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涂装生产的节能、增效与环保处理
刘仁新 东风（十堰）老科协科技发展有限公司 442041
内容摘要：讨论了酸洗、脱脂碱洗、烘干、涂料缓蚀剂在涂装生产工艺中的节能、增效情况，同时简介了涂装生产的三废处理。
关键词：节能、增效、环保处理。
概述：涂装生产概括起来不外乎采用以下生产工艺：如表靣处理、涂漆、烘干、机械
化运输。从技术角度看有：酸洗、喷丸、喷砂、脱脂、磷化、钝化、喷漆、浸漆、阳极电泳、阴极电泳、对流烘干、辐射烘干等。处理的工件大小无其不有，究其涂装工艺，从节能和增效的方靣来看，实际上差别和差距是很大的。
我国是发展中的大国，在生产领域中，节能与增效显得尤为重要，这不仅是为了节约资源创造财富，也是为了持续发展留有后劲。为此，本文将涂装生产中节能、增效与环保处理的工艺技术总结如下：
一.表面处理
1.酸洗：酸洗工艺是将金属表面上的氧化皮和锈迹清除的技术，常用的是硫酸和盐酸，二者酸洗过程基本一样，只是硫酸酸洗可以加热，盐酸酸洗在常温下进行，因为盐酸为挥发性酸，加热盐酸损失、环境危害较大。
酸洗过程中酸液产生变化的是酸浓度不断降低、亜铁浓度的不断升高。一般酸浓度在8—20%，亜铁浓度≤120克/升，酸洗时间随酸浓度下降而加长，超出工艺范围都会带来质量问题。怎样从酸洗工艺过程中取得节能与增效的效果，关键有二条：
⑴控制酸和亜铁的浓度：浓度控制好了，产品质量才有保征，后继的表调和磷化处理才会有坚实的质量基础。图一显示了表面好的酸洗钢板（A）和表靣附着亜铁质量差的酸洗钢板（B ）。
A B
图一 A表面好的酸洗钢板 B表面亜铁附着质量差的酸洗钢板
⑵加入酸洗缓蚀剂：氧化皮和锈迹可与酸反应而溶解掉，此时酸洗缓蚀剂的作用吸附在金属表面上，故金属本体基本不受酸腐蚀（酸洗缓蚀剂的缓蚀率在98%以上），从而保护金属不失重和发生氢脆现象。
如某大型硫酸酸洗槽，日处理钢材200吨，采用酸洗缓蚀剂后，酸浓度的降低速率比正常的低1.41倍，亜铁浓度上升速率比正常的低1.41倍[1]，也就是说：酸的利用率提高了41%,亜铁浓度的增加减少了41%,并且提高了酸洗钢板表面质量，降低了钢铁失重率，保证了酸洗钢板机械性能。
2.脱脂与磷化：
⑴脱脂和酸洗一样，也是涂装工艺的基本技术，其工艺与节能密切相关。脱脂技术发展与节能关系列于表一、表二、表三中。
表一.喷淋脱脂剂的应用与温度、清洗质量的一般关系
序

