汽车涂装节能环保新技术点滴

汽车涂装节能环保新技术点滴涂装工程所曲银燕郭磊摘要国内外汽车涂装技术不断取得进展，本文就汽车涂装工艺、涂装设备节能方面的情况作点滴介绍。关键词汽车涂装、节能、环境保护目前国内汽车生产存在供大于求的问题，市场竞争十分激烈。汽车制造商、设备和原材料等的供应商为了提高产品的竞争力，在涂装方面主要集中在两方面——一方面提高表面的装饰性，提高防腐能力和更好地保护环境方面进行努力，另一方面采用节能技术、降低运行费用，降低生产成本。为此不断采用各种新技术，新材料。本文将就涂装工艺、涂装设备节能环保方面的一些新发展，谈谈自己的点滴见解。一.涂装工艺1前处理1.1前处理磷化时间缩短：我们常规是按保证昀大工件顶部中点磷化时间150秒设计,汉高公司确认保证工件顶部中点磷化时间有120秒即可，通用设计要求就是120秒，日本帕卡公司新近研究的磷化液的磷化时间是60~72s,这样磷化槽体积减小，与之相应的一次性投资和运行费降低。1.2前处理温度低温化：日本帕卡公司新近研究的并已开始在日本应用脱脂工序40℃,磷化工序35℃.1.3前处理实现”O”排放（3R化）：开发出以抑制发生为目的的降低废弃物生成量的药剂（Reduce）:主要有无P生物分解型脱脂剂来减少P成分的排放液；液体新型表面调整剂可对被带入的脱脂剂成分的耐久性增强,即使降低表调工序自动更新排水和前段的脱脂水洗的排水量也能维持性能；以降低残渣量的低温低渣型磷化药剂。开发针对前处理的废弃物重复利用（Recycle,Re-use）技术：磷化残渣作为瓷砖的原料烧制成瓷砖；磷化水洗排放水中和处理后的残渣可作为磷化原料再利用。2电泳电泳漆正迅速由传统的有铅有锡向有铅无锡和无铅无锡等低VOC方向转化。以符合日益提高的环保要求。对低烘烤温度（130℃~150℃）电泳漆的研究和开发不但节约了能源，也为车身混合底材尤其是塑料件的大量采用创造了条件。对低加热减量电泳漆，减少废气产生及环保又节能。双层电泳漆技术已被开发出来，这种汽第一层为黑色导电电泳，第二层电泳取代原中涂漆。该工艺简化了工艺，提高了油漆的利用率，VOC的排放也进一步降低。另一种新的涂装工艺是在预处理后，在车身外表直接喷粉，然后再电泳，以加强内腔防腐，然后再喷面漆就行了。这种工艺中所喷的粉为聚脂树脂，喷粉后膜厚可达70um以上，可以省去中涂，并大大增强了防腐蚀能力和抗石击能力，同时可节省约60%的电泳漆。开发封闭的涂装体系可使资源浪费和环境污染都降到昀低。如电泳漆经超滤水冲洗后，仍有1%左右的固体份流失，现再增加一道反渗透，以回收电泳漆，可以将电泳漆的流失降到零。3密封胶采用免单独烘干的密封胶、PVC底涂材料,这种工艺取消了PVC烘干，从而节约了一台PVC底涂烘炉，节省了一次性投资和能耗，该工艺已大量应用在国内各大汽车厂。尽管免单独烘干的密封胶、PVC底涂材料价格比常规工艺需要单独烘干的材料单价要高，但我们对几家密封胶PVC底涂材料供应商做了对比，比较后使用新涂胶工艺比常规工艺单台成本要低。见下表：单台材料价格对比表：（元）供应商上海依多科汉高盛意价格元/Kg2817.515.6用量Kg2.62.62.6材料价格元72.845.540.56能源消耗元08080设备折算元02020密封胶小计元72.8145.5140.56PVC价格元/Kg281713.8用量Kg888材料价格元72.845.540.56能源消耗元08080设备折算元02020底涂小计元224236350合计296.8381.5350.964中涂粉末中涂具有良好的附着力和流平性，VOC排放几乎是零。但与溶剂型及水性中涂相比，它需要较高的膜厚和烘烤温度，因而成本较高，由于技术方面的原因，目前粉末中涂在颜色方面还有较多的局限性。