硅烷前處理在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘 要：針對(duì)涂裝前處理對(duì)質(zhì)量、效率、環(huán)保及節(jié)能要求的不斷提升，該文提出一種硅烷前處理在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)及加藥系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化等功能，提高前處理生產(chǎn)質(zhì)量管理的精度和效率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益的同步提升。

關(guān)鍵詞：涂裝;硅烷前處理;工藝參數(shù);加藥;自動(dòng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0120-04

Abstract： In response to the continuous improvement of quality， efficiency， environmental protection， and energy-saving requirements for pre-treatment of coatings， this paper proposes a design scheme for an online automatic monitoring system for silane pre-treatment. Practice has shown that the system， based on automatic monitoring and dosing systems， improves the accuracy and efficiency of pre-treatment production quality management through functions such as data analysis and storage， dynamic optimization， and achieves synchronous improvement of economic and environmental benefits.

Keywords： coating; silane pretreatment; process parameters; dosing; automatic monitoring

涂裝前處理作為涂裝工藝的基礎(chǔ)工序，是指在涂裝前采用化學(xué)處理的方法在金屬表面形成保護(hù)層，增加工件表面的粗糙度，提高和后續(xù)涂層的結(jié)合力，避免工件在涂覆前短暫的時(shí)間內(nèi)返銹，確保涂層能夠牢固地附著在金屬表面[1]。近30年，伴隨著家電行業(yè)、日用五金、鋼制家具，鋁材構(gòu)件和汽車工業(yè)等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，我國(guó)涂裝技術(shù)獲得了廣泛應(yīng)用及飛速發(fā)展。一方面涂裝技術(shù)和工藝朝著更環(huán)保、節(jié)能的方向發(fā)展;另一方面，涂裝質(zhì)量控制水平不斷提升。

當(dāng)下迅猛發(fā)展的大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)，標(biāo)志著人類社會(huì)已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，產(chǎn)業(yè)智能化在每個(gè)領(lǐng)域都在發(fā)生，也為涂裝行業(yè)帶來(lái)了技術(shù)和工藝升級(jí)的大好時(shí)機(jī)。涂裝前處理由于涉及化學(xué)過(guò)程、化學(xué)控制參數(shù)較多而且復(fù)雜，工藝參數(shù)調(diào)控仍然以人工處理為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。本文結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐討論一種硅烷前處理在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備代替人工檢測(cè)，對(duì)槽液加藥系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)涂裝前處理生產(chǎn)線的自動(dòng)控制和數(shù)字化管理。

1 硅烷前處理生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 硅烷前處理技術(shù)

在前處理工藝中，磷化處理已廣泛使用近百年，但處理液中存在鎳、錳、鉻重金屬及磷酸鹽等物質(zhì)，會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。在我國(guó)全面推行綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)的大背景下，無(wú)磷前處理（硅烷或鋯化）已成為當(dāng)下涂裝前處理工藝的首選。

硅烷工藝是在氟鋯酸鹽轉(zhuǎn)化液中引入有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑，鋯鹽與金屬表面發(fā)生化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)，生成ZrO2納米陶瓷顆粒，這些顆粒被有機(jī)硅烷形成的Si-O-Si三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)緊密包覆，形成一層致密的硅鋯復(fù)合膜沉積到金屬表面。相較于磷化處理，硅烷工藝具有產(chǎn)渣量低、控溫要求低、無(wú)需表調(diào)和鈍化處理等優(yōu)點(diǎn)，但是硅烷膜較薄，容易在惡劣工況下返銹，成膜質(zhì)量對(duì)槽液pH、電導(dǎo)率等因素敏感，需嚴(yán)格控制槽液雜質(zhì)離子濃度、Si含量、Fe2+含量[2]。