脱脂剂
喷淋脱脂槽液工艺参数

脱脂率
%
浓度 %
时间
分
压力
MP
温度
℃
清洁度
%
PH
1
三碱脱脂剂
3-5
3―5
0.15
95±5
≤3%
14
85-90
2
碱性清洗剂
2-5
3―5
0.15
95±5
≤3%
14
80-90
3
三碱+表面活性剂
1-2
3―5
0.15
50―60
≤3%
14
90-95
4
纯碱+表面活性剂+清洗助剂
1-1.2
3―5
0.15
50―60
≤3%
12
98-99
5
弱碱+表面活性剂+清洗助剂
1-1.5
3―5
0.15
50―60
≤3%
10
92-95
小结：脱脂剂的脱脂率是基本指标，它关系到后继工序处理质量的好坏。所以涂装生产要选择优良的脱脂剂（纯碱+表面活性剂+清洗助剂）。
研究表明：钢铁耐碱溶液极限pH值应≤12[2]，pH值=14时，钢铁表面随处理温度、时间长短，生成厚度不同的氧化膜，在后继的磷化处理环节上带来质量问题。
表二.喷淋清洗、水分烘干工艺与温度（℃）的关系
工艺
脱脂℃
水洗℃
防锈℃
水分烘干℃
三碱清洗
85
80
80
90-100
优良脱脂剂
50-60
常温
常温
75±5
小结：工艺改进也能大幅度节能。
表三.喷淋清洗磷化工艺与温度（℃）的关系
工艺
脱脂
水洗1
水洗2
净水洗
表调
磷化
水洗3
水洗4
钝化
水洗
烘干
℃/分
老工艺[3]
85
80
80
―
―
98
80
80
80
―
180/10
新工艺[4]
70
90
90
―
―
70
15
60
―
―
100/10
近期工艺
50-60
常温
常温
常温
≤40
35-60
常温
常温
―
―
70-80/10
小结：新工艺和新材料的采用可以大幅度降低清洗、磷化工艺温度，节约动能。
喷淋清洗的节能与设备设计也是关系密切的。尤其是喷淋用水槽体体积的设计。有文献讲[4]：喷淋用水槽体体积等于喷淋泵每分钟流量的1―1.5倍。经本文作者系统计算认为：喷淋清洗机槽体有效容积不小于水泵每分钟流量的0.3―1倍即可，考虑设备宽度，宁小勿大。
以六室清洗磷化联合机为例，上述二种设计概念得到表四所列结果：
表四. 二种设计概念的槽体体积相关设备经济数据比较[5]
项目
文献参数设计
改进参数设计
效益
槽体积
六槽总体积 M3
18.213
9.5
降低47.83%
脱脂 M3
4.99
2.2
降低55.91%
磷化 M3
7.22
2.5
降低65.37%
供热电量
脱脂 KK
299400
132000
降低55.94%
磷化 KK
433200
162000
降低62.6%
总热量 KK/KW
732600/851
294000/341
降低59.86%
小时供热电费 元★
936.1
376.046
降低59.87%
加热设备投资 万元
7.7-8.7
2.7-3.2
降低63.21%
箱体制造耗材
大
小
至少降40%
箱体外保温层靣积耗材
大
小
至少降40%
磷化工作液处理
转移槽体积 M3
8
3
降低62.51%
板框压滤操作
2-3
1
＞50%
人力、电力
多
少
＞50%
★工业电费按1.1元/ KW
小结：从表四数据分析来看：喷淋用水槽体体积的合理设计，供热与设备投入可省50%以上。
⑵磷化
① 涂装磷化温度按表五分为四档：见表五
表五. 涂装磷化温度的分类
序
高温
中温
低温
超低温
温度 ℃
85
50-60
30-40
5-10
时间 分
2-3
3
3
10-15
总酸
18-20
20-25
20-26
30-40
游离酸
2.25-2.0
1.3-1.25
1-1.1
1-1.2
酸比
8-10
15-20
20-24
30-40
适用性
喷漆、浸漆
喷漆、浸漆
阴、阳极电泳
无热能供给者
小结：高温磷化己属淘汰技术，中、低温磷化适用场合清楚。超低温磷化控制不易，大多数为无供热的民营企业所用，工艺质量不稳定，尽量不用。
②残渣处理与质量：磷化生产过程残渣随之产生，一般讲：酸比大的残渣量产生少，酸比小的残渣量产生多。磷化液中残渣量是影响磷化膜质量的一个重要因素。当前，磷化液中残渣浓度低于300mg/l的标准己被广大涂装界接受，有条件和要求高的可将标准提高到150mg/l。此时，除渣设备运行应是连续的，检测应是快捷的。
③磷化膜的质量是涂装质量关键之一。宏观上看：成膜不完整、发花、粗糙、疏松、
挂渣、锈迹等均为不合格。好的磷化膜外观：膜平整、色泽均匀、坚实、无锈蚀、无挂渣。
磷化处理不好不如不处理，这点己被广大涂装界接受，实践证明：其上的涂层会比不磷化的钢板上涂层更早起泡、脱落。
磷化膜的质量理化检验：
点滴试验：用盐酸和硫酸铜的试液滴在磷化膜上，看单质铜还原出来的时间快慢；
电镜检测：晶粒大小在5-10μm范围内，膜孔隙率低于5%为好;
盐雾试验：涂漆后,检测复合涂层耐盐雾腐蚀情况，以此判断磷化膜优劣。这是目前普遍应用的方法。
二.涂料
随着工业的发展对涂装的用漆有更高的要求：耐腐蚀性高、烘干耗能少、环境污染少。从节能增效角度上看不得不提一种新的涂料助剂—涂料缓蚀剂[6]。
涂料缓蚀剂是含硫、氮、氧的有机化合物，涂料加入固体含量1%的涂料缓蚀剂，可有效改善涂层耐蚀性能。比较多种涂料施工工艺及效果，其节能增效突出。目前，国内每年生产约二千吨的含涂料缓蚀剂的涂料，供全国汽车钢铁工件涂装使用，创造了较好的经济效益与社会效益。
用涂料缓蚀剂GA水溶液处理磷化膜表面[7]，并且不用再水洗，烘干后涂上底漆，涂层耐盐雾性能较原漆在磷化膜上提高5―10倍，生产材料成本约1分/平方米。
表六是几种涂料的节能增效的具体比较实例。其中GA为碱性涂料缓蚀剂， SA为酸性涂料缓蚀剂。
表六.几种涂料的节能增效性能比较

