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    2023-02-13
     
    工程机械之静电粉末喷涂应用与发展
    2023年02月13日   阅读量:2579


    0 引言


    广义上凡土石方施工工程、路面建设与养护、流动式起重装卸作业和各种建筑工程所需的综合性机械化施工工程所必需的机械装备均可称之为工程机械。

    近年来,受国家政策导向、下游基建需求拉动、存量设备更新等因素驱动,工程机械行业龙头2019年年度业绩普遍超预期,三一重工归母净利润为112.07亿元,同比增长88.23%;2019年中联重科归母净利润为43.71亿元,同比增长116.42%;2019年徐工机械归母净利润为36.21亿元,同比增长76.89%。尤其是2020年新冠疫情影响下工程机械旺季后移,3月份开始释放旺季需求,单月挖掘机销量更是创下历史新高,实现超预期复苏涂料在线www.laywathes.com。随后4月份,三一重工、徐工机械等龙头公司陆续发布提价通知,挖机、混凝土机、起重机等各机型供不应求,迎来涨价潮。

    中长期来看,基础建设仍然蓬勃,中国的工业化和城镇化尚未完成,仍处在一个加速发展的过程之中,加之铁路、公路、机场、城市轨道交通、水利、地下管廊等基础设施投资增加。另外“一带一路”带来的国际化机会,将为国内工程机械行业注入新动力。

    从行业发展趋势看,有两类工程机械细分产品值得关注:小型挖掘机和高空作业平台。从日本等发达国家的发展经验来看,小型挖掘机适用场景更广,替代人工性更高,其未来市场渗透率可能进一步提升。高空作业平台在中国仍处于导入期,其施工效率远高于脚手架,随着施工场景中维系占比的增加,高空作业平台有望快速发展。

    下文就以挖掘机为例来详细阐述。展望未来,预计2020年挖机需求中新增需求的仍会持续增长,而2020~2022年行业的主要驱动力依然为更替需求,预计2020~2022年国内挖机销量有望达到22.97万台、23.49万台、24.20万台,同比增速分别为增长10%、2%、3%。


    1 粉末的发展


    1.1 静电粉末喷涂的发展历史

    出于简单满足外观审美和低成本需求,工程机械制造商最初采用单层液体涂装方式,但实际应用中,各地气候千差万别,工程机械需暴露于各种温度和湿度环境中,光照强度和盐度也各不相同。作为?;げ?,单层液体涂料无法兼具长期UV耐久性和耐腐性,于是为了将基材防护与外观审美要求相结合,产生了多层涂料工艺。尽管多层液体涂料工艺提升了工程机械的环境适应性,但是涂层工艺复杂程度增加,效益降低,企业成本明显上升,更严重的问题是,涂装过程中VOCs成倍增加。在《“十三五”挥发性有机物污染防治工作方案》中,工程机械制造行业被列为重点整治对象之一,其改造目标和路径非常明确:推广使用粉末等高固体分涂料;积极采用机器人喷涂、静电喷涂等先进涂装技术;有机废气收集率不低于80%;在2020年底前,全国1300家工程机械制造企业完成低挥发性涂料替代,低VOCs排放涂装工艺改造及末端治理工程建设。


    1.2 粉末的优异性能

    为了响应国家政策号召及满足市场对涂层性能的需求,粉末涂装技术在这样的大环境下快速发展,使得粉末喷涂在各个方面的表现均能优于油漆喷涂。

    (1)粉末完好的边角覆盖:经过对不同工艺喷涂的工件外观进行检测对比,我们发现,在膜厚和光泽度方面,粉末具备明显优势。

    表1 粉末与其他涂料膜厚和光泽度对比


    粉末

    水性漆

    油性漆

    膜厚(均值)

    114

    84

    73

    光泽度(均值)

    93

    87

    90

    (2)粉末杰出的防腐性和耐候性:基于复杂苛刻的作业环境,防腐性和耐候性对工程机械涂层至关重要:

    表2 各类粉末盐雾、耐光、耐候性试验值

    树脂体系

    产品特色

    盐雾试验

    耐光和耐候性试验


    聚酯

    单涂层

    500~1000Hrs

    500~2000Hrs

    超耐候

    1000~1500Hrs

    2000Hrs

    包边性能两涂一烤

    1000~1500Hrs

    1000~2000Hrs

    环氧

    出色的防腐性能

    500~1000Hrs


    聚氨酯

    优异的防腐性能,耐候性能

    1000Hrs

    1000Hrs

    有机硅

    高温性能稳定

    优异的外观效果

    耐温300~700℃

    1000Hrs

    1000Hrs

    (3)对三种涂料进行了对比,粉末涂料更环保

    表3 粉末与各类涂料环保性对比


    传统溶剂型涂料

    水基涂料

    粉末涂料

    职业健康卫生

    毒性大

    毒性小

    基本没有毒性

    溶剂

    >40%(苯、甲苯、二甲苯)剧毒

    10%(水)