1.2 硅烷前處理工藝

涂裝前處理的質(zhì)量對(duì)整個(gè)涂裝質(zhì)量至關(guān)重要。硅烷前處理工藝流程為大流量沖洗→預(yù)脫脂→主脫脂→第一水洗→第二水洗→硅烷處理→第三水洗→第四水洗等工序。最開(kāi)始用大流量水沖洗去除金屬表面的大顆粒雜質(zhì)、灰塵等。預(yù)脫脂、主脫脂工序使用脫脂劑去除表面的油脂、蠟質(zhì)等有機(jī)物。第一、第二水洗是去除可能殘留的污垢、脫脂劑殘留物等。硅烷處理可以采用涂覆或浸漬方法在金屬表面形成硅鋯復(fù)合膜。第三、第四水洗目的是停止金屬表面化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)，去除可能殘留的化學(xué)物和雜質(zhì)，確保轉(zhuǎn)化膜質(zhì)量和工件表面干凈，以保證后續(xù)涂裝工序如電泳的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)最終的表面涂裝效果。

1.3 硅烷前處理工藝參數(shù)控制

涂裝生產(chǎn)質(zhì)量管理最為關(guān)鍵的是對(duì)各工序工藝參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)與調(diào)控，以確保工藝參數(shù)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。相較于磷化工藝，硅烷或鋯化薄膜工藝對(duì)槽液參數(shù)控制要求較高。以某硅烷涂裝生產(chǎn)線為例，主要控制參數(shù)包括：脫脂槽液的溫度、pH、游離堿;硅烷槽液的pH、EDTA點(diǎn)、電導(dǎo)率;水洗槽的pH、電導(dǎo)率等。具體參數(shù)控制范圍和檢測(cè)方法見(jiàn)表1。

表1 某硅烷涂裝生產(chǎn)線工藝控制參數(shù)

由表1可知，槽液溫度控制是通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的。游離堿、pH、電導(dǎo)率、EDTA點(diǎn)的參數(shù)調(diào)控采取人工處理方式，工作人員定期從現(xiàn)場(chǎng)取樣，在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)藥劑補(bǔ)加，工作人員需要對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)學(xué)習(xí)。受視覺(jué)誤差、槽液副產(chǎn)物、計(jì)算方法、參考指標(biāo)和操作失誤等因素影響，影響數(shù)據(jù)精準(zhǔn)的原因繁多，導(dǎo)致工藝參數(shù)調(diào)整不當(dāng)或調(diào)整不及時(shí)，引發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)人工操作藥劑集中添加，也導(dǎo)致槽液參數(shù)大幅波動(dòng)帶來(lái)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性問(wèn)題。

2 硅烷前處理參數(shù)人工檢測(cè)與自動(dòng)檢測(cè)對(duì)比

2.1 自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備及原理

要解決人工主觀處理導(dǎo)致的工藝參數(shù)控制不準(zhǔn)確、不及時(shí)問(wèn)題，最有效的方法是采用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備代替人工檢測(cè)。目前市場(chǎng)上已有一些可用于前處理參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)的設(shè)備供選擇，其主要原理如下。

1）電位滴定（iso-selective electrode，ISE）法[3]：電位滴定與離子選擇性電極，利用電極電位與組分濃度的關(guān)系實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)。離子選擇性電極是一類化學(xué)傳感器，它的電位與溶液中給定的離子活度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。

2）電位型自動(dòng)滴定：使用電位測(cè)量進(jìn)行酸堿度分析，準(zhǔn)確度高，測(cè)量用時(shí)短。

3）吸光光度法：基于被測(cè)物質(zhì)的分子對(duì)光具有選擇性吸收的特性而建立起來(lái)的分析方法，由吸光度判定滴定反應(yīng)的終點(diǎn)。

4）指示劑型自動(dòng)滴定：內(nèi)部設(shè)計(jì)了機(jī)器視覺(jué)模塊，該模塊基于AI視覺(jué)方式，通過(guò)對(duì)滴定過(guò)程的全程檢測(cè)，能準(zhǔn)確判定反應(yīng)終點(diǎn)，能夠適應(yīng)反應(yīng)容器污染，槽液老化雜質(zhì)較多等情況。

2.2 人工檢測(cè)與自動(dòng)檢測(cè)方法對(duì)比

表2是硅烷前處理關(guān)鍵工藝參數(shù)采用人工檢測(cè)和自動(dòng)檢測(cè)情況對(duì)比。人工檢測(cè)的周期一般是每6 h一次，自動(dòng)檢測(cè)周期是每30 min一次，檢測(cè)效率大大提升。

