我国汽车涂装的发展趋势——建绿色涂装车间

    关键词：汽车涂装 绿色涂装 环保 节能减排 涂料 涂装一体化

    我国汽车工业在"十一五"期间高速发展 搅拌机 ，已连续3年成为世界第一大汽车产销国(参见表1)，成为我国国民经济的支柱产业，带动相关产业的发展。随汽车产量的猛增，大大促进汽车涂装工艺技术和汽车涂料产业的长足进步。按汽车年产量和保有量估算，汽车涂料市场年耗用量超过70万吨。其中原厂用漆(OEM)约45万吨，修补漆约15万吨，零部件用涂料10万吨。

    汽车涂装的现况

    我国进入21世纪以来，适应扩大产能的需要，各汽车公司新建了几十条汽车车身涂装线和塑料件(如保险杠)涂装线，采用了国际上最新涂装工艺技术和涂装设备。随着环保意识的提高，自2004年起开始采用水性中涂和水性底色漆，替代有机溶剂型涂料，至今已有近30条车身涂装线实现水性化。近1-2年新建的和正在筹建JPH30～60台/h的都采用最先进的绿色涂装工艺技术和水性汽车涂料。

    表1 近年主要汽车生产国的汽车产量统计表（万辆）

    注：（1）2011年全世界汽车产量8010万辆（同比＋3％），其中亚洲4060万辆，欧洲（含俄罗斯）2150万辆；美洲大陆1870万辆。

    （2）截至2012年6月底我国汽车保有量达1.14亿辆。

    总的概括为：骨干汽车公司的轿车车身涂装工艺水平和涂装质量已与国际水平全面接轨，涂装工艺装备世界一流，甚至比西方汽车大国还先进，并向环保、节能减排全面达标，汽车涂料低VOC化(水性化)的绿色涂装迈进。但发展不平衡，有的公司的工艺水平和涂层质量较低。

    与国外先进水平相比，最大的差距是：

    在环保、节能减排、清洁生产方面。很多涂装线的单位涂装面积的耗能量、耗水量和涂装材料耗用量都偏高，有的涂装线的VOC排放量、能耗(CO2排放量)、耗水量是先进水平的好几倍。

    新建的VOC排放量已达国家推荐标准的车身涂装线仅20多条，大部分车身涂装线的中涂、底色漆采用有机溶剂型涂料，VOC排放量≥120g/m2，相关国家VOC排放量和要求如图1所示。

图1 相关国家VOC排放量和要求

    国内较先进的轿车车身涂装车间能耗为200KgCO2/台左右。一般的车身涂装车间远高于此值，德国某公司报导的绿色涂装车间的能耗列于表2中。日本涂装能耗已降到120KgCO2/台以下。2012年目标值为100KgCO2/台(参见图2)。杜尔公司最近发布2012年绿色涂装车间(ECpaintshop)已达到的目标值参见表3.

表2  每台车身涂装总能能耗

    注：※由总能耗换算成CO2排放量（即单台车身涂装能耗MJ/台)，换算为单台车身涂装排放出的CO2量（kgCO2/台）；换算方法：○1假定总能耗中45%是电能，55%是天然气热能；○2CO2排出系数：电0.154KgCO2/MJ；天然气0.0153KgCO2/MJ。

    例：2620MJ/台×45%×0.154KgCO2/MJ+2620MJ/台×55%×0.0153KgCO2/MJ=181.566+73.923=255.489KgCO2/台。

表3 ECO＋paintshop轿车车身涂装车间与未绿化前对比（1）

    注：轿车车身的涂装基数：底色漆BC70％金属色；清漆2K涂装面积：电泳底漆（EC）90m2，中涂（面漆）10m2，密封胶100m，PVC车底涂料5m2，LASD（车内防声阻尼涂料）1.5m2。

    例：2620MJ/台×45%×0.154KgCO2/MJ+2620MJ/台×55%×0.0153KgCO2/MJ=181.566+73.923=255.489KgCO2/台。

