基于綠色制造的工程機械涂裝工藝研究
□ 張 瑞1,王春英2,3,楊小朋4 (1.山東山推機械有限公司,山東濟寧 202071;2.山推石油化工有限公司,山東濟寧 272000;3.山東源根石油化工有限公司, 山東濟寧 272000;4.山推工程機械股份有限公司,山東濟寧 272000)
摘要: 綜述了綠色制造及綠色涂裝的現狀與發展趨勢,通過對工程機械結構件涂裝過程中各種能耗 工序及"三廢"排放來源的分析,指出了實現工程機械綠色涂裝的幾種路徑,并根據這些路徑提出了底面合 一及先刮膩子后噴漆的工藝,簡化噴漆工藝流程,減少涂膜噴涂及烘烤次數,降低污染物排放及能源消耗。
關鍵詞:綠色制造;節能;環保;涂裝;底面合一涂料;膩子
中圖分類號:TQ639 文獻標識碼:B 文章編號:1006-2556(2014)04-0022-06
0 前 言
工程機械是機械行業一大分支,包括挖掘機械、 鏟土運輸機械、工程起重機械、機動工業車輛、壓實 機械、路面機械、樁工機械、混凝土機械等。經過最近 十幾年的高速發展,工程機械已成為大規?;a 和使用的機電產品。在工程機械制造過程中,涂裝是 一道必不可少的工序,涂膜在工程機械產品的防銹 保護、外光裝飾等方面具有十分重要的意義。但是, 工程機械結構龐大,且多是中厚板材焊接的結構件, 涂裝用漆量大,烘干時間長,不僅是一項高能耗工 藝,還是一項會對環境產生污染的工藝。在倡導綠色 消費、綠色制造的今天,如何減少工程機械涂裝的能 耗,如何減少或消除工程機械涂裝的污染也應該引 起行業的重視。
1 綠色制造的現狀及發展趨勢
1.1 綠色制造的發展現狀及趨勢
20世紀以來,伴隨工業的高速發展,全球出現的 十大環境污染事件[1]及十大環境問題[2]給人類敲醒了 警鐘,帶給了人類新的挑戰和思考。
制造業創造了60%~80%的社會物質財富,但也 成為最大的污染源之一[3]。從20世紀90年代起,保護 環境、保持生態平衡逐漸成為人類普遍的共識,在全 球范圍內興起了綠色制造的浪潮[4]。美國、加拿大、日 本及歐盟國家都已投入全球性的綠色制造行動,并 確定了各具特色、具有環境意識的綠色產品標志。所 謂綠色制造,是一個綜合考慮環境影響和資源效率 的現代制造模式,其目標是使得產品在設計、制造、 包裝、運輸、使用到報廢處理的整個產品生命周期 中,對環境的負影響最小,資源效率最高[5]。綠色制造 涵蓋了包括產品設計階段、制造階段、銷售階段、使 用階段和廢棄階段的全生命周期[1],完整的綠色制造 體系如圖1[5]。
隨著全球綠色制造的興起,國內學者也開始對 綠色制造進行了大量的理論研究,許多企業開始了 綠色制造的探索和實踐,可持續的綠色發展理念已 經深入人心。目前,綠色制造已經形成了完整的理論 體系和評價體系[6-7],并在機械、機床、家電等行業推 廣綠色工藝,實現了節能降耗,減少了環境污染[8-10]。 在國內,每年都會有以綠色發展、綠色制造為主題的 技術交流研討會,倡導綠色制造、綠色消費,促進綠 色發展。
近年來,綠色發展上升為許多國家的發展戰略。 在我國,專門出臺了《綠色制造科技發展"十二五"專 項規劃》,并對資源節約型、環境友好型企業或產品 在政策、資金、稅收等方面都給予傾斜。在機電產品 中,輕量化設計、節能工藝、再制造等成為綠色制造 的發展趨勢。
1.2 綠色涂裝的發展現狀及趨勢
