工业中涂装工艺设计的问题及建议

 

     以涂装工程设计的“先进、可靠、经济、环保”，涂装生产的“优质、高产、低成本、少公害”为基准，与引进的涂装线工艺设计及技术对比，国内涂装工艺设计还存在以下差距。a.工艺设计模式几十年一贯制，缺少开拓创新精神。b.对工业涂装的经济规模缺乏研究，致使投资增大，运行成本偏高，偿还期增加。c.涂装工艺设计受保守的传统观念和习惯势力影响较大。由作坊式的涂装改变成流水式工业涂装的阻力大；生产能力设计偏大。d.设备可靠性差，设备利用率偏低。e.涂装工艺设计人员的专业素质有待提高。f.输送被涂物的机械类型品种单一，缺少创新实力。

 

    为提高工业涂装工艺设计水平，针对上述问题，提出以下建议。

 

    1、必须树立新的工业涂装观念

 

    在计划经济时代，涂料往往供不上，靠增加涂料库存来稳定生产，认为涂料的库存期越长越好，不算经济帐。涂料的稳定性与其干燥性是一对矛盾，越稳定干燥性越差。例如，A05-9氨基面漆的稳定性不差，可是其烘干规范要求120℃以下2h。耗热能和库存量大、资金周转期长等造成涂装成本增高。目前，涂料工业简化了供应环节，根据用户的生产计划组织生产，确保涂料生产出来在1周或1个月内用完。

 

    在生产规模很小时采用作坊式的涂装生产尚可理解。但当生产形成规模，在设计、建造新的涂装车间时，仍按作坊式（或铺地摊式）的作业方式，涂装作业时被涂物不移动，不吸取流水式涂装生产线的优越性，则势必造成涂装车间工艺水平落后、投资增大、生产效率低下。

 

    新的工业涂装是按生产节拍组织流水作业式的涂装生产线，被涂物在涂装过程中间歇或连续地向前流动地通过各工序（工位）。这样使各工序实现专业化、规模化的作业生产，有利于提高作业效率、设备的有效利用率和涂装质量，降低涂装成本。

 

    2、如何理解涂装线的经济规模

 

    工业产品在国内、国际市场竞争中取得优势的惟一途径是规模化、高质量和低成本。

 

    在20世纪80年代，世界上公认的轿车车身涂装车间的经济规模是年产25-30万台车身（车身长度以4.6~5.0m为基准）。这样经济规模的涂装车间是由前处理磷化线、阴极电泳涂装线和中涂喷涂线各1条；涂胶密封线、面漆喷涂线和底漆,PVC、中涂、面漆烘干线各2条。也可理解为轿车车身前处理、阴极电泳、中涂喷涂生产线的经济规模为日产1000台合格车身，链速≥6.0m/min；而PVC、面漆喷涂和烘干生产线的经济规模为日产500台合格车身，链速在3.0~3.5m/min范围（最近欧洲的全自动面漆喷涂线的长度123m，链速达3.7m/min）。工艺投资约1亿美元左右。前处理阴极电泳线的节距一般为6.0m，喷涂线的节距为6.4~7.0m，烘干室内呈积放状态（节距5.0m左右）。

 

    工业制品的结构、材质、外形大小不同，在涂装过程中的装挂方式不同，不能像汽车车身那样单一计算，但可参照上述少投人、多产出的原则设计符合自己实情的涂装生产线。

 

    3、合理选用年时基数、生产能力、生产节拍、设备利用系数等工艺设计基础参数

 

    基于每周6天工作制或每周5天工作制，各国（地区）的节假日数不同，年时基数相差很大。

 

 我国原为每周6天工作制，年工作日数为306天；现在每周5天工作制，年工作日数为251天。又如德国年工作日数为230天。还有每天两班制(16h)或三班(20h)工作制。有些企业在提供设计资料时，要求年时基数按300天／年的三班工作制计算。另外，按国家颁布的老设计基准，年时基数打九五折。

 

    上述轿车车身面漆喷涂线的经济规模，年生产能力为15万台。如按251天/年的两班制计算，则生产节拍偏小，生产线的链速偏快，可能超过经济规模上限；对喷涂面积大的车身其每站的喷涂时间不足，来不及喷涂，需增加机械手喷涂机和加长喷漆室，同时增加投资及涂装成本。