    0

    VOC废气

    100(超过清洁生产35要求)

    <30

    0

    喷漆废水废渣

    次品率%

    10

    10

    1


    1.2 静电粉末喷涂工艺技术的更新发展

    工程机械行业对零部件的边角、孔洞、焊缝部位耐腐蚀性要求较高,因此粉末涂装工艺最初在该领域应用较少。但是工程机械液压钢管的粉末涂装是一个特例,钢管是圆柱状体,边角孔洞缝部位少,应用也较为成功。对于工程机械这类耐腐蚀要求较高的产品,别说要求较高的零部件A级面的涂装,就连要求较低的零部件的B、C级面的涂装,在边角孔洞缝的耐腐蚀性都不能达到腐蚀防护要求,实际使用时存在很大的问题。

    现有的一般粉末涂料喷涂时,涂覆到工件外边角表面的粉末颗粒不会少,但由于粉末涂料的熔融黏度太低或者熔融流动性太大,固化后常常造成边角部位的粉末涂层较??;工件内边角会因为法拉第屏蔽效应导致粉末很难覆盖这些位置。

    在一定条件下,涂料的边角覆盖率和流平性是相互矛盾的。对于大面积涂层的装饰性,要求涂料具有良好的流平性,以获得最佳光泽、平整度、丰满度和鲜映性等;但对于边角特殊的部位,涂料的流平性就造成了边角的覆盖不良。反之,要想减少边角覆盖不良的缺点,必须提高粉末涂料固化时的黏度,减弱固化前的流动性;但这种情况对于大面积涂层需要的流平性又有很大的影响。

    为了解决现有一般粉末涂装产生的边角孔洞缝的腐蚀问题,一种新的“两涂一烤(2C1B)”粉末系统诞生。将新研制的粉末涂料分为2种类型,一种是底粉,在边角孔洞缝部位附着力好且有优良的耐腐蚀性,烘烤流平时能够保证足够的厚度,另一种是面粉,有优良的流平性和装饰性,适合于工件的大面积涂装涂层,并与底粉有很好的配套性。两层特殊配方的粉末涂层涂覆于零部件上,然后进行一次固化过程,这不需要在涂覆面层前进行底层固化,使涂装过程节省大量能源、操作成本和时间。

    粉末两涂一烤工艺流程:底粉喷涂,面粉喷涂,面粉固化。为提高涂层固化速度,加快生产节拍,使用天然气触媒红外辐射加热(220 ℃),即可固化并达到粉末涂层的外观要求,同时节能40%左右。对于复杂的工件(结构复杂或厚度差别较大),后续还需要进行热风循环固化,才能达到最佳效果。


    2 喷粉设备的基本要求及其新技术的发展


    喷粉区域的设备主要包含以下部分:粉房、大旋风、后过滤、往复机、喷枪、控制系统等,为达到最佳的喷涂效果,每套设备都有相应的标准及要求。

    2.1 粉房是静电粉末涂装的重要施工场所,需要满足以下要求:

    1、 粉房设计需维持内部平稳的空气流动,保证较佳的喷涂环境;

    2、 粉房材质选用PVC材质(阻燃材质,符合国标要求),高电阻,不易积粉,便于换色;

    3、 根据粉房开口选择合适的抽风量,保证粉房微负压,开口处风速控制在0.7m/s~0.8m/s;

    4、 粉房内的粉末浓度应其低于粉末爆炸下限的50%;

    5、 喷涂区域要有足够的光线,照度大于800lux,便于检查和手补。

    2.1.1 粉房抽风量的计算公式如下:

    ??= ?? ??????3600

    ?? = 粉房抽风量 [m3/h]

    ?? = 粉房总开口面积 [m2]

    ?? = Σ ????

    Σ ?? = 每个单独开口的总和

    • ?  工件进出粉房开口

    • ?  枪槽开口

    • ?  粉房手补位开口

    • ?  传输链开口

    ???? = 所有开口的风速 [m/s]

    2.1.2 粉末浓度计算:

    工程机械之静电粉末喷涂应用与发展 涂料在线,www.laywathes.com

    ?? = 粉末浓度 [g/m3]

    ?? = 使用枪的总数 [-]

    ?????????? = 每把枪最大出粉量 [200g/min]

    ?? = 粉房抽风量 [m3/h]

    2.2 大旋风是随着市场对快速换色需求日益提高应运而生,而后经过大量的实践应用发现大旋风系统除了可以实现快速换色,还可以提高喷涂品质。以挖掘机为例,其底粉的颜色种类较少,换色需求不大,但是通过大旋风系统可以筛选分离出较难带电的超细粉末颗粒,确?;厥辗壅宓拇缧?,提高喷涂效率及品质。

    2.3 喷枪及控制器是否能满足对喷涂品质的控制,需要符合以下技术要求:

    1、  较高的上粉率,较高的喷涂效率;

    2、  柔和稳定的出粉量,膜厚均匀,可以节约粉末使用成本;