序

涂料名称
施工
方法
烘箱烘干
耐盐雾性能
价格
元/Kg
温度℃
时间分
小时
h
沿叉腐蚀宽度mm
1
铁红醇酸底漆
喷涂★
105
30
24
≤10
10
2
铁红醇酸底漆+GA
喷涂★
105
30
384
≤0.5
12
3
黑色氯化橡胶漆
喷涂★
80
30
48
≤2
16-17
4
黑色氯化橡胶漆+GA
喷涂★
80
30
168
≤2
17-18
5
Z13-40环氧聚酯水性浸漆
浸涂★
140
30
240
≤2
30↘25
6
黑色顺酐油阳极电泳漆
电泳★
180
30
168
≤1
30↘25
7
ST―2阴极电泳漆
电泳★
180
30
720
≤2
30↘25
8
铁红环氧酯电泳漆
电泳2★
180
30
6
≤2.5
14-16
9
ST―2阴极电泳漆
电泳2★
180
30
250/板面锈蚀严重
30↘25
10
铁红醇酸底漆+ SA
喷涂2★
140
30
360
≤0.2
12
11
8008氨基醇酸铁红漆+SA
喷涂二道湿碰湿2★
35-40μm
170
40
408
≤0.5
20-25

★施工方法：样板为08Al冷轧板，喷涂中温磷化处理，电泳为低温磷化处理，漆膜厚20～22μm。
2★ 施工方法：样板为铸铁板，中温磷化处理，漆膜厚16～25μm。
附上上述几种序号涂漆样板中性盐雾试验检测后的照片，试验方法按ASTMB119―92执行。