 

    设备利用系数在国内工艺设计中一般选用偏低(80%-85%）的原因是设备及配套件的可靠性差，管理跟不上。国外在设计中选用93%左右。

 

    涂装设备是热非标设备，每天应留有一定的时间检修维护，为保持涂装车间、工位和设备整洁，每天也需有一定时间清扫。另外，涂装生产线的特点要求生产线启动后在无特殊情况下不停线（一般是息人不停车）及生产结束时需“跑空”，以确保涂装质量。作者认为，在涂装工艺设计中年时基数按251天／年的两班制（16h）、设备利用系数选用≥90%计算较合理；采用自动喷涂为主，手工喷涂内表面的轿车车身面漆涂装线生产能力以25~30台/h(生产节拍2.0min/台左右和链速3.0m/min左右）较经济合适。按市场需要可增加班次（倒三班，年工作日300天以上），实现年产15~18万台生产能力。

 

    在生产满负荷时，可增加设备持续运行时间，将生产线“跑空”时间排在生产时间以外，即设备持续运行时间＝生产时间＋跑空时间。在两班制场合生产作业时间为16h，再加1.5~2.0h跑空时间；在三班制场合生产作业时间为20h，设备持续运行时间为22h。

 

    学习先进的管理经验，提高管理水平，提高生产作业时间的利用率和设备利用系数，提高涂装的一次合格率，从而降低涂装成本。

 

    4、涂装洁净度（清洁度、污染度）的重要性

 

    涂装清洁度系指涂装环境的清洁度（含尘量）、被涂物面的清洁度、涂装用水的水质、清洗水的污染度、空调供风和压缩空气的洁净度等。尤其是在高装饰性涂装（如轿车车身、家用电器和塑料件涂装）场合显得更加重要。要得到优质的涂层，必须注意涂装的洁净度。可是涂装生产本身是较脏的，许多工序产生尘埃和废渣（如打磨、抛光工序产生打磨抛光灰、喷涂工序产生过喷涂漆雾、磷化工序产生沉渣、烘干工序产生油烟等），如果不能及时清除，则将污染环境和造成被涂物的二次污染，直接影响涂装质量和作业环境。

 

    目前，引进的高水平的涂装生产线和已注意到涂装洁净度重要性的设计人员（单位）设计的涂装生产线，都采取了必要的防尘、除尘措施（设立带风浴的洁净间、静电除尘、供风和用水的净化设备等），在工艺设计中按高级洁净、洁净和一般洁净分区布置，确保各工序都在专用设备中进行。清洁卫生管理也得到加强，有的公司为确保涂装车间的整洁，将涂装生产线清洁工作委托专业的清洁公司来做。

 

    在工业涂装工艺设计时，必须充分重视涂装洁净度，采取必要措施实现之，确保产生尘埃、挥发性有机化合物(VOC)的工序一定在专用设备中进行，以确保涂层质量和作业人员的身体健康。

 

涂装洁净度的具体控制基准为涂装用自来水的水质≤200μS;磷化后、电泳后的最后一道水洗和湿打磨后用的纯水水质≤10μS；按工艺要求应严格控制各道水洗用水的污染度。按不同等级涂装要求的供风清洁度提供净化过的空调风；涂装车间的厂房换气≥3次/h夏季≥3次/h;冬季为节能供排风量1次/h，其余为循环风）。

 

    5、改变生产方式，降低大型被涂件喷涂设备的投资和运行费用

 

    大型被涂件（如大客车车箱、客车车箱、载货车车箱、工程机械、专用车车箱、集装箱等）的喷涂生产方式（除其中集装箱产量大、生产节拍小，已采用流水作业生产方式外）习惯于采用固定式喷涂（喷涂时工件不移动），且配置大型化的喷漆室。

 

    喷漆室又宽又高，长度为在被涂物长度基础上增加2-3m。如12m长的大客车车箱选用喷漆室的尺寸L为15m，W为5-6m，H为8.0m；为27m左右长的客车车箱设计喷漆室，其长度应为30m。这样大型喷漆室的造价约为5-6万元/m；每米长的喷漆室的供排风都需6000~9000m3/h，其耗能很大。

 

