廣東忠馳鋁業(yè)有限公司鋁型材粉末涂裝的材料成本控制

1 前言

廣東廣杰鋁業(yè)鋁合金建筑型材是當今門窗和幕墻主要的結(jié)構(gòu)材料，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用。鋁合金擠壓型材(未經(jīng)表面處理)外觀單一，在潮濕的大氣中容易腐蝕，很難滿足建筑材料高裝飾性和超強耐候性要求。為了提高鋁型材的裝飾效果，增強抗腐蝕性，延長使用壽命，采用粉末涂裝鋁型材越來越受到人們的青睞。

粉末噴涂的生產(chǎn)成本直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟效益。廣東忠亞鋁業(yè)粉末涂裝成本由兩部分組成：即材料費用和人工費用。材料成本由前處理液消耗、粉末涂料消耗、固化能源消耗幾部分組成。人工費用比例較小，取決于涂裝的生產(chǎn)效率。

2 材料消耗影響因素及解決方法

2.1 前處理液消耗

廣東廣淵鋁業(yè)鋁型材在粉末噴涂前必須進行前處理。前處理的目的在于促進基材(鋁合金)和有機涂層(粉末涂料或液體涂料)之間的附著力并且改進防腐蝕性。鋁型材噴涂前處理一般為化學(xué)轉(zhuǎn)化處理，使鋁型材表面形成均勻的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。常用工藝有兩種：

— 脫脂→水洗→堿蝕→水洗→中和→水洗→化學(xué)轉(zhuǎn)化(鉻化)→水洗→水洗→烘干(60～85℃)。

— “三合一”清洗→水洗→水洗→化學(xué)轉(zhuǎn)化(鉻化)→水洗→水洗→烘干(60～85℃)。

（1）脫脂：是在侵蝕之前去除工件表面的油、脂以及其它污染物，得到清潔的表面。在此工序中通常加入抑制劑防止清潔的鋁材表面被氧化。脫脂溫度一般控制在50～70℃，脫脂時間為3～4min，與工件表面狀態(tài)有關(guān)。

（2）水洗：在前處理的每道工序中都有一道或二道水洗以去除工件表面的化學(xué)藥液，防止藥液間的交叉污染。脫脂后的一道水洗通常使用自來水或井水，但前處理的后幾道水洗要求采用去離子水以防止出現(xiàn)附著力差和腐蝕問題。所用去離子水的電導(dǎo)率不能超過30μS/cm，如果超標，硬水中的鹽(鈣離子)將在干燥過程中沉積在工件表面形成腐蝕點，導(dǎo)致涂層產(chǎn)生氣泡。一道水洗池沒有溫度限制，但鉻化后的水洗工序要求水溫不超過50℃，水洗溫度太高，鉻化膜可能被洗掉。水洗時間一般為幾分鐘，攪動工件或用空氣攪動水可以增強水洗效果。

（3）堿蝕：鋁材表面通常存在一層較薄的自然氧化層，在鉻化之前必須清除干凈，在此工序中需要加入抑制劑防止清潔的鋁材表面被氧化。堿蝕溫度宜控制在50～70℃，堿蝕時間控制在7～8min。

（4）中和：堿蝕階段的不溶酸洗殘留物在中和階段加以除去。這些殘留物包括金屬或非金屬氧化物(如鎂氧化物、硅氧化物等)，這些物質(zhì)在堿性溶液中不溶解，可用硝酸或硫酸去除?，F(xiàn)在許多廠家使用含鉻酸鹽的中和液，可以阻止鋁材表面的再次氧化。硅氧化物可用氟化物除去。浸入時間依據(jù)酸洗殘留物的情況而定，一般為30s到5min不等。中和處理通常在室溫下操作。

（5）化學(xué)轉(zhuǎn)化(鉻化)：對鋁材來說，鉻化是常用的化學(xué)轉(zhuǎn)化前處理方法。鉻化膜提高了鋁金屬與涂層之間的附著力，改善了涂層的防腐性能。如果鉻化膜太厚，防腐蝕性能雖得到提高但附著力變差。鋁材鉻化有如下兩種形式：

— 黃鉻化：鉻化池溫度約25℃，加入硝酸調(diào)節(jié)pH值至1.5～2。黃鉻化膜的外層是很薄的鐵氰化鉻和水合三氧化二鉻，其下覆蓋著一層很厚的水合三氧化二鉻。在鋁與鉻化膜的界面上存在少量的氧化鋁與氟化鋁(如圖1)。得到的化學(xué)轉(zhuǎn)化膜為黃色鉻化層，顏色從淺黃到深金黃色，鉻化膜厚度600～1200mg/m2。