    绿色涂装理念

    2011年国内外涂装·涂料界引入了绿色涂装理念，创建"绿色涂装车间"(GreenpaintShop)成为涂装工业发展的主流趋势。

    "绿色涂装"理念就是要优质高产低成本，涂装生产更绿化；就是要在设计建设涂装车间中贯彻3E原则和兼顾实现"高品质、商品价值、经济性、环境友好性"四个方面的目标值(参见图4)。德国公司介绍的绿色涂装车间的生态和经济目标是6个高效(工艺效率、能源和材料利用率、排放净化效率、空间利用率、柔性化效率)、9个更少、2个更高和1个更低(参见图5)。创建绿色涂装车间，必须对逐工序逐台设备审核现有的涂装工艺及设备进行优化设计，依靠技术创新实现10个更少(削减)，降低涂装成本(见表4)。

图3 人机工程关系图

汽车涂装目标示意图

表4 涂装车间绿化目标及措施一览表

    十大绿色涂装技术革新

    进入21世纪以来，经汽车厂、涂装材料厂和涂装工程公司联合攻关，开发应用许多绿色涂装材料，新的涂装工艺技术、新涂装设备及装置，归纳起来，重大革新(有些是革命性的变革)有以下10项：

    1、汽车涂料水性化

    采用水性涂料替代有机溶剂型涂料是汽车涂装削减VOC排放量的主要途径(手段)，在轿车车身涂装工艺中除罩光清漆仍用有机溶剂型清漆外，底漆、中涂和底色漆都采用水性涂料。

    汽车用水性涂料的施工性能及其涂膜性能在近10年中有较大的改善，又开发了很多换代产品，基本解决了当初制约采用水性涂料难题(能耗增大，设备投资增大，施工作业性差、涂装运行成本高等)。

    2、滚浸式输送技术(机)

    汽车车身前处理·阴极电泳涂装线用输送设备通常采用悬挂输送系统，进入21世纪以来，开发采用了在经济和环保方面具有较大优势的滚浸式(或称翻滚式)输送设备。传统输送方式的诸多不理想之处得到了极大改善(参见图6)。

图6

    滚浸式输送机，能确保100%车身表面处理涂装完善，车身外观水平面颗粒大幅度减少，带液量由10～12L/台降到1～2L/台，基于翻转出入槽，设备和浸槽可缩短15～20%。

    近年来德国公司又开发成功第三、四代滚浸式输送机，其性能更先进，经济性更好(参见图9)。其他国家也研究开发翻转式输送机，取得了较大的进步(参见图7)。

    技术优势

    车身的防腐蚀性得到优化，ED的涂布性得到改善，可以不需要滑撬；有利于平面布置，涂装成本减少。

    承载：1000kg/车身，升降速度：V最大=18m/min，行驶速度Vmax=60m/min

图7

    3、新一代环保型无磷涂装前处理工艺(硅烷处理)

    作为成熟的涂装前处理工艺，磷化已使用几十年。近年来，硅烷处理，锆盐处理和两者复合的新一代环保型无磷化涂装前处理工艺发展很快。

    有机硅烷表面处理工艺是最具有发展潜力的一种，处理液中不含P、Zn、Ni、Mn、NO2-等有害物质；常温下处理，处理时间短30～90秒，约为磷化处理时间的一半；薄膜(纳米级)、转化膜重量0.1g/m2(约为磷化膜重的1/20)、沉渣比磷化减少90%左右或无渣，单耗大大降低；还具有简化工艺(取消表调和钝化工序)和适应多种底材(如冷轧钢板、镀锌钢板、铝材、铜合金等)共线处理的特点。

    经近10年来在家电、汽车零部件、轻工等涂装线上应用，不断试验改进，硅烷处理技术已从实验室阶段走向成熟。薄膜型硅烷处理膜与新的高泳透力CED涂料配套后的涂层各项性能达到防腐蚀性和装饰性要求最高的轿车车身涂装的技术条件。在法国、西班牙、巴西、俄罗斯等国轿车车身涂装线采用，已有几十万台车身下线。

    4、“三湿(3WET)”中涂、面漆喷涂及免中涂新工艺

    常规的中涂、面漆喷涂工艺是3C2B涂装体系(即中涂→烘干→底色漆→预烘干→罩光清漆→烘干)，一般由中涂涂装线和面漆涂装线组成。“三湿(3WET)”中涂、面漆喷涂工艺系指中涂+底色漆+罩光清漆。“湿碰湿”三涂层喷涂后一起烘干，称为3C1B涂装体系。

    3C1B涂装体系：中涂→晾干(或预烘干)→底色漆(BC1+BC2)→预烘干→罩光清漆→烘干。与3C2B涂装体系相比，可将喷涂中涂工序布置在面漆喷涂线上，取消了中涂烘干、打磨和涂面漆前的准备工序。