    在这种固定式喷涂生产场合，靠喷漆工走动（或靠三维升降工作平台）进行喷涂，有的企业采用机械手自动喷涂机和门式自动喷涂机，仍是被涂物静置卜而自动喷涂机走动。在这种大型喷漆室中只有2-4支喷涂枪工作，造成供、排风能源极大的浪费。

 

    为降低运行成本，长春客车厂采用分段供、排风技术。将30m长喷漆室分为5个区段，借助供风阀和变频风机按程序承担机械手喷涂机行走的喷涂区段的供、排风。使喷漆室的供、排风量由20多万m3/h降到5-6万m3/h。设备投资仍然很大。

 

    采用工业涂装的流水作业生产方式，固定喷涂工位，工件在喷涂过程中按工艺所需的速度向前移动。按每件被涂物的喷涂时间、生产节拍（链速）和喷涂定额时间（每支枪喷2-13m2/min)来确定工位数；再按应设的工位、数来选定喷漆室的长度。在大型工件的两侧布置工位，如果是2-4个工位，则可选用6-8m长度的喷漆室；如果是4-6个工位，则可选用8-10m长的喷漆室。在喷漆室进出口配置漆前准备室和所需长度的晾干室（它们的作用是除防尘外，在喷漆室出人口形成风幕，防止喷涂漆雾串人车间；另外起缓冲作用）。漆前准备室和晾＋室需按溶剂的挥发量达到一定的换气次数（≥30次/h）。因结构简单其造价约1万元/m左右。这种流水作业生产方式不仅能节省设备投资和运行成本，也能较大幅度地提高喷漆室和自动喷涂机的有效作业时间。

 

    设备的有效作业时间（或称设备的有效使用率）系指设备运转时间＝有效作业时间＋空运转时间。例如喷漆室启动运行后，有喷涂作业的时间为有效作业时间，无喷涂作业的场合为空运转时间。在同一生产节拍中有效作业时间长，则设备的有效利用率就高。又如在有一定经济规模的汽车车身涂装线上装备的自动静电喷涂站（ESTA），原用9个杯的往复式自动静电涂装机，现已被3-4台（3-4杯）机械手组成的自动静电喷涂站所取代，大幅度地提高了杯式静电喷枪的有效作业时间，从而节省投资和运行成本。因此，在进行涂装工艺设计时，应在尽量提高设备的有效使用率的基础上计算选用设备（工位数、台数或长度）。

 

    6、科学、合理地选用输送机系统是涂装工艺设计的关键

 

    输送被涂物的机械设备是工业涂装线的重要组．成部分，它贯通连接各涂装线，是涂装生产线的动脉。

 

它的类型、结构和被涂工件的装挂及输送方式等的选用，在涂装工艺设计中占十分重要位置。它直接影响工艺设计水平及其经济技术指标；直接影响涂装线的机械化和自动化程度。

    输送设备的每一次革新都推动着涂装技术的进步，以汽车车身前处理和阴极电泳涂装线为例，由普通悬挂式输送链→悬挂式推杆积放链→摆杆式输送链→旋转浸渍式输送机（以Rodip-3为代表）革新历程的每一步都使漆前处理、阴极电泳涂装工艺得到改进。涂装质量提高、设备长度缩短、被处理面积的百分比增加，尤其是旋转浸渍输送技术投产应用，以全新的理念彻底解决了车身漆前处理和电泳涂装工艺中存在的问题。使被处理面积达到100%，消除了气包，克服磷化和电泳过程中的“L”效应；使车身的外观水平面更平滑、减少打磨工作量；使漆前处理和电泳设备进一步缩短；使浸渍处理槽容积达到最小；沥水更干净，使车身的带液量由传统输送方式的8-12L/台降到0.3L/台，提高材料利用率，降低了用水量和污水处理量。

 

    在工业涂装领域中采用的地面输送机械的品种、类型更多。如普通的（水平或垂直）地面链、倒置式地面推杆积放链、滑撬输送机系统及其变型地面输送机械，需结合实际科学、合理地选用。

 

    在车身涂装和塑料件涂装工艺中，应用滑撬输送技术在国内已得到认可。与地面反向积放链相比，具有较多的优越性。但在滑撬输送技术应用（作出的工艺平面布置）中仍存在线路偏长、占地面积偏大、涂装车间空间利用率偏低、升降机和横向转移单元使用量偏多等情况导致投资增大。分析原因是设计人员对滑撬输送机的基本单元的功能、特性研究不够，滑撬输送机系统的工艺布置技巧掌握不够，还留有采用地面输送链那种平铺的设计观念。在满足工艺需求的功能和生产能力的前提下，滑撬输送机线路应尽可能短，各工序间应尽可能紧凑衔接；升降机和横向转移单元也应尽可能少用；以减少投资和故障点。