— 綠鉻化：也叫磷化鉻化，即使用磷酸調(diào)節(jié)pH值至1.7～1.9，鉻化溫度通常為25～30℃。綠鉻化膜的結(jié)構(gòu)是大量的水合磷酸鉻與少量的水合氧化鉻組成的較厚膜層。在鋁與鉻化膜的界面上存在少量的氧化鋁與氟化鋁。鉻化處理后轉(zhuǎn)化膜呈綠色，顏色由淺綠到深綠變化。鉻化膜厚度600～1500mg/m2。

（6）烘干：鋁材噴涂粉末涂料前必須完全干燥。工件表面的潮氣將影響固化膜質(zhì)量。烘干爐的爐溫不能太高，黃鉻化膜的破壞溫度大約是65℃，綠鉻化膜的破壞溫度為80℃左右，如果烘干爐溫度超過以上限值，將使涂層防腐蝕性能降低。

在整個涂裝前處理工藝中，影響前處理液消耗的因素主要表現(xiàn)在以下兩方面：

— 前處理液的品質(zhì)：前處理液的質(zhì)量不僅影響鉻化膜質(zhì)量，而且直接影響生產(chǎn)成本。我們不能單純根據(jù)前處理液售價來選擇，前處理液實際使用時的配比和使用效果更為重要。1/10的鉻化液和1/20的鉻化液每公斤售價盡管差異很大，但實際使用效果和處理液消耗量才是選擇的依據(jù)。

— 工件積液和槽體竄液：工件結(jié)構(gòu)差異很大，工件前處理時不論是槽浸還是噴淋，都必須保證工件離開槽體后盡可能減少地帶走槽液。這就需要根據(jù)工件結(jié)構(gòu)打工藝孔，調(diào)整工件傾斜位置或改變工藝過程。帶走的槽液還會造成竄液現(xiàn)象，嚴重影響槽液質(zhì)量和處理效果，甚至使槽液很快報廢。噴淋線必須有足夠的過渡段，并采用正確的工件吊掛形式。較長的工件要防止直接導(dǎo)液(前一槽的溶液沿工件直接導(dǎo)入后一槽)。槽浸式工藝必須防止盲孔內(nèi)積液。

2.2 粉末涂料消耗

我國粉末靜電噴涂主機技術(shù)已有20多年的發(fā)展歷史，制造廠商頗多，但設(shè)備整體性能和質(zhì)量水平參差不齊。其中一個重要原因在于在這些制造企業(yè)中經(jīng)濟實力與技術(shù)水平俱佳者很少。在經(jīng)濟利益的驅(qū)動下，在對靜電與氣動等關(guān)鍵技術(shù)缺乏研究的情況下，相互抄襲，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

靜電技術(shù)在粉末噴涂工藝中占有十分重要的地位，深入了解粉末噴涂過程中的靜電現(xiàn)象，對靜電粉末噴涂主機的使用者和制造商都是必要的。隨著技術(shù)進步，先進的靜電粉末噴涂設(shè)備進入市場，其性能已基本解決了如下需求：

— 均勻和優(yōu)質(zhì)的涂膜

— 獲得盡可能大的一次上粉率

— 克服法拉第屏蔽效應(yīng)，使幾何形狀復(fù)雜的工件得到有效涂蓋。

— 較好地實現(xiàn)了工件復(fù)涂

在自動噴涂生產(chǎn)線的運行中，不同形狀和尺寸的鋁型材往往同時被掛在同一條輸送鏈上。鋁型材之間存在水平間隔，而且鋁型材高度也不相同。這種水平空檔和高度差是造成粉末空噴的主要原因。為了減少由此引起的粉末材料浪費，現(xiàn)代化的自動噴涂生產(chǎn)線應(yīng)用了噴槍自動開/斷控制系統(tǒng)，即在噴室入口處設(shè)置陣列式光電傳感器(或稱光幕)，自動檢測工件存在與否以及工件的尺寸和外形，并將光幕檢測的信息傳遞給噴槍開/斷控制系統(tǒng)，以保證當工件經(jīng)過噴槍時，自動開啟所需的噴槍進行噴涂。具有噴槍開/斷控制系統(tǒng)的噴涂設(shè)備通過減少噴槍的空噴，大大節(jié)約了粉末涂料，減少了噴槍部件的磨損，并節(jié)約了勞動力成本。

在涂裝作業(yè)中，影響粉末材料消耗的主要因素有：

— 粉末質(zhì)量：質(zhì)量好的粉末每公斤可噴涂10～12m2，質(zhì)量差的粉末只能噴涂4～6m2，二者幾乎相差一倍，但價格差距并不大。

— 涂層厚度：平光粉的噴涂膜厚一般為60～80μｍ，砂紋粉的噴涂厚度為50～70μｍ，桔紋粉噴涂厚度90～110μｍ。當然涂層越厚所消耗的粉末量越大。

— 設(shè)備：若噴涂設(shè)備的回收系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致粉塵外溢或拋灑損失過大，噴槍上粉率降低，凹槽難上粉，堆積在凹槽內(nèi)的粉末隨工件帶走。粉末靜電噴涂主機在整個噴涂系統(tǒng)中十分重要，它將直接影響涂膜均勻性、平整性和一次上粉率。