在綠色制造的倡導下,涂裝也開始向著綠色材 料、綠色工藝的方向發展。在涂裝工序十分重要的汽 車行業,很早就注重采用環保性好的涂裝材料和工 藝。在客車涂裝上,近年來不斷追求高質量、高效率、 低污染、低能耗、低成本的發展目標,實施涂裝材料、 涂裝工藝、涂裝設備三位一體的綠色涂裝技術[11]。在 轎車涂裝上,綠色理念已經深入工藝,在21世紀以 來,多項環境友好型涂裝技術在轎車涂裝中得到應 用[12-14]。在重型卡車上,中國重汽經過反復實踐,在 "HOWO"重卡實現了"2C1B"涂裝工藝,除了可節省 大量的燃氣、電能、涂料及輔料費用外,還可減少40% 以上的VOC排放量[15]。此外,汽車涂裝還提出了加速 涂料更新換代,實現低碳化和無害化的理念[16-17]。
為減少涂裝對環境的污染,新技術、新材料、新 工藝不斷出現并得到應用。如涂裝前處理采用拋丸 替代噴砂工藝,不僅生產效率大大提高,還可以有 效防止清理過程中粉塵外泄,使周圍環境免遭粉塵 的污染;又如電泳涂料、粉末涂料的出現,使傳統溶 劑型涂料的VOC排放問題得到破解;再如"2C1B"、 "3C1B"工藝的應用,降低了烘烤次數,能耗大大降 低。順應綠色制造發展,探索和采用節能環保工藝已 經成為涂裝的發展趨勢和方向。
2 工程機械涂裝的能耗及污染分析
2.1 涂裝工藝及設備
工程機械涂裝根據工件板材厚度的不同,分為 薄板件和結構件。目前,薄板件采用磷化進行前處 理,其工序包括脫脂、酸洗、中和、表調、磷化等,設備 包括各種液槽、輸送設備、加熱設備等;結構件采用 拋(噴)丸進行前處理,設備包括拋丸清理室、輸送設 備、除塵設備等。在噴漆環節,工程機械無論是薄板 件還是結構件,都是以溶劑型涂料噴涂為主,設備包 括底漆噴漆室、底漆流平室、底漆烘干室、底漆強冷 室、膩子烘干室、膩子打磨室、面漆噴漆室、面漆流平 室、面漆烘干室、面漆強冷室及輸送設備等。
2.2 涂裝的能耗
在工程機械涂裝生產過程中,不僅有水、電的消 耗,還會有蒸汽或燃氣、燃油等消耗。工程機械結構 件涂裝中,前處理拋丸完全是機械清理工藝,拋丸 器、提升機、螺旋分離器、縱螺旋輸送器、橫螺旋輸送 器、丸料分離器、室體大門、上下線平車、懸掛輸送機 等設備運轉完全依靠電力驅動。另外,用于環保處理 的除塵風機也需要依靠電力運轉。噴漆過程除了風 機、水泵、輸送小車等需要電力運轉外,在涂膜干燥 過程還需要加熱。加熱的方式有蒸汽加熱、燃油加熱、燃氣加熱和電加熱。工程機械結構件噴漆工序能耗見表1。
2.3 涂裝的污染
由于溶劑型涂料含有用可揮發性的溶劑VOC, 這些溶劑具有一定的毒性,在涂裝施工和涂膜干燥 的過程中會揮發,導致了涂裝廢氣的產生。濕式噴漆 室循環水里面定期打撈起來的廢漆渣由于含有顏料 等物質,屬于固體污染物。循環水在經過一定周期后 需要排放,里面仍然含有大量的漆渣、顏料,屬于有 害污水。工程機械結構件噴漆產生排放如表2。
3 基于綠色制造的工程機械綠色涂裝
3.1 實現綠色涂裝的途徑
通過對工程機械涂裝能耗及排放污染物的分析 可看出,要實現綠色涂裝,就是要降低設備能耗及生 產廢物的產生。就噴漆工藝而言,如果烘干加熱采用 的不是電,則風機是最為主要的耗電設備,而最大的熱能消耗工序則是涂膜烘干加熱工序。風機運轉是 為噴漆室提供清潔空氣、降低各室體內溶劑濃度保 證安全生產所必須的,要減少其數量或功率首先要 降低涂料中易燃易爆有毒溶劑的含量。另外,要降低 涂膜烘干使用的加熱能源消耗,一方面可以通過采 用烘干溫度較低的涂料來實現,另一方面就是調整 和優化噴漆工藝,減少烘干次數,如汽車涂裝使用的 "2C1B"、"3C1B"工藝。