 

    在研究收集德国公司设计的多条车身涂装线的平面布置图时发现，烘干室入口仍采用“II”型烘干室升降机结构，不采用风幕保温；烘干室出口采用直通式，风幕保温段，直接与强冷室连接。同时，可利用强冷室下部面积布置其他工序。

 

    大客车车箱和专用车的罐、槽、底盘，其涂装采用抽屉式布置和地沟（深-0.3-0.5m）式横向转运车输送被涂物。转运车地沟占地面积大（约占≥1/3车间面积），且破坏了车间的地平面，影响物流通道；不能构成正规的流水作业的喷涂生产线，有的喷漆室与烘干室不连接在一起，车箱从喷漆室运到烘干室要靠转运车；抽屉式布置，使车箱往返进出喷漆室和烘干室，而不是一台接一台向前运行。因而增加了设备台数，降低了设备的有效使用率。

 

    集装箱产销量保持世界第一的中集集团的12m和6m长的集装箱涂装生产线的输送方式先进、实用、简便。它是在集装箱底四角上紧固4个(φ250mm左右的铁轮，放置在双铁轨上，靠铁轨一侧轻型链牵引。可按工艺需要自动停止（脱钩），手工挂钩牵引前进；横向转移（转线）采用坦克式的平板链，全线都在0.0平面上、无地沟。在大跨度的厂房内布置2-3条集装箱喷涂生产线。可以借鉴这种输送方式来改进大客车涂装的输送方式及平面布置。

 

    7、涂装工艺设计必须符合安全、卫生、消防、环保的法规及标准要求

 

    在涂装作业中火灾事故是重患，职业病（苯中毒、白血病，急性中毒等）危害严重。

 

在工艺设计时，应尽可能推进涂装安全标准体系，杜绝燃、爆事故隐患，其基本控制要点如下。

    a.选用涂装材、料与涂装工艺，应尽可能有利于职业安全健康和环境保护，限制、淘汰有严重危害性的涂装材料及涂装工艺。

 

    b.工程设计应按所使用涂料的火灾危险分类，符合相关的耐火等级和厂房防爆、安全疏散的要求，合理划分并分别控制火灾、爆炸危险区域。

 

    c.在可能的条件下，涂装作业场所应建独立厂房，或布置在厂房、车间的边跨，或顶层为宜。

 

    d.所选用的建筑结构、构件及材料应达到防火、防爆等要求；按火灾、爆炸危险性分区分类进行工艺布置，采取必要的隔断、隔离设施，并注意防火间距和防火分割。

 

    e.严格控制涂装设备的安全性能，所选用设计的涂装设备及输送设备应符合涂装安全作业标准及相应的设备安全技术规定，重点控制电气安全，还应具备必要的安全装置和警示。

 

    f.操作区域的有害因素（温度、湿度、噪声、照明、有害物质等）的控制指标必须符合国家标准的强制性要求。

 

    g.控制现场涂料的储存和输送，对涂料、溶剂、功能辅料实施危险化学品管理。

 

    h.涂装车间必须采取通风防护技术措施；以局部通风为主，全面通风换气为辅，确保作业人员有良好的、卫生的作业环境。

 

    i.采取必要的健康卫生保护措施，在现场设置应急卫生设施（如冲洗眼睛、洗手水池）。

 

    J.对涂装三废（废水、废气和废渣）按国家和地区环保要求进行必要净化处理，配置必要的净化设施。

 

    8、节省资源及减少CO2排放量

 

    提高材料利用率、降低能源消耗是降低涂装成本的主要手段之一。涂装车间是工业产品制造的耗能大户，节能显得更突出。节能伺时也就减少C02排放量。据资料介绍，在具有一定经济规模的轿车车身涂装过程中的柴油能源消耗为100L／台左右；其中烘干总耗热量大于4.18x108J/a；C02发生量62.0kgC/台；耗水量约0.5t/台（轿车车身面积以80m2/台计）。