表2 人工檢測(cè)與自動(dòng)檢測(cè)方法對(duì)比

3 硅烷前處理在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)及加藥系統(tǒng)工作原理

在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)及加藥系統(tǒng)一般由自動(dòng)取樣系統(tǒng)、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)和自動(dòng)加藥系統(tǒng)4部分組成，其工作原理如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)各部分功能

3.2.1 自動(dòng)取樣系統(tǒng)

自動(dòng)取樣系統(tǒng)主要是由可以在三維空間移動(dòng)的機(jī)械部分和自動(dòng)控制部分組成，其主要功能是把需要檢測(cè)的槽液從生產(chǎn)線精確轉(zhuǎn)移至取樣池。自動(dòng)取樣采用專業(yè)的取樣模塊，取樣過(guò)程中能保持樣品與槽液間的循環(huán)，以獲得最新的槽液，保證樣品的代表性。系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)樣品進(jìn)行過(guò)濾、消泡等預(yù)處理操作，以降低槽液中雜質(zhì)離子對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，保證結(jié)果的3e9mKFUhavaqk6j+F2TKwA==準(zhǔn)確性。

3.2.2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)取樣系統(tǒng)和自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備配合，完成自動(dòng)檢測(cè)操作。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要由各種傳感器和計(jì)算模塊組成。傳感器感知并接收信號(hào)，然后使其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并經(jīng)過(guò)計(jì)算模塊處理，發(fā)送給中央控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理。

3.2.3 中央控制系統(tǒng)

中央控制系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的中樞，具有數(shù)據(jù)分析、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。

1）數(shù)據(jù)分析。中央控制系統(tǒng)可收集包括產(chǎn)品質(zhì)量、槽液參數(shù)、試劑消耗、加藥記錄和環(huán)境條件等在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。

若槽液控制參數(shù)發(fā)生異常波動(dòng)，產(chǎn)品質(zhì)量降低，可分析原材料是否發(fā)生變化（如油污加重，板材更換），是否溶液串槽等問(wèn)題。

若試劑消耗量增大，可分析液位、產(chǎn)量、加藥設(shè)備是否正常。若不正常，可自動(dòng)報(bào)警，檢查是否發(fā)生槽體泄露，加藥設(shè)備堵塞等故障。

若環(huán)境變化較大，結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量、槽液參數(shù)、車間溫度、濕度，分析當(dāng)前環(huán)境是否滿足生產(chǎn)需求，是否需要更換參數(shù);若外界環(huán)境無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，提前預(yù)警，盡量減少損失。

2）動(dòng)態(tài)優(yōu)化。中央控制系統(tǒng)接收到來(lái)自自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)后，與系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置參數(shù)進(jìn)行比較，再優(yōu)化調(diào)整加藥參數(shù)，發(fā)送加藥指令至自動(dòng)供藥系統(tǒng)，最終使得加藥系統(tǒng)少量多次添加試劑，減少槽液參數(shù)波動(dòng)，提高產(chǎn)品良品率。

3）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。中央控制系統(tǒng)保存整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的所有操作記錄，遇到故障方便排查，工程師應(yīng)對(duì)故障時(shí)的處理也隨時(shí)記錄，為后續(xù)同樣問(wèn)題的解決提供方案。

3.2.4 自動(dòng)加藥系統(tǒng)

自動(dòng)供藥系統(tǒng)主要由加藥泵、加藥罐、加藥管路和電磁閥組成。加藥泵主要使用的是計(jì)量泵或隔膜泵，由中央控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)控制電磁閥的開(kāi)閉，從而控制加藥泵的運(yùn)行。

自動(dòng)供藥系統(tǒng)可通過(guò)PLC（可編程控制器）實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)加藥，并可實(shí)施自動(dòng)與手動(dòng)添加切換，具備液位高低限報(bào)警功能[4]。

3.3 典型的硅烷前處理在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)及加藥系統(tǒng)