    3、  现在市场上喷枪大部分可以达到100kV高压,而以后对更高电压的应用需求也会越来越多,例如一些进口品牌的喷枪使用更高性能的高压块可以达到110kV高压,更好的提高了上粉率;

    4、  喷枪需要坚固耐用,且能胜任在任何地点,使用任何粉末,用于喷涂任何工件,降低因喷枪种类过多引起的额外费用。

    2.4 在欧洲工程机械市场上,密相阀输送技术(又称为智能直排技术)的应用非常广泛,市场使用率达90%以上。相较于传统文丘里发射器,它能保证恒定的粉末输出曲线,细腻均匀的粉末输送分配,膜厚保持均匀稳定;在不??厥焙蛞部梢员3执笄液愣ㄊ涑?;卓越的粉末节省表现,最高可达15%,而且对粉管长度没有限制;维护周期较长,维护保养综合成本较低。

    2.5 近年来,供粉中心配合大旋风系统实现了快速换色需求,现今各类产品主流技术都在往??榛?、集成化、轻量化方向发展。因此一种新的All-in-One供粉中心技术诞生,将供粉中心与喷枪控制器集成一体,结构更紧凑,取消了文丘里发射器和控制器之间的红黑气管,保证恒定压力且更高的触发精度和准确度,更快的触发响应速度。相较于传统供粉中心敞开式的流化粉箱结构,且需要人工倒粉,这样粉末会存在较高被污染的风险,而且现场环境对工人极为不友好,新供粉中心则将这些环节均设计成相对封闭的,杜绝了粉末污染,提高了环境友好度。另外传统供粉中心会单独配一套抽风,而新供粉中心则利用粉房系统后过滤的抽风量,可以为工厂节省2.2Kw的能耗。

    2.6 工业4.0的快速发展,使得串联所有设备需要更强大的PLC控制系统,除了对喷枪、往复机、粉房系统等设备的传统功能性控制外,为对接工业4.0、远程访问支持、数据管理、在线查看系统和操作数据(包括每天/月/年的换色时间,喷涂作业时间,粉末消耗量及易损件情况,预防性维修计划等)。

    2.7 机器人代替人工是智能工厂必不可少的一部分,但是随着产品种类多元化,零部件种类呈几何倍数增长,机器人编程的工作量急剧上升,对企业控制成本极为不利。动态轮廓扫描技术的应用,其目的是为了对已知物体的补充识别,配合机器人完成高效的自动化。

    ?   自动检测物体的前后轮廓

    ?   自动调整每一个轴向

    ?   没有转换时间,无需编程

    ?   在传统的高度/宽度检测和轮廓检测之间自由转换


    3 挖掘机静电粉末喷涂实际应用分析

    挖掘机零部件粉末喷涂分为三大类,部分制造厂商仅要求底粉无需全覆盖,仅需覆盖边角处,而面粉则需达到全覆盖且有膜厚要求。

    工程机械之静电粉末喷涂应用与发展 涂料在线,www.laywathes.com工程机械之静电粉末喷涂应用与发展 涂料在线,www.laywathes.com工程机械之静电粉末喷涂应用与发展 涂料在线,www.laywathes.com工程机械之静电粉末喷涂应用与发展 涂料在线,www.laywathes.com(1)动臂、斗杆件的吊挂方式均为两件组成一挂,喷涂的难点是两个工件之间的上下面。因悬挂链高度是固定的,故可以布置一把固定顶枪用于喷涂工件顶面。又因动臂外轮廓的特殊弯角,需要用机器人对上层工件底面及下层工件的顶底面,根据实际验证证明可以通过以上方式实现95%的自动化水平。

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    (2)底盘和车架件:其喷涂难点是有大量腔体和凹槽,可使用机器人先对死角位、腔体部分定点喷涂,然后通过往复机进行大面覆盖,根据实际验证证明可以通过以上方式实现90%的自动化水平。

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    (3)油箱件结构相对简单:通过布置固定顶枪和可以上下调节位置的底枪,再配合往复机大面覆盖,,根据实际验证证明可以通过以上方式实现100%的自动化水平。

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    4 静电粉末喷涂在防火防爆方面的要求

    近两年随着国家对企业安全生产监管工作日益严格,安监局针对静电粉末喷涂区域设备也提出了许多要求:

    1、粉房区域的探火及管道的灭火,进口品牌设备商一直将其作为标配,且符合欧洲ATEX认证;

    2、安监局要求设备与设备之间需要有隔爆装置,除尘器上需要配备抑爆装置或者泄爆装置;

    3、美资性质企业则需以上两项基础上,额外符合FM标准的要求。


    5 结语


    随着国内外工程机械市场的蓬勃发展,产品的种类更加的多样化,对表面涂装的要求日益严格。这对静电粉末喷涂领域的伙伴们增添了大量的挑战,然而在这么多艰巨的挑战之中却给我们新技术的发展带来了更广阔的的应用空间!



    来源:粉末涂料与涂装 / 编制人:吉顺林(金马涂装(上海)有限公司)



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