試述鋼材預(yù)處理線拋丸、噴漆及烘干速度的匹配

司鑫鑫,孫新凱,袁存波,李計(jì)良,于麗娜

（山東開泰拋丸機(jī)械股份有限公司,山東濱州 256217）

0 引言

鋼材預(yù)處理線是必要的鋼材預(yù)處理設(shè)備。通常情況下，鋼材預(yù)處理線可以對(duì)厚度在5～100mm間的鋼板或高度≤500mm 的型材進(jìn)行拋丸除銹和噴漆烘干處理[1]。鋼材預(yù)處理線主要包括橫移上下料機(jī)構(gòu)、拋丸系統(tǒng)、噴漆系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)等組成。其中，由于漆膜厚度是預(yù)處理質(zhì)量的指標(biāo)之一，因此噴漆系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵。噴漆烘干部分均安排在拋丸處理之后，采用自動(dòng)噴漆烘干的工作方式，其功能就是在工件表面噴涂上一層均勻、厚度適當(dāng)?shù)耐繉?。且?guī)定時(shí)間內(nèi)油漆可以達(dá)到指干。另外，漆膜厚度的確定對(duì)噴槍的移動(dòng)速度、油漆的烘干時(shí)間、烘干室的長(zhǎng)度等均有影響。目前根據(jù)預(yù)處理底漆系列，其干膜厚度大致要求在15～25μm 之間[2]。因此，本文從預(yù)處理線底漆的種類作為切入點(diǎn)，介紹噴漆、烘干系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路及水性漆對(duì)烘干的要求。

1 預(yù)處理線底漆種類

預(yù)處理線底漆也稱為車間底漆，這種底漆應(yīng)具備一定的性能。比如：必須有一定的防銹蝕性能；對(duì)鋼材焊接性能沒有影響；漆膜機(jī)械性能好，能耐鋼材搬運(yùn)時(shí)的摩擦碰撞等。目前從性能、鋼材預(yù)處理線的適用性等方面考慮，常用的底漆主要是三大類：環(huán)氧富鋅底漆、無機(jī)鋅底漆和不含鋅底漆。這三類漆具有涂層薄、干燥快的特點(diǎn)，一般鋼材經(jīng)過3～5min 烘干就可以達(dá)到指干，比較適合鋼材預(yù)處理線的連續(xù)生產(chǎn)。

環(huán)氧富鋅底漆：其具有較強(qiáng)的漆膜附著力，可起到電化學(xué)保護(hù)作用，也具有較好的漆膜機(jī)械性能，但是該底漆沉淀較快，在噴漆間隔容易堵塞噴嘴和管路，所以在工作或間隔時(shí)需要不停地?cái)嚢栌推帷?/p>

無機(jī)鋅底漆：在鋼材預(yù)處理線中常用的無機(jī)鋅底漆為自固型醇酸性無機(jī)鋅漆。該底漆的涂層主要是靠硅酸烷基脂與鋼材表面活性鐵反應(yīng)而形成硅酸鐵來附著于鋼材表面，較大的增強(qiáng)了鋼材與涂層間的附著力。

環(huán)氧富鋅底漆和無機(jī)鋅底漆均屬含鋅底漆，漆膜較厚，影響鋼材的焊接性能，并在焊接時(shí)產(chǎn)生的氣體中氧化鋅的含量較高，對(duì)人體有一定的危害。含鋅底漆雖然其防腐蝕性能優(yōu)良，但從勞動(dòng)保護(hù)的角度講，在應(yīng)用過程中產(chǎn)生的氣體會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定的危害，為了滿足需要，目前趨向于使用不含鋅的底漆，但是由于缺少強(qiáng)有力的緩蝕顏料，防銹性能低于含鋅底漆。

鋼材預(yù)處理線底漆的選擇需要綜合考慮鋼材的漆膜附著力和勞動(dòng)安全保護(hù)，同時(shí)必須具備低毒快干等特性。目前在鋼材預(yù)處理線上推薦使用的底漆有：含鋅漆類—TH-1 硅酸鋅底漆、702 環(huán)氧富鋅底漆；不含鋅漆類—703 環(huán)氧鐵紅底漆、TH-861 環(huán)氧鐵紅底漆等[3]。

