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
2、比增长 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
3、装： “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
4、。下面以汽车涂装为例，对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
5、位 GDP 的耗能量，我国是日本的 5.5 倍，美国的2.35 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
6、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
7、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 1 20)、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
8、）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
9、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
10、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 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
11、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
12、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“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
13、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
14、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 O 3ms)和手工喷涂作业工段(风速为O4 05ms)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 2
15、5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
16、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，因而在夏季（冷却） 、冬季（加热升温）耗能很大。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（参见图12、13） 。采用后节能和降成本效果显著（可降低单车涂装成本 10
17、%左右）。图 12 湿式和静电漆雾捕集（净化）装置的供/排风运行状况图 13 喷漆室供风的再循环流程（3）精心设计，尽力减少喷漆室的供、排风量。在工艺和设备设计中严控喷漆室的长度和宽度，以及风速。它们是决定喷漆室供、排风两的三要素，还有对喷漆室空调的温湿度和气流控制应充分探讨。选用节能型的配套件。选用高效率电机，灵活应用变频技术，随工况自动调节供、排风量。（4）在图 15 循环风空调器中采用热泵技术（加热、冷却同时使用） ，则削减 CO2 效果特别显著（ 68） 。3.5 在干燥（固化）设备方面：工业涂装用干燥（烘干）设备可分干燥水份和涂膜固化两种用途。（1）改进涂料的固化特性，实现涂膜固化低
18、温化、快速化，如：双组份涂料，可实现低温、快速固化；光固化涂料可实现光（可见光或紫外线）固化或 UV 与热双固化，并可使工件不升温。（2）烘干能源混合化和加热方式复合化。（3）精益优化设计。如加强隔热保温措施，烘干室紧凑化（尽量缩小烘干室容积，循环风管布置在烘干室内等） ；减少换热器（如 CED 底漆、中涂烘干采用燃气的烟道气直接加热）等。（4）开发采用热泵技术，提高能效，回收低温热能，削减 CO2 排放量。日本的第一台 CO2 热风热泵应用于变压器外壳的电泳、面漆涂装线上，供烘干室补充新鲜空气的预热（80120 ） ，冷水供电泳槽液调温，经使用显示：CO2 排放量削减 13液化气（LPG）使
19、用量削减 24降低运行成本 12（5）采用低温低湿空气干燥水份。如水性底色漆喷涂后罩光前干燥，使涂膜的 NV 达 85以上，常规采用吹热风（ 80、15g/kg）3min，随后吹冷风（20 ） ，1min 冷却到 35 。又如塑料件在前处理后的水份干燥（升温慢，冷却也慢） 。采用热泵技术吹低温（50 ）低湿（8g/kg）空气替代现水份干燥工艺，取消冷却工序，能大幅度削减 CO2 排放量。四.我国涂装工艺节能减排建议涂装材料、涂装工艺(含涂装设备及器具)、涂装管理是涂装三要素，要想获得优良的涂装效果，必须选择符合产品涂层标准的涂装体系(良好的材料)、采用适当的涂装工艺(良好的设计)和充分的作业管
20、理( 良好的管理)。1发展环保型汽车用涂料随着我国环保意识和法规的加强，建议各大汽车公司等企业改造涂装生产线，采用环保型的涂装材料和自动化程度更高、涂着效果更好的涂装工艺。使涂装过程中产生的有害挥发性物质排放量达到环保要求，使用高固体份化、水性化和粉末化涂料。2推动涂装工艺及设备的不断创新我国目前的涂装工艺及设备总体相当于欧美 10 年前的水平，有些企业在新涂装线上采用了一些当今国际先进水平的新设备，但所占比重太少。为适应我国机械制造快速发展的要求，建议各公司不断的改良与创新涂装设备，一改过去加工零散所带来的不便，并针对产品结构与工艺更趋合理化和精湛化的需求。积极采用流水线生产方式，大大提高企
21、业生产效率的同时也提升了产品的内在质量和外在要求。3走专业化、社会化涂装管理之路涂装管理包括涂装材料的订货、材料质量控制和施工过程的控制等方面。由于机械涂装使用的材料品种繁多、在储运过程中易变质、工艺流程长、需要控制的参数多等原因，在机械涂装生产管理中其复杂程度最高。涂装工艺技术和涂装管理的最终目标是创建“零”涂装缺陷的汽车涂装线(或称绿化涂装车间，即 1 次合格率达到或接近 100的涂装线)系统工程的两个车轮。建议各大机械制造企业重视涂装管理，涂装材料的管理和现场监管也可委托材料供应厂商或专业公司来承包管理，IiPCPU(按每台合格车身的涂装价格)供货结算法，提高资源利用率，降低涂装成本。4
22、加大专业人才的培养目前，我国涂装行业发展的不利因素主要是专业人员的缺乏，人才培养速度与行业发展速度不匹配。在新的环保和节能技术要求下。建议各大汽车公司加强人员培训，提高员工的素质和技术熟练度。由专业队伍或委托专业公司来承包环境和设备保洁工作、废品(质量事故) 分析，建立严格的涂装质量考核制度(如建立 Audlt 检查评分站)和严肃工艺纪律。近年来，我国涂装工艺技术产生了质的飞跃，工艺水平和涂装质量已与国际接轨，其装备水平可称世界一流。可是在环保、节能减排和资源利用率方面与国外先进水平相比尚存在较大的差距，且发展不平衡，有的涂装线在 VOC 排放量、能耗（ CO2 排放量） 、耗水量等方面为先进水平的好几倍。应总结经验教训，不能再走“先生产、先污染、再治理”的路子，要打破“唯 GDP”的观念，树立有质量的（低碳、绿化和环保）的 GDP增长的观念。加强环保清洁生产宣传教育力度和执法力度，使企业领导和全民成为清洁生产的促进派，负起社会责任，人人都能自觉地遵守法规、去扶植和完善环保、节能减排技术的发展，造福子孙后代。