中涂、面漆和清漆的湿碰湿工艺正在被福特采用。沈阳海狮、南京福特采用的就是此工艺。与传统的中涂喷涂、烘干，面漆和清漆喷涂、烘干工艺不同，这种工艺取消了中涂烘干，从而节约了一台中涂烘炉、减少了能耗和中涂打磨人工成本。该工艺选择对中低档汽车涂装较适用。5面涂工艺已经成熟的低VOC排放的水性漆（VOC排放为10g/m2）已被越来越多的汽车厂所采用。无中涂工艺已在德国大众试运行。该工艺直接在电泳漆上喷涂面漆和清漆。中涂喷房、涂装设备、能源、人员等不再需要，大大节约成本。每台车可节约油漆1.2kg6清漆成熟的工艺和较低成本的双组份溶剂型清漆仍是国内外各大汽车厂使用昀广泛的油漆，由于高固体份的溶剂型清漆仍有较高的VOC排放而不利环保，所以水性清漆和粉末清漆也逐步被一些油漆厂采用。附表1是几家国际汽车制造商所用电泳、中涂、色漆、清漆的状况。从表中不难看出，环保是国外大汽车制造厂商逐步采用地VOC排放涂料昀大的动力。表1国外主要汽车厂各涂层所采用的技术产技术汽车厂商目的品宝马戴姆勒-克莱斯勒GM福特丰田雷诺日产本田大众无铅MMMMMMMM环保无重金属RR/nnRRR/nnM将来的环保要求低烘烤技术（130℃）nnnnnnnR塑料件车身一体喷涂电泳双层电泳技术nR/RnnnRnn简化工艺/节约成本溶剂型nnnRnMnR成本/施工性水性AA/MRMMRMM低VOC排放/颜色粉末nn/RMnnnnn低VOC排放/高利用率溶剂型湿碰湿工艺nnnRnnnR简化工艺/节约成本中涂水性湿碰湿工艺nR/nnRMRMR简化工艺/节约成本溶剂型nRRRRnn面漆水性AA/AMMMMAA单组份溶剂型nn/RRMRMMR双组份溶剂型RM/RRRR/MnnM超高固体份溶剂型nn/RRRRRRn水性NR/nRnnnnR清漆粉末Mn/RRRRnnnA___全部的M___主导的R____非主导的n____未采用二、涂装设备1ESTA+ESTA金属漆自动喷涂系统目前一般轿车面漆自动喷涂系统都采用高压静电旋杯+往复式喷枪+高压静电旋杯的方式进行喷涂。使用往复式空气喷枪的目的是为了使金属漆的颗粒产生无序排列，以形成不同的光学效果。昀新的发展是用改进了结构的旋杯代替了喷枪，达到了同样的目的，油漆的利用率却可以从50%提高到80%。新的旋杯直径比普通的要大，转速达75000r/min,成型空气的流量为800l/min,普通旋杯20000~50000r/min成型空气的流量为100~150l/min,可以使雾化后的含铝粉漆粒更小，可以得到预期喷涂相似的闪光效果。ESTA/ESTA金属漆自动喷涂系统已被福特公司用于降低色漆单耗并提高一次报交合格率。与传统的ESTA/气喷涂工艺相比，新工艺的采用可以使每台车的油漆用量降低0.7kg,一次报交合格率提高2~4%。2涂装机器人已代替自动喷涂机10多年前，经济规模的年产20～30万辆的车身中涂喷涂线和年产12～15万辆的面漆喷涂线装备的自动静电喷涂设备以9个高速旋杯静电喷涂站（ESTA，由往复式的侧喷机和顶喷机组成）为主体。随着机器人和电控技术的进步与发展，智能化程度在不断提高，人们成功开发了小型轻量化的高转速杯式静电喷枪，现已形成由3～4台机器人组成的ESTA替代9杯静电喷涂站的局面，主要得益于机器人喷涂机的如下优点：①涂装效率高，3台机器人就能承担9杯的ESTA的喷涂任务；②适用于多品种混流生产和中、小产量的车身涂装线；③投资小、运转成本低，由3台机器人组成的3杯ESTA除电力增大2.7倍外，压缩空气和清洗溶剂消耗量、维修工作量仅为9杯往复式喷涂站ESTA的35%左右。④机器人柔性好，灵活性强，安装维护方便，由于车体顶无横梁、喷涂路径灵活、提高了关键部位的喷涂的可控性，因此，喷吐质量也有所提高。