金屬件涂裝線油性漆切換水性漆技術改造研究

應傳穩

（湖北三江航天涂裝設備工程有限公司，湖北武漢 430000）

0 引言

隨著可持續發展戰略的提出，國家大力倡導在工業生產領域，應遵循節能環保的理念，減少污染，針對工業污染源產生的廢水、廢氣和固體廢棄物，應在處理達標后排放。在金屬件涂裝線上，噴漆是一個重要的環節，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生較多的有害物質，不僅會污染環境，還會威脅人體健康。近年來，水性漆作為一種節能環保、綠色安全的清潔涂料，在我國各個行業領域中廣泛應用。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、價格低、滲透性好、涂刷性好。油性漆也有其突出的缺點，主要表現為含有強烈的刺激性氣味，氣體中含有大量的有害物質，這些有害物質包括揮發性有機化合物、甲醇、苯類、鹵代烴、重金屬、游離二異氰酸酯單體等，主要為揮發性有機化合物。而這些揮發物會危害人體健康，對人體皮膚和呼吸道產生刺激作用，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體的免疫力，從而對人體的消化系統、神經系統及造血功能等有嚴重的負面影響。

目前油漆的使用已經深入人心，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，消費者會認為這個時候油漆已經沒有毒性了，其實不然，沒有刺激性氣味只是甲醛揮發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，要想完全揮發干凈，至少需要幾十年的時間，而這些揮發性物質對人體的健康是有較大的影響。

1.2 水性漆

隨著環保政策施壓，消費者環保意識增強，現如今出現了一種新的涂料，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。水性漆是以水為介質，成分主要包括溶劑、樹脂、顏料、添加劑等，有機溶劑較低，約在5%～15%之間。凡是以水為主要溶劑或分散介質的涂料，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、水性鋼構漆這幾種；若按照其化學成分，水性漆可分為有機硅水性漆、丙烯酸樹脂涂料、水性聚氨酯涂料、環氧樹脂涂料、無機水性涂料這5 類。

水性漆是一種節能環保、綠色安全的涂料，相比油性漆具有諸多優勢：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。而傳統油性漆中的有機溶劑，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溶劑揮發至空氣中，造成大量資源的浪費。其二，揮發性有機化合物較少。據統計，油性漆揮發至大氣中的有機溶劑約為涂料量的50%～80%，且這些揮發性有機物可能會使人中毒甚至致癌。而水性漆涂裝時揮發的有機溶劑較少，可達到規定的排放要求，從而避免了對環境的污染。其三，穩定性好。水性金屬漆中使用的水性丙烯酸樹脂，具有較強的柔韌性，作為防銹漆使用時具有獨特的彈性和延展性，可經受得住熱脹冷縮頻繁變化，不會出現龜裂、脫落等現象，因此具有良好的穩定性。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，施工結束后的工具設備清洗也較方便。

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

2 技術改造難點及工藝比較

2.1 技術改造難點

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，會增加技術改造的難度。

（2）現有涂裝線體的結構尺寸存在一定的局限性，難以滿足技術改造的要求，增加了改造設計的難度。

（3）在實際改造設計中，需要改造的部位較多，包括輸送線、流平室、調漆室、側噴機、消防系統和燃氣管道等，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，需要充分結合企業生產計劃，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 技術改造實例分析

3.1 項目概況

某制造企業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性有機化合物進行深度處理便排放，不滿足當前的環保要求。如果通過加裝深度凈化處理裝置，不僅技術難度大，且成本高。隨著生產技術不斷改進，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行涂裝，滿足生產質量要求的同時，也能達到環保要求。

3.2 改造方案

3.2.1 拆除DISK，改為調漆間和預熱段

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

（2）在改建調漆間過程中，用1.5 mm 鍍鋅板制作室體，內部使用10#型的鋼骨架并噴漆處理，以保證鋼結構的強度。同時設置防火門，觀察窗5 mm 鋼化玻璃，內置防爆凈化照明燈，地面鋪設厚3mm 的防滑防靜電花紋鋁板。

（3）在供風方面，在保留現有涂裝線供風機組的同時，增加排風風機和送排風管道，并接入現有排風系統。為方便調漆，內部增設純水進排水管道，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冰，需在調漆間內部安裝空調，保證室內溫度。加裝預熱裝置，選用電陶瓷發熱管進行預熱，預熱控制通過富士溫控器進行，加熱時間不小于10 min，加熱溫度20～40℃。為避免預熱段引起熱量損耗、人員燙傷的問題，還需對預熱室體鍍鋅板鋪設保溫棉和內板，保溫棉厚度為50 mm，內板密度為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、冷卻等技術要求，將原有的調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）在閃干室的進出口處設置隔熱板和風刀，送風方式為高壓風機送風，避免爐內熱量外延至底漆和面漆噴房。并在后端設置冷卻設施，確保工件在進入面漆噴房后溫度降至40 ℃左右。