序号1 序号 2 序号 4

序号10 序号 11
上述事例表明：加入涂料缓蚀剂可提高原漆的耐盐雾性10―20倍，并且不影响原漆施工性能，成本增加5―10%；在铸铁涂装场合，涂装难度比钢板大5-10倍，阴极电泳漆的漆膜在铸件上效果都不好，涂料缓蚀剂SA却帮助中、低档油性漆在铸件表靣上大显身手，效果让人出乎意外。
涂料缓蚀剂的应用还在于涂装的工艺投资和生产成本可以大大节省。以汽车驾驰室底漆涂装为例：单台电泳设备的工艺投资为120-150万，涂漆成本为300-350元/台；含涂料缓蚀剂的醇酸铁红底漆采用喷涂工艺，单台喷漆设备的工艺投资为20-30万，涂漆成本为150-180元/台。如果算上烘干设备，二者差距更大。
三.烘干
机械产品生产，涂装车间是耗能大户，其中烘干炉占用全线能源的50-70%，所以合理科学地设计、使用烘干炉是十分重要和有意义的。
油漆烘干的能源较多，有电、蒸汽、煤、天然气、柴油、导热油等，设备投入各不相同，耗能成本也不相当，本文对此不展开讨论，而是讨论工艺、设备与节能的关系。
1. 水分烘干炉：机械产品大多数采用对流热风烘干炉，新工艺与老工艺在节能上有显
著差别。如表六所示：
表六.水分烘干炉新工艺与老工艺技术参数
项目
工艺
温度
℃
时间
分
风速
米/秒
老工艺
90―100
10
无明确要求
新工艺
75±5
10
≥6

小结：新工艺较老工艺节约能源至少20%，这是引入风速概念带来的效果。
2. 涂层热对流烘干与红外辐射烘干热行为比铰
热对流烘干，对被烘干物的传热而言是由表及里的，而红外辐射烘干是电磁波穿透被烘干物，加热工件，再由工件向外传热，这种传热是由里向外的。在涂层的场合，二种加热方式的热行为对涂层中溶剂挥发和漆膜干燥产生不同影响。红外辐射加热快，干燥快；对流加热慢，干燥慢。在烘干工艺上，红外辐射一般可省10分钟。
对流加热，温度均匀，上下左右温差不会超过3-5℃，但是炉内工件升温曲线平缓，不符合涂料烘干窗口要求的工件炉温烘干曲线（见图二）。
红外辐射加热不同，特点是：辐射面与工件距离有关，近则烘干温度高，远则烘干温度低；红外辐射炉内，工件受辐射加热，所产生的温度要比炉内空气温度高20-50℃，这也是红外辐射加热快，对流加热慢的另一亇主要原因；红外辐射炉内，辐射器布置不必与工件对应，高度上可降1/4-2/5，因为辐射炉内不光有辐射热，同时也产生对流热，热量会升至在炉上方；红外辐射热产生的电磁波波长范围从2微米到数十微米的红外线能量为1―10千卡／克分子，事实证明，涂料有机分子对该波长红外线有良好的吸收性能。
因此，辐射炉内辐射器种类、功率大小、辐射距离、布置区域，合理应用对流热就成为重要的节能技术；尽管红外加热技术因素繁多，人们同样 可以设计出红外烘干炉，它具有符合涂料烘干窗口要求的工件炉温烘干曲线（如图三）。