⑤机器人喷涂机涂装轨迹的自由度和再现性都很高，其涂装效率不仅受喷涂间距影响，而且还受与重涂间隔和喷幅有关的喷涂机移动速度影响。我们可以通过做膜厚的模拟试验使这些因子昀优化，以设定对涂装效率昀适宜的涂装轨迹和涂装条件。对于自动静电喷涂站（ESTA）的机器人配置，一般认为，在保证生产纲领和喷涂质量的前提下，每站配置的机器人（喷杯）越少越好，以降低投资、运转成本和维护工作量。机器人配置数量与该站需喷涂面积、干涂膜厚度、生产节拍（喷涂时间）、喷杯特性（如喷杯的出漆量、喷幅、转速、整形空气喷射量）、静电压和涂装效率等有关，可通过如下公式进行计算：1）涂装耗漆量（即每台车身或每站的涂料喷涂量）Q=S×δ/(T×NV)式中：Q——耗漆量（ml/台）；S——该站（或车身）喷涂面积（m2）；δ——干涂膜厚度（mm）；T——涂装效率（T、E），一般取80%～85%，昀高可达94%；NV——施工粘度下的涂料固体份。例如，车身外表静电喷涂面积为10m2，中涂或本色面漆（含罩光清漆）的喷涂膜厚度为35～40mm，施工粘度下的固体份为45%，则Q=10×35/(0.85×0.45)=915ml/台2）机器人（喷杯）配置数：当车身的生产节拍为1.7min/台，每站选用3台机器人即可，计算方法如下：n400=Q/(m×t×K)=915/(400×1.5×0.6)=2.54台；n350=Q/(m×t×K)=915/(350×1.5×0.6)=2.90台。式中：n——机器人数量（台）；Q——车身在该站的喷涂漆量（ml/台）；m——台（喷杯）的出漆量（ml/min）(与喷杯的特性有关，有400ml/min和350ml/min)；t——喷涂时间（min），即为车身的生产节拍扣除换色清洗时间或两台车身间的停喷时间（一般扣除换色时间0.2min）；K——修正系数，受喷枪移动速度和喷幅等因素影响，配置喷杯数越多，K值越小，一般取0.6。在静电喷涂过程中，喷枪移动速度过快会影响静电喷涂效果，一般应控制在0.6m/s以内。为达到较好的金属闪光效果，应用金属底色漆（BC）的静电喷涂一般分两遍薄喷（干膜厚15～20mm）：第一遍（BC-1）采用杯式静电喷涂，第二遍（BC-2）采用机械手空气喷涂。为提高材料利用率，BC-2也采用旋杯式静电喷涂，人们开发成功了BC-2专用的杯式静电喷枪，其特点是喷枪移动速度快、整形气压高、气量大、重喷次数多（达7次）等。⑥悬挂轨道式喷涂机器人是理想的车体外表面喷涂机器人，设计提供了高性能、高耐久性、柔性化、操作简便和少维护的完美组合，这个系统在提高运行效率和工件外部的喷涂质量上取得了成功，与前一代产品相比，也显著减少了外部涂装系统的投资成本和生产运行费用。目前，在国内新建的大型汽车涂装线上已开始得到推广应用。3喷漆室供风采用部分循环风和部分新风喷漆室供风采用80~95%循环风和5~20%新风、在正常的喷漆状态下，通过三级过滤器对其排出部分废气的进行再循环和部分的新鲜空气混风后送入喷房。国内在汽车零部件涂装线已较多的采用，但整车厂的喷房循环风应用是否符合国家安全卫生条例还需要进一步论证。4烘炉废气经RTO后热量回收用于新鲜空气加热补充烘炉的新鲜空气一般加热后再送入烘炉出入口这样一方面避免冷凝现象另一方面减少炉内热气外溢,补充烘炉的新鲜空气经RTO排放的尾气（~200℃）热交换送到烘炉出入口。热量回收，省掉一套燃烧装置。重庆长安、重庆长安福特采用了这种方式。三结束语上述工业涂装的节能和环保技术在国外大都是成熟技术，全面采用这些技术，将能大大减少投资和降低涂装成本。今后随着涂装工艺的简化、水性漆及粉末涂料等环保涂料的使用，节能省资源环保技术和设备应用，我国的汽车涂装技术水平将整体达到世界先进水平。参考文献张小军，《旋转浸渍输送和机器人喷涂技术》，汽车制造业，2004/7