排工艺技术 针对工业涂装能耗（电能和热能）的特点，必须从涂装工艺、涂装设备、涂装管理三大要素出发，实现汽车涂装生产的合理用能，降低生产成本，减少环境负荷，以实现涂装线的节能。近年来，国外汽车厂、涂装材料厂和涂装工程公司联合攻关，开发应用许多绿色涂装材料，新的涂装工艺技术、新涂装设备及装置，节能减排的技术措施可归
6、纳为： （1）削减能耗技术，提高能源的有效利用率 （2）回收再生，综合利用未被利用的热能和废热 （3）选用单位发生热量的CO2排出量小能源和技术（如热泵技术，参见图4）。 下面，从前处理、阴极电泳、中涂、面漆喷涂工艺、喷漆室和烘干室等五方面推荐、介绍已获得工业应用的新的涂装节能减排工艺技术。 3.1在涂装前处理工艺方面：磷化低温化、快速化、低渣化、采用新一代环保型涂装前处理工艺、预清洗逆工序补水法和滚浸式输送机等。 （1）磷化处理低温化、低渣化。现用的磷化工艺，过去采用Zn、Mn、Ni三元磷化液，通过改进采用液体表调剂，磷化温度由50下降到43，现今有些企业已经降为35以下，沉渣减少30%，处
7、理时间由180s70s，可有效节能和提高资源利用率。 （2）采用1新一代环保型无磷涂装前处理工艺(硅烷处理)替代现用的磷化工艺。表面处理工艺是最 具有发展潜力的一种，处理液中不含P、Zn、Ni、Mn、N02等有害物质；常温下处理，处理时间 短3090s，约为磷化处理时间的一半；薄膜(纳米级)、转化膜重量019mz(约为磷化膜重的120)、沉渣比磷化减少90左右或无渣，单耗大大降低；还具有简化工艺(取消表调和钝化工序)和适应多种底材(如冷轧钢板、镀锌钢板、铝材、铜合金等)共线处理的特点。（详见表4） 表4 两代涂装前处理工艺特性及成本对比 （3）预清洗逆工序补水法（如图5所示）：经23次水洗被清
8、洗件的清洁度1/100处理液浓度。即洗一次稀释10倍以上，排放清洗水的污染度控制为1/10处理液浓度；并可作为各处理液槽的补加水。与各槽都补水相比，可成倍地削减用水量（参见图6）。 （4）采用热泵技术，替代燃气锅炉或电加热。 热泵是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的装置。现在我国主要利用的热泵技术，按低位热源分为：水源（海水、污水、地下水、地表水等）热泵，地源（包括土壤、地下水）热泵，以及空气源热泵。 热泵可以从低温热源中提取热量用于供热。热泵的供热量远远大于它所消耗的机械能，所以说热泵技术是一种低温余热利用的节能技术。 （5）前处理、阴极电泳涂装线选用先进的滚浸式输送机。滚浸式输送
9、机的长处是：工艺性好，能使车身在浸渍处理过程中旋转360（或180），车身外表朝下，处理面积达100%，外表水平面的颗粒大幅度减少，带液量减少90%左右，设备长度较短，槽容积较小（参见表5和图7）。 3.2.在阴极电泳涂装方面：开发采用高和超高泳透力CED涂料，省搅拌型CED涂料、ED-RO清洗水再生法。 （1）高和超高泳透力CED涂料。第1、2代CED涂料的泳透力较低，要保证车身内腔表面的泳涂膜厚10m，外表面涂膜厚往往达2530m（按标准一般只需1822m），有的部位因泳涂时间长则更厚。这种超值膜厚，虽不是质量问题，但CED涂料耗量增大，涂装成本增高。采用新开发的第三代高或超高泳透力CED
10、涂料后，可削减CED涂料耗量20%左右（降低成本10%）。与延长电泳时间（3min延长至45min）来提高泳透力工艺措施相比，在节能减排和降低运行成本方面，采用高泳透力CED涂料占明显的优势。 （2）省搅拌型CED涂料。为防止沉淀和凝聚，电泳槽液无论作业时，还是停产时一般都需连续搅拌，还需配置备用电源。采用新开发的省搅拌型CED涂料，停产时和节假日可不搅拌或间歇式搅拌（最长可停搅拌10天），在生产前搅拌即可。可削减循环搅拌槽液的能耗，（在实际生产线上年耗电量削减85）不需配置备用电源。 （3）ED-RO清洗水再生法。最初用ED-RO装置由UF液制RO再生水，现今用来再生UF液清洗后的循环纯水洗
