传统溶剂型涂装生产线水性化改造研究.pdf

涂装工艺 COATING PROCESS传统溶剂型涂装生产线水性化改造研究冯日华，章军，操金明，陈曼曼，孔飞（中国汽车工业工程有限公司，天津 300113）Coating Process Shifting from Traditional Solvent-Based to Waterborne Technology摘要：目前国内老的涂装生产线大多采用溶剂型中涂和色漆，无法满足新的环保要求。鉴于新建涂装生产线的大幅投入，将传统溶剂型生产线改为VOC排放量约为溶剂型1/3的水性生产线成为目前改造的有效应对方案及解决措施，同时根据新工艺、新材料对工艺流程、布局规划、陈旧设备进行系统升级改造，利旧翻新达到既减少投资又满足环保要求。本文对水性化改造的工艺方案选择、涉及到的改造内容、改造方案进行了分析和阐述。关键词：水性化改造；工艺选择；涂装工艺中图分类号：TQ639文献标识码：A文章编号：2096-8639(2023)09-0016-04Feng Rihua，Zhang Jun，Cao Jinming,Chen Manman,Kong Fei(Automotive Engineering Corporation,Tianjin 300113,China)0 引言随着我国环保法律法规的日趋完善和严格、汽车生产商保护环境和有效利用资源的意识的提高、水性漆本土化生产价格壁垒的消失，传统溶剂型涂装生产线水性化改造成为目前整车厂一步到位达到环保要求的优选方案。1 传统溶剂型涂装生产线水性化改造工艺方案的选择传统型溶剂涂装生产线一般都采用 3C2B 工艺，实现水性化改造既可以简单地在原有工艺上进行水性漆改造，即将溶剂型中涂、色漆更换为水性漆，也可以在现有基础上进行工艺改进，更改为 3C1B 或者Abstract:Currently most of automobile paint shops that have already been built up usesolvent-based primer and basecoat material,which can t meet new environmental requirements.Due to the huge investment for constructing a new paint shop,the transformation of traditionalsolvent-based paint shop to waterborne paint shop which might reduce 2/3 VOCs emissionis an effective solution and better choice.Meanwhile,the systematic transformation and update ofproduction flow,layout and equipment based on new process and material can reduce investmentand also meet environmental requirement.The technological selection and equipment modificationfor waterborne coating process is introduced.Keywords：waterbornecoatingprocesstransformation;processselection;coatingprocess涂层与防护第44卷第9期2023年9月Vol.44 No.9Sept.2023COATING AND PROTECTION16涂装工艺 COATING PROCESSB1B2工艺，进一步降低VOC排放量。其中，3C1B 工艺中涂后取消了中涂打磨，但需要热闪干和强制冷，对钢板底材和电泳涂层表面质量要求比传统工艺略高，主要在日产、本田、铃木、丰田、通用、福特等主机厂广泛使用。而B1B2工艺取消了中涂打磨及中涂热流平工序，需要有单独的B1对应B2的敏感色，对钢板底材和电泳涂层表面质量要求高，对电泳打磨要求较高，不能有较深的打磨痕，主要在大众、宝马、雪铁龙等欧系车企广泛使用。保守估计在不改变工艺的前提下，停产改造周期需要1个月左右。若改造成3C1B或者B1B2工艺，改造时间还要相应延长。老的传统溶剂型生产线的水性化改造，既不能盲目求全求新，也不能固步自封，需要根据现有涂装线的平面布置、管理水平，在评估改造难度、改造周期、材料成本、质量管控难度、改造后成本回收周期等各方面要素之后，选择合适的工艺方案。