2.3 能源消耗

粉末噴涂工藝中的能源消耗有3個方面：一是槽液加熱，二是鋁型材鉻化后的水份烘干，三是粉末固化，以粉末涂層固化消耗的能源多，現(xiàn)分別討論如下。

（1）槽液加熱：很多企業(yè)都直接選用常溫前處理劑，中溫脫脂及鉻化已很少再用。在北方地區(qū)當環(huán)境溫度低于5oC時為提高生產(chǎn)效率需要采用加溫脫脂，所以這部分能耗在生產(chǎn)成本中比例不大。

（2）鋁型材鉻化后的水份干燥：鉻化后的鋁材需及時干燥才能保證涂層附著力。烘干的工藝溫度一般在120oC左右。但若濕工件堆放在烘箱內(nèi)，氣流循環(huán)受阻，完全靠高溫來干燥，則干燥速度慢，干燥效率低。所以烘箱干燥需要提高循環(huán)風速，散開工件并定期開門排放水蒸氣。

（3）粉末涂層固化：粉末涂料的固化溫度較高(200±5℃)，固化時間較長(10～15min)，是粉末涂裝中的耗能大戶，也是涂裝生產(chǎn)成本的主要來源。其影響因素主要有以下幾方面：

— 能源種類：粉末固化采用的能源有電加熱、油加熱、天然氣加熱、燃煤加熱等，能源選擇需考慮多方面因素：一是資源條件，二是管理方便性，三是環(huán)境及政策法規(guī)，四是產(chǎn)品附加值。電加熱的單位成本價格高，電加熱的優(yōu)點是管理和使用方便，若不更換現(xiàn)有供電設(shè)備則投資較省，適用于功率較小的烘箱和附加值高的產(chǎn)品。柴油比電的單位價低20%，在烘箱容量較大且供電容量受限時采用柴油加熱也很方便，符合環(huán)保法規(guī)要求。天然氣是潔凈能源中性價比優(yōu)的能源，但資源條件有限。燃煤是價格低的能源，僅相當于電價的1/5，所以大量的涂裝企業(yè)均選用燃煤加熱。燃煤加熱的大問題是使用和管理不方便，存在生火，封火，原料堆放，煤灰清運等麻煩，且難以符合環(huán)保法規(guī)要求。

— 生產(chǎn)效率：單位時間內(nèi)產(chǎn)出的成品越多，涂裝單位面積所需能耗成本就越低，這是一個共識。生產(chǎn)效率的高低決取決于設(shè)備結(jié)構(gòu)和性能，鋁型材轉(zhuǎn)移是否方便等。

— 設(shè)備結(jié)構(gòu)：粉末固化設(shè)備有箱式爐、全橋烘道、半橋烘道、直通烘道等。實踐經(jīng)驗告訴我們，同樣的空爐升溫時間所配置的加熱功率是不同的，箱式爐為3kW//ｍ3，全橋烘道為2.5kW/ｍ3，半橋烘道2kW/ｍ3，直通烘道3.5kW/ｍ3。直通烘道盡管在出口設(shè)置風幕，但熱損失仍是大的。根據(jù)鋁型材在烘道中運行的路線，可分為單行程烘道、雙行程烘道(U形烘道)、多行程烘道(S形烘道)和W形烘道。在完成同樣的生產(chǎn)任務(wù)情況下，烘道設(shè)計成雙行程或者多行程，比單行程烘道的散熱面積要減少30%，安裝面積也減少15%，從而減少了能源消耗，可提高經(jīng)濟效益。例如立式生產(chǎn)線的能源消耗大大降低。

— 提高一次合格率：返工造成損失表現(xiàn)在：(1)浪費粉末；(2)浪費能源；(3)浪費工時；(4)影響產(chǎn)品質(zhì)量。工件噴涂后進爐前應(yīng)認真檢查補噴，減少返工是重要的節(jié)約手段。

— 新材料新技術(shù)：粉末涂料廠家提供固化溫度低的粉末是我們所期盼的，能明顯降低能耗。當然先進的薄涂粉末技術(shù)、粉加粉木紋技術(shù)、轉(zhuǎn)印技術(shù)、抗劃傷粉末技術(shù)、納米功能粉末技術(shù)等正在改變鋁材涂裝行業(yè)。

3 結(jié)語

粉末涂料是涂裝工藝中大的耗材，選擇性價比高的粉末涂料，控制適當?shù)耐繉雍穸?，選擇合理的涂裝設(shè)備，減少浪費和返工是控制粉末消耗的有效方法。我們在燃油加熱改為天然氣加熱后，盡管工廠一次性投資了31.6萬元，但涂裝產(chǎn)量增加了24%，僅燃料一項就節(jié)省了36萬元/a，降低了涂裝成本63.6%。選擇合適的前處理液也是控制涂裝成本的因素。