    免中涂工艺(或称紧凑型双底色工艺)：底色漆1(BC1兼有一定的中涂功能)→底色漆2(BC2)→预烘干→罩光清漆→烘干。与3C2B相比，取消了中涂线。

    “3C1B”工艺在简化工艺、节省投资、节能减排、降成本方面，较原工艺(3C2B)具有较大的优势，现可作为A级轿车的典型涂装工艺。刚投产的一汽大众成都和长春丰越涂装线采用了水性免中涂和3C1B喷涂新工艺。当今，“三湿”中涂、面漆喷涂新工艺的涂料配套，工艺流程、节能减排和削减VOC排放量与常规工艺(3C2B)对比效果参见表5。

    5、机器人自动静电喷涂技术

    从上世纪90年末开始在汽车涂装中采用机器人自动静电喷涂机替代往复式自动静电喷涂机(ESTA)。机器人喷涂柔性和仿形性好，可线外调试，适用多品种混流生产；使用喷杯少，一个工位配置3～4台机器人(即3～4个喷杯)可相当于6～9个喷杯的ESTA，喷杯的利用率高，换色时清洗涂料和溶剂损失少，涂装效率及涂料利用率高，耗能少，削减VOC、CO2排放量和降成本的效果好；有利于汽车车身中涂、面漆喷涂实现全自动化(无人化)。确保喷涂质量稳定，一次合格率高。

    国内于本世纪初，采用机器人自动静电喷涂汽车车身外表面，内表面和补喷仍是手工空气喷涂。近年建的新线实现了车身内外表面的全自动喷涂。如一汽大众JPH30台/h的成都面漆(BC1+BC2+CC)喷涂线，采用46台机器人，实现擦净、开门、内外表面喷涂、底色漆膜厚检测等作业全自动化。

表5

    6、干式漆雾捕集新技术(装置)-干式喷漆室

    汽车车身涂装线用的大型上供风下排风喷漆室，一直配用水洗式漆雾捕集装置，因而称为湿式喷漆室，它需用大量的水，并需加化学药品(絮凝剂)；排放出来含漆渣的污水，加重环保负荷。欧美国家开始限用水洗式漆雾捕集装置，已形成干式喷漆室如德国的干式漆雾捕集ECODryScrubber和静电漆雾捕集EScrub技术装备的干式喷漆室替代湿式喷漆室之势。

    采用干式分离技术除净喷漆室排风中的漆雾，不产生特殊的垃圾，分离过程完全自动化，分离不用水和化学药品，过滤介质(粘漆雾滤料，filterelements)是白色的石灰石粉，完全可再生利用。通过干粉末吸滤漆雾捕集装置的喷漆室排风，不需追加过滤可直接再循环使用，仅需补供5～20%新鲜空气。

    干式漆雾净化的喷漆室结构如图8所示。

图8 干式漆雾净化的喷漆室结构

    静电漆雾捕集技术(EScrub)的工作原理与一般的静电除尘和阴极电栅静电喷涂法相同，有5个步骤：

    (1)喷漆室排气通过带高电压的阴极电栅，所带漆雾(滴)荷电。

    (2)带电的漆雾(颗粒)被吸往和吸附到接地的分离板上。

    (3)借助分离剂(Separationagent)捕获漆滴(颗粒)。

    (4)抽出漆滴。

    (5)澄清的分离剂(水溶液)返回再用。

    因仍用分离剂的水溶液润湿(不是冲洗)风道壁板和接地的分离板，与其配套的喷漆室按工况可认为它是半干式喷漆室。它的结构如图9所示：静电分离模块元件的技术规格为每个模块的空气通过量达到3000m3/h，耗电量约3.5Kw，压损6Pa，除漆雾效果较好；排风可循环利用。

    两种新的漆雾捕集技术装备的干式喷漆室在节能减排、节水省投资、废弃物处理，排风循环利用等方面，与湿式喷漆室相比，有较大优势，是先进的绿色涂装设备(参见表5)。国内德系合资汽车公司近期新建的车身喷涂线采用了新的漆雾捕集法。