2 非标设备改造内容及方案水性涂料具有以下特性：（1）水的表面张力比有机溶剂高，喷涂到车身上之后产生缩孔的风险大；（2）水的蒸发焓为 2 257 kJ/kg，是常用溶剂（如醋酸丁酯为309 kJ/kg）的数倍，常温下从漆膜中去除速度慢，容易导致针孔等缺陷，因此在喷涂清漆前需要低温烘烤脱水；（3）水的蒸发速度受喷房送风的相对湿度影响大，要求送风空调温湿度波动范围小；（4）常用的碳钢、镀锌板等材料接触水后容易生锈，缩短使用寿命；（5）水性涂料具有导电性，传统溶剂的静电喷涂设备无法使用；（6）黏度高，循环系统负荷大，漆雾雾化难度大。鉴于以上特性的影响1，水性漆的喷涂对涂装设备提出了不同与溶剂型漆的需求。因此需要对以下设备进行改造。2.1 喷漆室的改造喷漆室的改造要最大限度地利用原有文丘水床及送排风管路，避免新建文丘水床。否则喷漆室基础、地下风道需要重建，对工期的影响较大。溶剂型喷漆室采用镀锌钢板，改为水性漆时，需要将中面涂喷漆室体室体、均压室室体拆除，更换为 304 不锈钢材质的室体骨架、和壁板等。也可以采用低成本的方案，维持原有室体骨架和镀锌壁板不动，在裸露的碳钢表面覆盖不锈钢板或者刷涂防腐涂料。2.2 中涂烘干室改造对于溶剂型3C2B工艺而言，中涂烘干时间30 min即可满足要求，改用水性漆后由于水性漆挥发潜热高，所以中涂烘干炉要增加约 5 min 的预烘干用以脱除水分。若中涂喷漆后在保证足够流平的时间基础上还有位置，可以考虑在流平段增加预烘干。但目前老的溶剂型涂装线大多没有足够的空间来延长烘干炉的长度，这也是老厂改造的痛点与难点。鉴于此，有些厂在改造的时候维持了中涂溶剂型漆，仅进行了色漆的水洗化改造。若改为 3C1B 或 B1B2 工艺，如果线路上可以实现涂胶后到中涂烘干炉的连通，则可以将中涂烘干炉改造为胶烘干炉，炉膛还利用中涂炉膛，只需将加热单元和废气处理管路做改造即可实现。2.3 空调系统改造相比溶剂型漆的温度（255）、相对湿度（7010）%的喷涂环境要求，水性漆的喷涂需要在温度（232）、相对湿度（655）的恒定温湿度条件下进行，使得其空调送风装置需要有精确的控温控湿系统。因此需要对空调进行升级改造，增加相应的功能段，保证恒温恒湿的喷涂环境，如图 1 所示。若原有空调内部没有预留位置，空调需要重建，则需要考虑空调平台的大小是否满足新建空调的位置要求。若位置不够，可根据风管的布置和送风区域的重要性，考虑把车间或工作区空调移位。若厂房宽度上有足够的空间，可以走循环风管，原空调内部也没有预留表冷段、加湿段及二次加热功能段需要新建，内外喷也均为机器人喷涂，建议采用循环风，进一步降低能耗。2.4 增加面漆预烘干和冷却溶剂型漆的色漆和清漆之间的流平3 min左右即可满足要求，但水性漆挥发潜热是普通溶剂类的 6 倍以上，则需要借助加热烘烤来达到脱水率的要求。实验证明，通过预烘干后，色漆的固体份在 85%以上才没有质量问题，因此需要在面漆后、清漆前增加预烘干和冷却功能段，而此预烘干室因地面限制而成为技改的难点。可适当缩短色漆的补漆段长度，加长原有冯日华，等：传统溶剂型涂装生产线水性化改造研究17涂装工艺 COATING PROCESS流平段长度，采用滚床变节距按照节拍运行达到热闪干时间要求，也可以采用在喷漆室原有流平段外侧一去一回平行布置热烘干炉。若改为水性 3C1B 工艺，则中涂和色漆之间也需要增加中涂预烘干和冷却。2.5 机器人系统的改造因为水具有导电性，溶剂型所使用的静电涂装机无法使用在水性涂料上，需要更换为水性用旋杯。因此，机器人的改造包括以下几个部分：旋杯的更换；旋杯本体密封件更换；控制系统程序改造；人机界面程序改造；喷涂参数调整；中、面涂段涂料管路、快速接头更换；中、面涂段机器人系统示教、调试，包括所有的颜色及车型。另外由于传统溶剂型生产线内喷大多采用人工喷涂，随着人工成本的升高和内喷机器人的普及使用，建议利用改造停产的时机，将人工内部喷涂改为机器人喷涂，一劳永逸，提高生产线的自动化、智能化水平。2.6 输调漆的改造由于水性漆的碱性、高施工黏度、剪切力高时稳定性差等特性，所以老的溶剂型生产线输调漆水性化需要做如下改造：所有管路系统材质采用 SUS316；所有部件，例如隔膜泵、过滤器、稳压器、背压阀等更换为符合水性漆生产的要求；新建管中管温控系统；新增水性漆清洗系统（纯水系统+溶剂系统）。2.7其他改造若将3C2B工艺改为3C1B或B1B2，还需要考虑颜色编组的位置、打磨室体的设置和排空区的数量是否满足新工艺的要求。