2 噴漆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼材預(yù)處理線的噴漆系統(tǒng)一般包括噴漆小車、供漆系統(tǒng)、噴漆室、漆霧處理系統(tǒng)及電控系統(tǒng)。與其他涂裝線的噴漆系統(tǒng)相比，鋼材預(yù)處理線的噴漆系統(tǒng)是連續(xù)自動(dòng)噴漆式，噴漆速度受整個(gè)預(yù)處理線總控的控制。所以鋼材預(yù)處理線在處理不同厚度的板材時(shí)，由于其工件的運(yùn)行速度是不同的，這就要求噴漆小車的運(yùn)行速度是不同的。即噴漆小車的運(yùn)行速度必須與前面拋丸運(yùn)行速度相匹配，否則會(huì)影響工件噴涂后的漆膜厚度。另外，噴漆系統(tǒng)自動(dòng)化程度較高，一般設(shè)計(jì)要求，噴漆小車變頻調(diào)速，噴槍高度及角度可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。

噴漆系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般有兩部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，一是噴漆小車的運(yùn)行速度；二是根據(jù)噴漆量選擇噴漆泵和噴嘴。另外在設(shè)計(jì)噴漆系統(tǒng)之前，需要先了解待處理板材的幾何尺寸、形狀及板材運(yùn)行速度；其次還要清楚用戶使用油漆的種類及特點(diǎn)。根據(jù)這些基本已知條件來確定噴漆系統(tǒng)的基本參數(shù)規(guī)格。

2.1 噴漆小車運(yùn)行速度與鋼材運(yùn)行速度的關(guān)系

首先要確定鋼材運(yùn)行速度，該數(shù)值是通過前置的拋丸裝置清理產(chǎn)量推算出的。

式中，L 是年度預(yù)處理鋼材總長(zhǎng)度（m）；v 是鋼材運(yùn)行速度（m/min）；T 是有效工作年時(shí)基數(shù)（h）；η是設(shè)備負(fù)荷利用率。

噴漆小車的運(yùn)行速度是根據(jù)板材的運(yùn)行速度和板材的最大寬度來確定的。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以得出：在板材走過一個(gè)噴幅的時(shí)間內(nèi)，噴漆小車必須完成一個(gè)往復(fù)動(dòng)作，這樣使得板材獲得均勻的漆面，否則噴漆小車行進(jìn)過快或過慢都會(huì)造成板材漏噴、過噴，進(jìn)而使漆膜厚度不均勻，影響噴漆質(zhì)量。根據(jù)以上得出噴漆小車移動(dòng)速度v′為

式中，v′是噴漆小車運(yùn)行速度（m/min）；v 是鋼材運(yùn)行速度（m/min）；w 是鋼板寬度（mm）；s 是噴嘴噴幅（mm）。

對(duì)于預(yù)處理線來講，其噴漆均為噴底漆，干漆膜厚度在15～25μm 之間。以固瑞克品牌為例，由漆膜厚度就可以選擇對(duì)應(yīng)的噴嘴系列，有了噴嘴系列，其噴幅就可以得到。最終結(jié)合用戶鋼材的寬度范圍及上面公式得出噴漆小車的運(yùn)行速度范圍。

2.2 油漆流量與涂膜厚度的關(guān)系

油漆流量即為一個(gè)噴嘴在單位時(shí)間內(nèi)噴出的油漆量，該參數(shù)與涂膜厚度有關(guān)。涂膜厚度一般是干燥后漆膜厚度的3 倍，即如果干燥后漆膜厚度要求為15～25μm，則噴涂時(shí)濕膜厚度為45～75μm。設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)干燥后漆膜厚度的大小選擇噴嘴后即可得出其噴幅寬度，前面噴漆小車的運(yùn)行速度已知，即可得出油漆量Q 為：