從"三廢"排放來看,在繼續使用溶劑型涂料的 情況下,一方面可以通過降低涂料中的有毒有害物 質,以減少排放物的污染程度;另一方面就是提高涂 料的利用率,減少"三廢"的產生。另外,通過采用含 有VOC較少的高固體分涂料或不含有VOC且利用率 高的電泳涂料、粉末涂料,實現少排放或零排放。
3.2 工程機械綠色涂裝工藝
工程機械涂裝已經不僅僅局限于采用溶劑型涂 料,電泳涂料、粉末涂料都已經在部分零部件上使 用。電泳涂料、粉末涂料的環保性能都比溶劑型涂料 要好,也是工程機械涂裝未來發展的方向[18-24],這里 就不作詳細論述。
但是,由于工程機械自身的特點,在未來一定時 期內,溶劑型涂料的使用還不能被取代,甚至還是主 流。為此,研究溶劑型涂料的綠色涂裝工藝對工程機 械而言,依然有著現實乃至長遠的意義,甚至可以推 廣到使用溶劑型涂料的其他行業。
為此,筆者對底面合一涂料工藝[25]及先刮膩子 后噴漆[26]工藝進行了研究探索。通過進一步研究,發 現這兩種工藝雖然還存在一些問題,但符合綠色制 造的要求。
3.2.1 減少流程的先刮膩子后噴漆工藝
傳統的涂裝工藝都是先噴涂底漆,再刮涂膩子。 工程機械傳統的結構件噴漆工藝流程為:上線→清 理→噴底漆→流平→烘干→冷卻→下線→刮膩子→ 晾干(或烘干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→噴面漆 →流平→烘干→冷卻→下線。由于噴漆工件材質表 面質量及涂裝的外觀質量不一樣,不同工件膩子施 工的量不一樣,有的不需要刮涂膩子,有的則需要大 面積刮涂膩子,甚至是多遍刮涂,這就造成生產節拍 的不穩定或人員配置的不確定。再加上大多數涂裝 過程工件采用的是懸掛輸送,在懸掛狀態下打磨工 件會出現擺動,大多數企業的膩子都采用線下施工, 一方面膩子晾干,減少烘烤,另一方面也使噴漆線節 拍穩定。
如果將工序調整一下,能解決以上問題。采用先 刮涂膩子后噴漆,工藝流程為:刮膩子→晾干(或烘 干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→清理→噴底漆→ 流平→烘干→冷卻→噴面漆→流平→烘干→冷卻→ 下線。調整后,工件噴漆生產節拍完全根據烘干工藝 時間而定,節拍穩定。另外,工件上線后一次性完成 底漆、面漆的噴涂,減少了一道上下線工序及車間叉 車、行車的占用,從而減少燃油、電力的消耗。另外, 先刮膩子后噴漆工藝的應用,更有助于下面的底面 合一涂料及涂裝工藝的應用。
3.2.2 減少能耗的底面合一涂料及涂裝工藝
底面合一涂料即兼顧底漆的防銹保護功能和 面漆的裝飾美化功能的新型涂料。工程機械采用底 面合一涂料后,工藝流程從:上線→清理→噴底漆 →流平→烘干→冷卻→下線→刮膩子→晾干(或烘 干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→噴面漆→流平→ 烘干→冷卻→下線,變為:上線→清理→噴漆→流平 →烘干→冷卻→下線,工序大為減少,噴漆次數由兩 次減少為一次,VOC排放的排放次數減少。工件的加 熱從兩次減少為一次,設備的噴漆室、流平室、烘干 室等從兩套減少為一套,整條涂裝生產線長度縮短 一半,相應的用電、加熱能源都減少。