采用水性漆后，由于某些地方性环保较高的VOC排放要求，例如，广东省规定自 2013 年 1 月 1 日起，VOCs 排放量限值不得超过 20 g/m2，即使完成水性漆改造仍不达标的还需要新上转轮浓缩处理设备对喷漆废气进行浓缩后焚烧处理。如果预算足够，也可以进行设备的改造升级，例如增加水性漆废溶剂回收系统，将原有的湿式喷漆室改为干式喷漆室2，增加闪干除湿转轮等提升产品质量、提高经济效益和减低运行费用的措施。3 公用系统改造3.1 制冷系统的改造溶剂型漆改为水性漆，热闪干和空调都需要增加冷冻水用量，其中水性漆空调制冷系统是设备能源消耗的大户，根据各地气候条件的不同，所需要的制冷量也差别较大。应该根据项目的用冷量，制冷站的预留情况综合考虑选择制冷机组的形式。一般而言，风冷机组无需机房，无需安装冷却塔和泵房，维护费用低，但其制冷效率低；而水性机组需要专门的机房和安装冷却塔，全年可稳定运行，制冷效率高。初期投资大，维护费用高，二者各有利弊，需综合考量。3.2 纯水改造空调新增喷淋加湿段需要增加空调加湿给水（RO1）；水性漆需要纯水（RO2）调漆和清洗设备等，若核算现有纯水站可以满足用水量要求，则仅仅增加管图1 水性漆空调功能段示意图Fig.1 Modification of air conditioner for waterborne coating process冯日华，等：传统溶剂型涂装生产线水性化改造研究18涂装工艺 COATING PROCESS路即可，否则纯水站需要改造以加大制水能力。3.3 压缩空气改造若新增机器人，还需核算车间现有的空压站是否能满足新增机器人的压缩空气需求，否则需要新增空气压缩机、干燥机及除油除水等过滤装置。3.4 其他公用系统新增或原有消防系统改造；增加热闪干天然气管路；空调二次加热热源和管路增加；电力供应系统改造及增加。4 设计及施工过程中的注意事项设计过程中要充分收集土建公用图纸，厂区动力管道平面布置图，最大限度地了解现场及周边的布置；收集业主自行改造、局部变更的图纸；深入现场，对物流通道、现场设备运行状况、改造可行性进行勘察、测绘，如有必要进行现场设计。施工过程中应注意以下 3 个防火高风险点的作业安全。4.1油漆系统排空、清洗施工前制定安全有效的清洗方案，并确认消防系统功能完好有效；施工过程中使用氮气吹扫（严禁使用压缩空气）；，现场保证供排风运行；使用便携式可燃气体进行不间断检测；排空、清洗和排料过程中储漆缸和转移桶进行等电位连接；外运车辆注意静电检测和释放；现场配备充足的化学品泄漏应急物资。4.2油漆系统拆除油漆系统拆除过程中要保证现场供排风运行；使用便携式可燃气体进行不间断检测；清洗完毕后24 h后检测可燃气体浓度合格后（低于爆炸下限的 25%）方可进行作业；拆卸作业只允许使用割刀和手动液压剪进行作业；严禁使用角磨机等产生火花的工具进行作业，防泄漏物资准备充分（胶带、吸附棉、抹布、防爆垃圾桶、塑料布）；拆除水平管路时，先对端部进行包扎防护，避免溢漏，拆除设备即拆即清出车间，严禁在车间堆放。4.3喷房拆除喷房拆除前需要使用高压清洗机对喷房网格板、钢梁、机运钢架、文丘里水房及气水分离房进行除渣清理，清理后露出的原金属层无漆块、漆渣；文丘里水床作业前需要将水床注满水，使用防火布将文丘里封闭，上部再使用2 mm钢扣板折弯后防护；文丘里排风管风阀拆除，风管使用镀锌钢板+橡胶密封条进行密封隔断；检查确认喷房内漆渣清理合格后方可进行拆卸操作；物流通道上的设备先拆除，以方便后续设备的运输；施工中禁止立体交叉作业。5 结语生产线水性化改造是一项复杂的工程，涉及到的专业多、空间广、时间短。但随着我国环保法律法规的日趋完善和严格、汽车生产商保护环境和有效利用资源的意识的提高，以胶水性漆本土化生产、价格壁垒的消失，传统溶剂型涂装生产线水性化改造既是目前整车厂一步到位达到环保要求的优选方案，也是目前老生产线减排的主要出路和有效方法。参考文献1武京斌，梁健.涂装车间的水性化改造探讨和实践J.涂料工业，2015,45(9):79-82.2冯日华，高广亮，曲银燕，等.新能源汽车涂装工艺及生产线涉及与规划J.涂层与防护，2019,40（6）：29-34.冯日华，等：传统溶剂型涂装生产线水性化改造研究（上接第15页）例，论述了水性免中涂工艺桔皮的影响因素及控制措施，对桔皮的质量控制具有指导意义，可为新建的轻卡水性免中涂涂装线提供技术参考。参考文献1赵意华.漆膜桔皮防治J.汽车工艺与材料,2009（3）：28-35.2 陈进伟.水性汽车漆表面缺陷的消除J.上海涂料,2008，46（3）：35-38.19