    7、喷漆室排风再循环利用技术

    喷漆室是涂装车间能耗最大的设备，占车间总能耗50%左右，其中空调能耗又占四成，因而成为节能减排的革新对象。如能将喷漆室排风循环利用，是最大的节能减排措施，近年来已取得成功。

    已获得工业应用有两种途径：

    1)EcoDryScrubber型干式喷漆室排风在全自动喷漆场合直接循环利用，排风利用率80～95%，仅补充5～20%的新鲜空气。ESCRUB型半干式喷漆室排风循环利用及废气处理流程如10所示。

    2)湿式喷漆室排风的循环利用分干式再循环和湿空气再循环。从漆前准备室(即擦净间)、检查修补段、晾干室的排风仅过滤再生利用(称为干式再循环)，从水洗漆雾捕集装置的排风，含湿量大，需冷却降湿，加温来调整温湿度(即循环风空调)后循环利用(称为湿空气再循环)。一般手工喷涂作业区段供新鲜空调风，由手工喷涂段的排风，经循环风空调装置，供自动喷涂区段用(参见图11)。

    8、应用热泵节能削减CO2的新技术

    热泵的能耗系数COP(CoefficientofPerformance)值高，单位发生热量的CO2排放量比燃料和电加热小得多。使其成为能大幅度削减CO2排放量的新技术。热泵在工业涂装中应用有3种方式：

    (1)单独作为高效率的热源装置使用；

    (2)用于热源回收；

    (3)同时用作加热和冷却装置，第三种方式是效果最好的使用方法。

    在工业涂装设备上已获得工业应用实例有：前处理、电泳设备的加温、冷却和废热能回收；喷漆室排风循环风除湿调温；水性底色漆喷涂后的水份干燥，采用低温低湿风吹干空气的除湿和调温，作为烘干室的热源和强冷室的冷源等。

    热泵技术在涂装领域中已应用的实例表明：与其他加热、冷却法相比削减CO2排放量特别明显(在喷漆室排风循环空调，水份干燥采用低温化吹干场合，可削减CO2排放量60%以上)且节能、降成本。

    9、采用膜过滤技术再生清洗水循环利用，实现“零”排放

    涂装车间是耗水大户，涂装一台轿车车身耗水量，工业先进的几百升/台，落后的以吨/台计。采用RO、UF、NF膜过滤再生清洗水循环利用技术已趋向成熟普及。如用PT-RO和ED-RO分别再生前处理和电泳后清洗最终一道循环纯水洗液(约50μs/cm)，制成滤液(<10μs/cm)替代纯水，可节省50%左右的新鲜纯水，浓缩液返到前道工序使用(参见图12、13)，提高水和药品、CED涂料的利用率，削减了污水排放量或实现"零"排放。采用NF或UF过滤再生前处理脱脂和磷化后的清洗水。还有采用陶瓷超滤(UF)装置作为脱脂液的油水分离器，回收脱脂液和降低脱脂处理液中的含油量，延长脱脂液的使用寿命。

    10、智能化监控系统，提高科学管理水平

    计算机及其应用技术在现代的涂装生产中越来越普及，使涂装工艺管理，生产管理，设备监控等实现自动化、数据化和智能化。

    例如，德国杜尔公司新开发过程监控系统(EcoEMOSEnergy软件模块)，能记录生产过程中的各种数据，分析和评估能源消耗情况。对各个生产区的能耗情况进行优化分析，能耗过高的区域能被自动识别出来，及时予以控制。利用EcoEMOS中存储的工作时序模块，还能自动分析和计算出那些停工区域能耗应该降低的程度。

    提高科学管理水平，智能化监控是向管理要效益的主要手段。

    结束语

    推广普及上述10大绿色涂装技术，实现"10个更少"的绿化目标，是全面提升涂装车间的环保节能水平的发展方向。国家环保部门应早日颁布强制性的汽车涂装清洁生产法规，明确VOC、CO2和废水排放标准。加强环保清洁生产宣传教育力度和执法力度，促进汽车涂装和涂料生产转型。限期淘汰高能耗，高污染，低质的产品；做到增产不增能耗。

    涂料工业和涂装工程公司应强化售前售后服务，扩大服务范围，提高服务水平，走涂料涂装一体化道路。组织汽车公司、涂装材料公司、涂装工程公司及相关科研单位联合攻关，消化吸收引进技术，创新开发绿色涂装工艺技术、新材料和新装备，为创建绿色涂装车间打基础作贡献。