图二.对流加热炉工件升温曲线
说明：从工件升温缓慢，烘干时间为40分钟时，工件温度才达到140℃，这不符合涂层烘干要求。
绩
图三.辐射加热炉工件升温曲线
说明：从工件升温曲线看，前10分钟为升温，后20分钟为保温，符合涂层烘干要求。
目前辐射烘干炉的应用比对流炉广泛，节能优势明显。
3.对流与辐射的混用和分用
有不少文献综合对流、辐射加热的不同特点，推行对流和辐射混用的烘干炉模式。笔者已有专论[8]对此进行分析评论，简言之：对流和辐射混用的烘干炉热行为混乱，辐射热优势受限，浪费能源。国内某车架涂漆烘干炉，使用混合加热方法，炉温上不去，工件烘不干。
改混用为分段用则是可以的。升温段加热采用辐射，占用炉长1/3，占用功率2/5―1/2；保温段采用对流，占用炉长2/3，占用功率3/5―1/2。此种加热方式，己成功应用到驾驰室涂漆烘干炉中，并获得良好节能效果。
辐射器加热功率分为固定和可调二部分，升温区固定功率多，可调功率少；保温区固定功率少，可调功率多。一般可调功率为总功率三分之一。
4.辐射强度与辐射波长、表面温度、漆膜烘干时间
以碳化硅板（辐射面积：300×200mm=0.06m2）为例，见表七：
表七 辐射强度与辐射波长、表面温度、漆膜烘干时间
辐射强度 KW/0.06m2
0.8
1
1.2
1.5
1.8
波长 微米
6-8
6-7
5.5-6
5-5.2
4-4.5
表面温度 ℃
160-180
200-220
250-270
300-330
400-450
烘干时间 分
30-40
25-30
20-25
15-20
10-15
所产生波长均在远红外线区域内，辐射强度所产生的表面温度可供合理选择加热功率与炉内温度控制。
5.辐射加热的点滴经验
辐射加热最适合用于规整如一的工件，辐射距离在200-250毫米范围;
辐射器的功率在烘干炉内不要均布,要下多上少;
辐射器的长度(与烘干炉长度概念同)不易过短, 600毫米比较适合，高度100―200毫米。所用电阻丝应选用镍铬铝材质的,使用寿命应达3000小时以上。
辐射器要水平安装，不要垂直安装；安装不要固定死，要有灵活性，便于调整。
辐射器背面应有反射板，以抛光铝板为最好，至少为镀锌板，最差的为钢板涂银粉漆。
辐射炉上部空间一般常被悬链和挂具所占据，它们为热的授体，为充分利用对流热，在工件区和上部空间区之间应设隔板，以减少悬链和挂具的吸热。
工件厐大，厚薄相差太大时（如汽车车架），辐射器的布置与辐射强度应有所区别。
辐射炉烘干涂层,往往遇到不同烘干温度的涂料和不同重量的工件,对此作者推出经验数据,供烘干炉内辐射强度与烘干温度速算作设计参考，见表八。
表八.烘干温度与辐射强度关系
涂料烘干温度 ℃
180-200
140
105
80
辐射强度K= KW/ m2★
4―6
2.5-4
2-3.5
1.5-3
★ 生产率高的选功率上限，生产率低的选功率下限。
烘干炉用电总功率W=2×对应工件的炉壁高×炉长×K。
特宽工件时，烘干炉用电总功率W=2×对应工件的炉壁高×炉长×K+炉长×炉底宽×K。
6. 三废处理
涂装生产线的三废品种不少,数量有的场合还是很大的,但处理技术并不复杂,很容易掌握。
⑴表九是表面处理工艺的三废处理一般方法
表九.表面处理工序中的三废处理
工序
酸洗
脱脂与后水洗
表调
磷化与后水洗
钝化与后水洗
三废物质
成份
酸：硫酸、盐酸
金属离子：铁、锰、铝
矿物油
碱：纯碱、火碱、磷酸三鈉、硅酸鈉等
阴离子表靣活性剂
1）钛酸
2）硝酸镍
3）草酸
4）碳酸铜等
亜硝根、硝酸根、磷酸根、硼酸根、氟离子、氯酸根
有机物：酒石酸、柠
檬酸、硝基苯磺酸钠、
过氧化氢等
1）六价铬

综合
指标
PH≥14

PH≤12

PH=6.0-9.5

PH=3-3.5

PH=3.5-4

废水处理方法
1） 酸加碱性物中和：如石灰、纯碱
2） 废酸中继加废钢铁，经处理可得铁系颜料
3） 金属离子可加碱调PH值使成氢氧化物沉淀过滤出来
4） 滤液送到综合处理池处理
5） 本液显碱性

1） 加酸破乳，可将乳液中油折出分离
2） 加氯化钙或石灰，使PH=8.5，可将磷酸根、碳酸根、硫酸根沉淀过滤除掉。
3） 滤液送到综合处理池处理
4） 本液显酸性

1） 二液混合
加氢氧化钙沉淀磷酸根、硼酸根、氟离子、氯酸根、中和酸。
2） 加还原剂及酸、尿素除去亜硝根、硝酸根。
3） 过滤后滤液中加火碱使金属离子成氢氧化物沉淀。避免过度加碱，会使氢氧化鋅沉淀重新溶解。
4） 沉淀离心过滤出来。
5） 滤液送到综合处理池处理，其中有机物及硝基苯磺酸钠在此处发酵处理
6） 本液显碱性