 

    在设计工艺方案和选用涂装材料时应充分考虑采用节省资源的新材料、新工艺、新技术。如预清洗、逆工序补水、清洗水再生等节水技术；低温快速、低渣磷化处理工艺；全封闭RO-OF液电泳后清洗工艺；符合节能要求的新型涂料及涂膜固化新方法；简化的“湿碰湿”烘干工艺（如2CIB，3ClB工艺），双组分低温烘干涂料及其喷涂技术，机械手自动静电喷涂技术；喷漆室、晾干室供风循环使用技术等。

 

    9、涂装工艺设计人员应掌握消除或减轻涂装公害的技术

 

    近几十年引进的现代化的轿车车身涂装线（车间）的工艺水平，自动化程度、涂装质量、涂装管理等方面已与国际接轨，所存在的最大差距是环保问题（涂装公害）。如德国轿车涂装线的VOC排放量(35g/m2)已达到环保标准；我国目前汽车车身涂装还是采用有机溶剂型汽车涂料为主，VOC排放量为100~120g/m2。

 

我国环保法规暂时要求不严，在绝对量上无限制，稀释到许可浓度即可。所采取的措施是大烟囱高空排放。

    随着世界各国对工业废弃物（如VOC,C02,污水、废渣等）的限制逐年严格，我国也将颁布法规限制VOC、CO2等的排放量。根据世界工业涂料的发展趋势和我国环保法规要求的提高，预测今后5-15年中我国工业涂料也将采用环保型涂料（粉末涂料、水性涂料和高固体分涂料等）逐步替代现用的有机溶剂型涂料。

 

    10、通过对比、考核，评价工艺设计水平

 

    建议将下列具体的经济技术指标作为同类型涂装线（车间）工艺设计的先进性、合理性、经济性等工艺水平对比、评价的依据。

 

    10.1涂装线（车间）的基础数据

 

    a.年产量以涂装面积（m2）或涂装生产台数表示。如汽车车身、车箱、集装箱等大型被

 

    涂物可以生产台数／年表示，或套数／年表示。

 

    b.年劳动量：工时。

 

    c.工作人员总数（人），其中基本生产工人、辅助工人各多少。

 

    d.设备总台数（台），其中生产设备台数。

 

    e.总面积（m2），其中占地面积、生产面积和辅助面积各多少。

 

    f.能源总消耗量（电或燃料耗量）kW/m，其中电力安装总容量（kW/h）、烘干室和喷漆室（含供风系统）耗能各多少。

 

    g.工艺投资（万元）。

 

    10.2经济技术指标

 

    a.每人年产量（m2/人或台／人）。

 

    b.每个基本生产工人的年产量（m2/人或台／人），或每台（套）被涂产品的劳动量（工时／台）。

 

    c.每平方米生产面积和占地面积的年产量（m2/m2或台/m2）。

 

    d.每台（套）被涂产品的工艺投资（万元／台）。

 

    e.每台（套）被涂产品或每平方米被涂面积的运行成本（涂装成本），元／台或元/m2.

 

    f.工艺投资或工程总投资（含土建费用）在满足负荷生产条件下的偿还期（年、月）。

 

    g.每平方米被涂面积的VOC排放量（g/m2）。

 

    h.每台（套）被涂产品的总耗能量（kW/h）和C02排放量（kgC/台）。

 

    i.每台（套）被涂产品或每平方米被涂面积的耗水量（m3/台或升/m2）；污水处理量（m3/台）。

 

    j.每种涂装材料的利用率（％）和单位面积的消耗量即消耗定额(g/m2)。

 

    k.涂装生产线的利用率（％）；主要涂装设备的有效利用率（％）；如自动静电喷涂机，机械手和喷漆室等主要关键设备在每个生产节拍中的有效利用时间等。

 

    在调查研究国内外各类涂装生产线的上述经济技术指标的基础上建立数据库，作为比较工艺设计方案、工艺设计水平及合理性评定的依据。每项涂装工艺设计说明书中应有上述经济技术指标，在对比中提高设计水平。工艺及设备的设计人员应具有开拓创新、精心设计的精神，处处精打细算，并善于总结经验教训。只有这样，才能设计出高水平的少投入多产出的优秀的工艺设计；才能使企业在市场竞争中战胜对手，具有竞争实力。