式中，v′是噴漆小車運(yùn)行速度（m/min）；s 是噴嘴噴幅（mm）；δ 是涂膜厚度（mm）。

總的油漆量即為單個(gè)噴嘴油漆量乘以噴嘴個(gè)數(shù)，通過總的油漆量即可選擇噴漆泵。

以上兩個(gè)方面的計(jì)算目的是選擇合適的噴漆小車行進(jìn)速度及合適的噴漆泵和噴嘴。另外一個(gè)重要部分就是供漆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。鋼材預(yù)處理線是連續(xù)工作的，其要求噴漆系統(tǒng)采用高效連續(xù)的噴漆泵系統(tǒng)，目前國(guó)內(nèi)鋼材預(yù)處理線常用的是高壓無氣噴漆泵和高壓無氣噴槍，在設(shè)計(jì)時(shí)需要注意幾點(diǎn)：

（1）噴漆泵氣源端必須裝有三聯(lián)體（兩級(jí)油水分離器和氣源過濾），進(jìn)而保證為噴漆泵提供潔凈的壓縮空氣。

（2）油漆輸送管路盡量減少彎頭和三通連接件的數(shù)量，目的是避免油路的堵塞。噴漆泵的進(jìn)油管路要裝有過濾網(wǎng)，過濾掉油漆中的雜質(zhì)。

（3）噴槍進(jìn)油管和回油管要分開布置，避免使用同一管路，以便能在管路堵塞時(shí)及時(shí)找出堵塞的管路。

3 烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)

烘干系統(tǒng)是鋼材預(yù)處理線重要部件之一，其功能就是將已噴涂的底漆進(jìn)行烘干，使得鋼材出烘干室后能夠達(dá)到指干，且油漆可較牢固的附著在鋼材表面。烘干系統(tǒng)里面有三個(gè)重要參數(shù)：烘干室長(zhǎng)度、烘干所需熱量和烘干室熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)量。

用戶使用油漆的型號(hào)確定后，油漆的烘干溫度及干燥時(shí)間均可通過油漆廠家獲得，再通過干燥時(shí)間來設(shè)計(jì)烘干室的長(zhǎng)度。烘干室長(zhǎng)度L′為

式中，v 是板鏈運(yùn)行速度，即為鋼材的運(yùn)行速度（m/min）；t 是油漆干燥時(shí)間（min）（由油漆廠家提供）。

通過以上公式可以看出，烘干室板鏈的運(yùn)行速度是和前置拋丸清理速度相匹配的。用戶的處理量決定了前置拋丸清理的速度，清理速度確定后，板鏈的速度即可確定，進(jìn)而根據(jù)干燥時(shí)間得出最終烘干室的長(zhǎng)度。

設(shè)計(jì)時(shí)一般有兩種工況，一種是在用戶空間布局足夠的情況下，設(shè)計(jì)預(yù)處理線可按照正向思維，先得出鋼材的運(yùn)行速度，讓板鏈運(yùn)行速度與其匹配，最終得出噴漆室長(zhǎng)度。另外一種，在用戶空間布局有限的情況下，先估算噴漆室的長(zhǎng)度，然后計(jì)算出板鏈的運(yùn)行速度，根據(jù)其速度去驗(yàn)證是否可以滿足用戶的清理產(chǎn)量。在滿足產(chǎn)量的情況下，其運(yùn)行速度盡可能降低，從而節(jié)省烘干室長(zhǎng)度，滿足空間布局的要求。

烘干系統(tǒng)里面另外一個(gè)重要參數(shù)就是所需熱量Q′。該熱量即為油漆達(dá)到干燥溫度所需的熱量。鋼材預(yù)處理線涂層烘干均為熱風(fēng)烘干方式，其熱風(fēng)烘干加熱方式常用兩種，一是電加熱，一是天然氣加熱。所需熱量Q′為