圖2為典型的硅烷前處理自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)及加藥系統(tǒng)。工藝包括預(yù)脫脂、主脫脂、第一水洗、第二水洗、硅烷處理、第三水洗和第四水洗等工序。預(yù)脫脂和主脫脂工序需要控制的槽液參數(shù)是游離堿，第一到第四水洗工序需要控制的槽液參數(shù)是pH和電導(dǎo)率，硅烷處理工序需要控制的槽液參數(shù)是EDTA點(diǎn)、pH和電導(dǎo)率。預(yù)脫脂和主脫脂工序共用一套控制系統(tǒng)，通過(guò)取樣、檢測(cè)、分析等步驟給出信號(hào)控制脫脂劑的加入量，用來(lái)調(diào)整游離堿點(diǎn)在正常范圍;第一、二水洗工序共用一套控制系統(tǒng)，通過(guò)取樣、檢測(cè)、分析等步驟給出信號(hào)控制純水的加入量，用來(lái)調(diào)整槽液的pH和電導(dǎo)率在正常范圍;硅烷處理工序單獨(dú)使用一套控制系統(tǒng)，通過(guò)取樣、檢測(cè)、分析等步驟給出信號(hào)控制硅烷補(bǔ)充液和酸堿調(diào)整劑的加入量，用來(lái)調(diào)整槽液的EDTA點(diǎn)、pH和電導(dǎo)率在正常范圍。第三、四水洗工序共用一套控制系統(tǒng)，和第一、二水洗工序控制程序相同。

4 硅烷前處理在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

圖3為某硅烷前處理生產(chǎn)線自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)及加藥系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)槽液參數(shù)管控圖，包括主脫脂工序的游離堿、水洗工序的電導(dǎo)率、硅烷化處理工序的EDTA點(diǎn)和pH等參數(shù)控制。從圖3中可知人工檢測(cè)的頻率為每6 h一次并手動(dòng)加藥調(diào)整，而在線自動(dòng)檢測(cè)的頻率為每小時(shí)一次并自動(dòng)加藥調(diào)整。人工檢測(cè)及加藥調(diào)整的槽液參數(shù)的波動(dòng)比自動(dòng)監(jiān)測(cè)及加藥的槽液參數(shù)波動(dòng)大得多，所產(chǎn)生的極差值也相差很大。

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)極大地提高檢測(cè)效率，最快可達(dá)10 min/次。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的多種檢測(cè)設(shè)備，能對(duì)游離酸、總酸、游離堿、總堿、游離氟、EDTA點(diǎn)、pH和電導(dǎo)率等多種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)條件不同，工藝參數(shù)不同，可設(shè)計(jì)不同的檢測(cè)步驟，并將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸至中央控制系統(tǒng)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可檢測(cè)人工測(cè)量誤差較大的參數(shù)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量判定具有一致性，測(cè)試結(jié)果重現(xiàn)性強(qiáng)。

圖4為某廠每100 m2涂裝前處理藥品成本。由圖4可知，使用傳統(tǒng)的6 h人工檢測(cè)及加藥方式的藥品消耗（每100 m2涂裝前處理）為32.5元，而改用在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)及加藥系統(tǒng)其藥品消耗下降為28.6元，節(jié)約藥品成本12%。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，相比于人工檢測(cè)，硅烷前處理在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)越性： 槽液參數(shù)控制穩(wěn)定、準(zhǔn)確，提高了良品率。實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控，使參數(shù)控制波動(dòng)范圍減小，有效減少化學(xué)藥品用量和廢水處理量。減少員工工作量，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。生產(chǎn)過(guò)程可監(jiān)控、數(shù)據(jù)可溯化。最終可實(shí)現(xiàn)涂裝前處理生產(chǎn)無(wú)人化、自動(dòng)化、智能化，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益同步提升。

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第一作者簡(jiǎn)介：吳宏洋（2002-），男。研究方向?yàn)椴牧峡茖W(xué)與工程。

*通信作者：王昕（1970-），女，碩士，副教授。研究方向?yàn)楸砻嫣幚聿牧吓c工藝。