（3）閃干室的外圍結構由1.5 mm 鍍鋅板制作而成，并鋪設100 mm 保溫層及密度為80 kg/m3內板。在閃干室內部使用10#型鋼骨架作支撐，爐體外接縫400 mm 處溫度控制在室溫±15 ℃。預熱段利用原有的油漆固化爐廢氣燃燒裝置的尾氣進行預熱，并增加一套燃氣加熱裝置及控制系統，兩種加熱方式互補使用，保證溫度可控的同時，實現節能。

（4）閃干室的熱風循環系統主要由爐體、送回風管道、廢氣排放系統、底框和內框組成，循環頻次是2～3 次/min。在構建熱風循環系統時，需注意這幾點問題：①需單獨對爐體設置加熱爐，熱風通過風機進入循環系統中；②在爐內設置攪拌風機，并設置相應的調節閥用以控制爐內溫度，保證爐內溫度的均勻性；③考慮主體框架材質為型鋼，在結構設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爐體內板為1 mm 鍍鋅鋼板，外板為0.8 mm 彩鋼板，應保證其顏色與其他部位一致；⑤需在30 min 內自常升溫至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，需設置超溫保護開關進行保護，一旦遇到超溫、低溫或風機故障等問題時，及時關閉加熱系統并發出預警信號；⑥在燃燒機和循環風機之間，設置電氣互鎖裝置，以保證系統正常運行。

（5）加熱室的加熱方式為天然氣，優點是溫度均勻潔凈。在設計加熱系統時，應按照空氣動力學等原理進行計算，確保加熱系統可靠運行。送回風管路均為下進頂回，烘道頂部布設循環管道，利用循環風機抽取方式在爐體底部循環。通過爐內送回風管循環使爐內熱量充分攪拌，最大化利用爐內熱量。在燃燒機與燃氣管道截止閥連接管路上設置減壓閥、過濾裝置。熱循環系統的風機選用耐高溫、低噪聲的插入式風機，風量為36000 m3/h，并內置在保溫室體，風機安裝時注意預留出維修空間。

3.2.3 輸送系統改造

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

（2）在新增的輸送鏈上，使用QXT-250 雙輪導向懸掛鏈，確保工件轉彎時不干涉。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，增設一次吊板、C形鉤、固定節油盤、圓形節油盤、十字撥叉、接油槽等附屬設施。

（4）對驅動裝置和張緊裝置調整，使輸送鏈條在加長后整體平穩運行，不會出現爬行及明顯的抖動現象。

3.2.4 電氣系統改造

（1）閃干室使用PID 恒溫控制系統進行溫度控制，將控溫誤差控制在工件±5 ℃之內。并設置超溫保護開關和低溫報警信號裝置，避免出現超高溫或低溫等問題。循環風機應具有自動延時關機的功能，能在15 min 內自設定，便于加熱系統冷卻。

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

（3）充分結合國家相關技術規范要求進行電氣控制的設計和安裝施工。

3.2.5 側噴機及消防系統改造

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

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

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

（4）為保證消防系統安全可靠運行，將改造部分與原有消防系統主機聯鎖通信。

（5）消防系統改造中使用的管路、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品。改造后的消防系統，應具有自動切斷保護區域內供排風設備電源的功能。

3.3 關鍵參數控制

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計中，應當重視加強噴房環境溫濕度的控制。以金屬件外觀質量為基礎，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，相同設備、相同參數，噴房實際相對濕度也會有差異，表現為雨季較高，旱季較低。為降低外界溫濕度的影響，可將噴房溫濕度設定在施工窗口中間值，并及時根據季節變化調整閃干室新鮮風的取風口位置。

3.3.2 閃干時間

在水性漆進入到閃干室之前，應保證有足夠的閃干時間，以防出現漆泡、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。應以高潔凈區為標準進行噴房建設，并有效控制噴房的潔凈度。首先，可通過循環風過濾系統維持噴房的潔凈度，將風速控制在0.2～0.5 m/s，并定期更換過濾棉。其次，控制開門次數，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入噴房次數，可在門上安裝光電傳感器，自動形成報表記錄的形式進行管控。再者，可增設機器人專用噴涂程序，在人員進入后、噴車前自動噴涂，利用漆的黏附作用快速去除污染物。

4 技術改造效果分析

按照上述改造方案對金屬件涂裝線進行油性漆切換水性漆技術改造，在改造后運行使用的1年內，未出現有嚴重故障，整個涂裝線運行穩定，且金屬件噴涂質量達標。同時，通過VOCs 在線監測系統對改造后的涂裝線排放物進行監測，監測結果表明，系統改造后的排放物均滿足《大氣污染物綜合排放標準》（GB 16297-2018）的要求。監測結果見表2 所示。

表2 系統改造后各排放物監測結果

5 結語

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