式中，V 是烘干室體積（m3）；k 是溫度系數(shù)；Q′是所需熱量（J）。

其中

式中，L′是烘干室長(zhǎng)度（m）；W 是烘干室寬度（m）；H 是烘干室高度（m）。

其中，烘干室寬度可根據(jù)板材最大寬度確定，烘干室高度可根據(jù)室內(nèi)預(yù)留檢修空間合理性來確定。溫度系數(shù)是由油漆的干燥溫度決定的，可按表1 選擇。當(dāng)確定加熱方式后，可根據(jù)所需熱量和加熱源的發(fā)熱值，確定電加熱的電功率或天然氣加熱所需燃燒器功率，見表2[4]。

表1 溫度系數(shù)表

表2 各熱源發(fā)熱值表

烘干系統(tǒng)里面另一個(gè)重要參數(shù)是熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)量M。通過計(jì)算熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)量進(jìn)而選擇合適的風(fēng)機(jī)，讓整個(gè)烘干室里面的熱風(fēng)流動(dòng)均勻，達(dá)到烘干的效果。則循環(huán)風(fēng)量M 為：

式中，V 是烘干室體積（m3）；n 是循環(huán)次數(shù)，一般取3～5 次/min；M 是循環(huán)風(fēng)量（m3/h）。

根據(jù)以上分析，烘干室所需熱量和熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)量，均和烘干室的長(zhǎng)度有關(guān)，烘干室長(zhǎng)度又和油漆的烘干時(shí)間有直接關(guān)系。所以設(shè)計(jì)烘干室時(shí)，一定要先了解用戶所用油漆的類型，根據(jù)油漆類型確定其烘干所用時(shí)間，最終在滿足用戶產(chǎn)量的前提下確定烘干室的長(zhǎng)度。總之，設(shè)計(jì)烘干室，其合適的烘干室長(zhǎng)度是油漆干燥達(dá)標(biāo)的重要因素之一，烘干室長(zhǎng)度滿足的情況下再選擇合適的熱量才能夠達(dá)到油漆烘干的效果。

4 水性漆對(duì)噴漆烘干系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

水性漆是以水為溶劑，水性漆包括水溶型、水稀釋型、水分散型三種。應(yīng)用到預(yù)處理線的水性漆基本為水溶型，該水溶型漆分兩類，一類是單組分，一類是雙組分。單組分主要是環(huán)氧酯，雙組分為環(huán)氧體系。預(yù)處理線應(yīng)用中水性漆一般烘干溫度約70℃，烘干時(shí)間約10min，預(yù)處理涂底漆漆膜厚度約20μm（湖南太子油漆廠家提供）。

水性漆較油性漆相比，其最大的特點(diǎn)就是受溫濕度的影響較大。由于水的沸點(diǎn)高，其蒸發(fā)需要的熱量較大，較有機(jī)溶劑的油性漆揮發(fā)慢。水性漆的水蒸發(fā)速率與空氣濕度有較大關(guān)系，濕度較高時(shí)，水的蒸發(fā)速率慢，使得其干燥慢[5]。所以水性漆干燥需要考慮空氣的濕度，一味的僅考慮空氣的溫度對(duì)水性漆的烘干影響作用不明顯。當(dāng)空氣濕度較大時(shí)，加熱溫度再高對(duì)水性漆烘干也沒有幫助。另外水性漆的特點(diǎn)是腐蝕性大，與油性漆比較，其揮發(fā)的是水分，水分會(huì)導(dǎo)致施工設(shè)備的金屬部件生銹，長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)產(chǎn)生銹蝕，因此水性漆對(duì)施工設(shè)備要求較高。

噴漆系統(tǒng)：預(yù)處理線噴涂時(shí)在噴漆室內(nèi)進(jìn)行，水性漆在噴涂過程中會(huì)有水分揮發(fā)，造成噴漆室的濕度增大，并且在噴涂過程中會(huì)在室體內(nèi)壁上附著涂料，為了防止水性漆對(duì)室體內(nèi)壁的腐蝕，建議在噴漆室內(nèi)襯一層不銹鋼板，這樣會(huì)避免涂料在側(cè)壁上形成流掛。針對(duì)供漆管路，在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮腐蝕性，管路一般使用鍍鋅管，焊接管接頭需鈍化處理，攪拌筒一般采用不銹鋼材質(zhì)制作。噴槍、噴嘴部分的設(shè)計(jì)和油性漆相同，不存在特殊要求。