1） 加还原剂亜硫酸氢钠与酸
2） 加还原剂硫酸亜铁与酸
上述二法PH=2.5-3.5时，可将六价铬还原为三价铬
3） 加碱，使PH=8-8.5，三价的铬成氢氧化铬沉淀
4） 沉淀离心过滤出来
5） 滤液送到综合处理池处理，
6） 本液显碱性

综合处理池：暴晒、发酵、储存一定时间。调整PH值，检测C0D、B0D ，合格后排放
磷化工序中会产生固体沉渣，主要成分是磷酸铁，可综合利用，变废为宝：
① 它在磷酸锌、磷酸溶液中水解，生成磷酸锌铁，可用作磷化表调剂；
② 与氢氧化钠反应，生成磷酸三钠和Fe(OH)3沉淀，滤去沉淀，加入表靣活性剂、纯碱、清洗助剂，可制成常温清洗剂。
⑵喷漆室废渣废气
喷漆室废渣大多与喷淋水共存，故基础水池对水中漆应有很好隔离和富集作用，水中可加油漆絮凝剂或纯碱，它可加速漆雾絮凝和浮起。定时将废漆捞起、控干、深埋。喷淋水中含有机溶剂，故排放的喷淋水要送到综合处理池处理。
少量附在室壁上的干废漆，可定期清理、深埋。
喷漆过程中同时产生废气，主要是油漆溶剂。可在排风冈管中置活性碳吸附。
喷漆后有一段闪蒸过程，也是油漆溶剂挥发区域，该区段应用罩壳密封，将挥发溶剂用风机送至活性碳吸收器中处理。
吸附溶剂的活性碳可以脱附回收（溶剂量大），也可焚烧掉（溶剂量小）。
⑶电泳冲洗水
电泳后冲洗水一般有三道：超滤水冲洗称为零级水洗，净化水冲洗称1、2级水洗。所以电泳工艺防止污水排放应加强1、2级水的超滤处理，使1、2级冲洗水中少量电泳漆得以浓缩回用。
⑷烘干炉废气
油性漆在烘干时挥发出的是油漆溶剂，少量的可采用活性碳吸收法处理，量大的可采用催化燃烧法处理。采用煤气、天然气加热的，可将废气送入燃烧室焚烧处理。
电泳漆烘干会挥发出未大量的油烟，影响环境与文明生产。一般采用风机将其排至室外，由于油烟在室外风管被冷凝后，成粘稠油流回风机，影响风机正常工作，此时可在风机下部连接一根导管，随时将粘稠油导出到收集器皿中，后作深埋处理。
四.总结
1.涂装生产干变万化，技术不断进步，节能增效是有潜力可挖。
2.涂装生产中烘干、清洗工艺是耗能大户。红外辐射烘干值得推广应用，一般可节能约10-30%。清洗机的节能取决于清洗剂的清洗功效、设备合理设计与工艺管理。
3.优质清洗剂、低温磷化剂、涂料缓蚀剂是涂装生产中节能增效的有效措施。
4.三废处理，投入大，产出少，没有任何経济效益，但是社会效益明显。所以要认真对待，坚持不懈。
五参考文献
[1] 刘仁新 LK一45缓蚀剂在硫酸酸洗中的应用 二汽科技 1989 No1
[2] 刘仁新 关于金属耐清洗液极限pH值的探讨 待正式发表 （材料保护）
[3] 瓦申科 油漆车间设备与器具图册 机械工业出版社 1956
[4] 机械工业部第四设计院主编 油漆车间设备设计 机械工业出版社 1983
[5] 刘仁新 喷淋清洗机槽体体积设定的误区 待正式发表（现代涂料与涂装）
[6] 刘仁新 试论涂料缓蚀剂 现代涂料与涂装 2011 No2 19-27
[7] 刘仁新 涂装期磷化膜后处理新工艺研究 涂料工业 1996 No3
[8] 刘仁新 辐射和对流混合加热油漆烘干炉的合理使用 涂装指南2009 No5