當然,由于沒有進行刮涂膩子,這種底面合一的 涂料及工藝還只是用在工程機械中外觀質量要求不 是很高的行走裝置、工作裝置等。如果在噴漆前都先 刮涂膩子,填平各類材質缺陷,并通過打磨后再噴光 澤、耐候性滿足要求的底面合一涂料,這種工藝可以 推廣到包括對裝飾性要求較高覆蓋件在內的所有工 程機械零件,調整后工藝流程為:刮膩子→晾干(或烘 干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→噴漆→流平→烘 干→冷卻→下線,可適用于所有的工程機械工件涂 裝。
3.2.3 綜合比較
現有工藝、先刮膩子后噴漆工藝、底面合一涂料 涂裝工藝及先刮膩子后噴漆工藝與底面合一涂料涂 裝相結合的工藝(有膩子)4種工藝的工藝流程比較, 如表3。
由于工藝流程不同,設備的構成也不同,因此投 資不同。如表4所示,采用底面合一涂料可使涂裝設 備投入大大減少。
某企業壓路機大件涂裝線烘干室尺寸為17.8 m×4.3 m×3.6 m,采用電加熱強制熱風循環風形式、 烘干工藝溫度120~140 ℃設計,電加熱功率為410 kW[27]。按照工作8 h/d計算(實際上涂裝線作為關鍵設 備,一般都會實行雙班生產),減少1座烘干室就意味 著每天減少3 280 kW · h電的消耗。目前,大多數涂膜 烘干室都采用了燃油或燃氣加熱,費用相對降低。但 是,如果采用底面合一涂料,減少1道烘干就意味著 降低50%的能耗。
3.3 討論
先刮膩子后噴漆工藝和底面合一涂料涂裝工藝 的應用,使得涂裝的工藝流程簡化,設備投入減少, 工藝能耗大大降低,是綠色的涂裝工藝。但是,采用 的膩子是否與金屬基材之間有足夠強的附著力,是 需要關注的。
隨著涂料、膠黏劑的發展,一些膠黏劑已經可以 用于金屬的黏接。膩子是否可以采用膠黏劑技術,使 其與鋼鐵之間的結合力達到甚至超過底漆與鋼材之 間的結合。先刮膩子后噴漆工藝的出現反過來會促 進膩子在這方面的發展和進步。
另外,若膩子的作用僅僅是為了外觀,可以通過 其他方面的工作來減少或者取消膩子的使用。比如 在購買板材時,選擇表面質量好的板材并防銹存放 且在制造過程避免磕碰,從而減少或避免使用膩子。 當然,還可以宣傳綠色消費理念,倡導綠色消費,使 用戶注重產品的使用性能、內在質量及涂膜的防銹 性能而不是裝飾性能,讓用戶接受某些并不影響到 產品性能的外觀缺陷,從而減少使用膩子對材料缺 陷進行修補。
4 結 語
工程機械先刮膩子后噴漆工藝和底面合一涂料 的涂裝工藝有助于涂裝生產設備投資的減少以及生 產過程中電力、能源的減少,符合綠色制造的要求。
隨著與金屬基材附著力強的膩子產品的開發、 應用,這兩種工藝更能夠結合起來并大范圍推廣,不 僅用于工程機械,還可以推廣到其他機電產品或其 他行業。
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收稿日期 2013-11-06
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