烘干系統(tǒng)：由于在烘干室內(nèi)，水性漆要進(jìn)行水分揮發(fā)，隨著熱風(fēng)的循環(huán)，整個(gè)烘干室內(nèi)濕度增大，濕氣會(huì)接觸到烘干室內(nèi)壁，建議烘干室內(nèi)壁內(nèi)襯一層不銹鋼板。另外與鋼材底部接觸的地方也采用不銹鋼材質(zhì)。

針對(duì)水性漆，其干燥問題是烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。水性漆烘干時(shí)在考慮烘干溫度的同時(shí)，也要特別考慮濕度的影響。就溫度而言，水性漆比油性漆烘干溫度要高，所以板鏈運(yùn)行速度滿足的情況下，水性漆烘干室長(zhǎng)度比油性漆烘干室長(zhǎng)度要長(zhǎng)，即設(shè)計(jì)時(shí)要增大烘干室長(zhǎng)度；另外在烘干室前后要考慮通風(fēng)效果，因?yàn)橥L(fēng)效果好會(huì)有利于水性漆的干燥。目前針對(duì)油性漆的預(yù)處理線，噴漆室和烘干室緊挨著，之間沒有間距，針對(duì)水性漆，板鏈的總長(zhǎng)度要大于烘干室房體的長(zhǎng)度，即噴漆室與烘干室之間要保證一定的距離（2m 左右），目的是噴漆之后，鋼材進(jìn)入烘干室之前在自然風(fēng)、常溫狀態(tài)下進(jìn)行晾干，水分會(huì)揮發(fā)一部分，再進(jìn)入烘干室后可降低烘干室內(nèi)的濕度。烘干室之后板鏈也要長(zhǎng)出2m 左右，也是保證鋼材的晾干，必要時(shí)在烘干室后面加鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)。另外烘干室內(nèi)的溫度控制要分段控制，不能直接加熱到所需溫度，這樣會(huì)導(dǎo)致濕度過大，加熱過程中要有一個(gè)預(yù)熱過程，目的是控制烘干室內(nèi)的濕度，可以通過濕度檢測(cè)控制加熱管的開啟數(shù)量；烘干室內(nèi)的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)可以參考工程機(jī)械涂裝行業(yè)的烘干措施，在熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)增加除濕系統(tǒng)，保證循環(huán)熱風(fēng)的濕度。總之，油性漆和水性漆比較，其烘干溫度差別不大，針對(duì)水性漆設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮濕度的控制。

5 結(jié)語

在一些工程領(lǐng)域，鋼材預(yù)處理線的應(yīng)用較為廣泛，因?yàn)殇摬念A(yù)處理線是保證產(chǎn)品涂裝和防腐質(zhì)量的基礎(chǔ)，同時(shí)也會(huì)對(duì)后序制作工藝的經(jīng)濟(jì)效益帶來影響。預(yù)處理線是自動(dòng)連續(xù)式工作，它的質(zhì)量要求取決于整個(gè)設(shè)備裝置的技術(shù)性能，所以設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)就要充分考慮工藝技術(shù)參數(shù)的選擇。本文從預(yù)處理線常用油漆類型出發(fā)，分析了噴漆系統(tǒng)和烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算過程，同時(shí)闡述了水性漆對(duì)噴漆烘干的設(shè)計(jì)要求?？傊O(shè)計(jì)噴漆烘干系統(tǒng)時(shí)要充分考慮用戶方給出的原始已知條件。只有在確定漆膜厚度及油漆類型的情況下，設(shè)備廠家才可以在噴漆系統(tǒng)、烘干系統(tǒng)方面做出針對(duì)性的設(shè)計(jì)。同時(shí)隨著環(huán)保油漆的產(chǎn)生，對(duì)設(shè)備性能要求也產(chǎn)生了影響，尤其是烘干方面需要進(jìn)行改進(jìn)，以此適應(yīng)市場(chǎng)需求。