11、液（电导50s），RO水代替新鲜纯水（电导5s），浓缩液逆工序补给UF液洗工序。实现无排放的、闭合的电泳后清洗体系（参见图8）。 区段11.122.133.144.15 图8 闭合式阴极电泳及后冲洗工艺流程示意图 （4）精益优化CED工艺及设备设计（如电泳槽大小、极距、泳透力、后清洗工艺等方面。 （5）采用热泵技术替代制冷机组，回收热能。 3.3 中涂、面漆喷涂工艺的精益优化设计 （1）在保证质量的前提下，简化工艺（减少烘干工序）扩大“湿碰湿”（wet in wet）工艺技术的应用。 PVC车底涂料密封胶不单独烘干，与中涂或面漆一起烘干。 开发、选用新型中涂、底色漆（溶剂型或水性），推广采用“
12、三湿（3wet）”喷涂工艺：如3C1B和双底色工艺，免中涂工艺。“三湿”涂装工艺与传统的“3C2B”涂装工艺相比，取消了对中涂层进行打磨擦净的工序，降低了中涂材料消耗20左右；减少了中涂打磨、擦净、喷涂、烘干的涂装设备的投资和占地面积；提高生产效率、车间运行能耗减少1 520。 （2）静电喷涂技术 进入21世纪以来，随机器人和电控技术的进步，智能化程度的提高，小型轻量化的杯式静电喷枪开发成功，机器人（Robot）静电喷涂机已淘汰了往复式自动静电喷涂机(ESTA)。两者相比，机器人喷涂机的优点是：涂装效率高，34台机器人就能承担由侧喷机和顶喷涂机组成的车身用9杯ESTA的喷涂任务；适用于多品种的
13、柔性化生产；压缩空气和清洗溶剂，维修工作量仅为9杯的ESTA的35%左右，涂装效率高（参见图9），运行成本低。 机器人静电喷涂的喷涂质量优，且稳定，可在线外按最佳的喷涂程序及参数示教，能克服人的因素带来的喷涂质量问题，实现喷涂全自动化（无人化）。 图9 Robot和ESTA两种静电自动杯式静电喷涂机的喷涂轨迹涂和涂装效率 3.4在喷漆室方面：现今汽车车身用的大型喷漆室一般都是一次性供州风。不循环再利用或少量 (20左右)循环利用，因而在夏季(冷却)、冬季(加热升温)耗能很大。尤其在喷涂有机溶剂型涂料场合，排气除净漆雾后仍有一定VOC，一次性排向室外。为创造良好的喷涂作业环境，确保作业区截面的风
14、速；供、排气风量都很大。例如汽车车身用的内宽55m的喷漆室，自动静电喷涂作业区段(风速为O3ms)和手工喷涂作业工段(风速为O405ms)每小时供、排风量分别为6000m3h和80001 0000m3h。冬季北方地区气候在O以下(甚至-20至-30)，南方夏天气候常在35以上，要保空调供风温度在25左右，则从厂房外抽取全部新鲜空气加温或冷却需消耗大量能源。喷漆室排气能直接循环利用则是最大的节能减排技术。可是必需清除掉排气中所带有的漆雾和控制排气中所含的VOC浓度。 为节能减排，已有喷涂水性涂料+干式漆雾捕集技术+喷漆室排风循环再利用等配套技术，喷漆室排风直接循环利用80以上，只需补充5一20的
15、新鲜空气。采用后节能1 0左右，降成本效果显著(可降低单车涂装成本1 0左右)。 （1）干式漆雾捕集装置替代湿式漆雾捕雾捕集装置。汽车车身喷涂线几十年一直采用水洗式漆雾捕集装置，它虽具有优良的捕集效率，但其致命的不足之处是耗水、耗化学药品，使漆雾成为危险物，且成倍地增量；污水及废弃物处理费用大增；在欧美汽车工业已有被干式漆雾捕集装置取代之势。 德国杜尔和艾斯曼公司近年分别推出干式漆雾捕集装置（Eco Dry Scrubber）和半干式静电漆雾捕集装置（ESCRUB)，（参见图10、11）。 图10 Eco Dry Scrubber 图11 ESCRUB （2）喷漆室排风循环再利用。现今汽车车身用的大型喷漆室一般都是一次性供/排风，不循环再利用或少量（20%左右）循环利用，因而在夏
