铝型材粉末涂装的材料成本控制

张华东

摘要:本文主要介绍了型材粉末涂装中影响材料消耗的因素,对前处理液、粉末涂料消耗、能源消耗等做了详细论述,给出了一些重要参考数据,便于业内人士参考。

1 前言

铝合金建筑型材是当今门窗和幕墙主要的结构材料,在世界范围内广泛应用。铝合金挤压型材(未经表面处理)外观单一,在潮湿的大气中容易腐蚀,很难满足建筑材料高装饰性和超强耐候性要求。为了提高铝型材的装饰效果,增强抗腐蚀性,延长使用寿命,采用粉末涂装铝型材越来越受到人们的青睐。

粉末喷涂的生产成本直接关系到企业的经济效益。粉末涂装成本由两部分组成:即材料费用和人工费用。材料成本由前处理液消耗、粉末涂料消耗、固化能源消耗几部分组成。人工费用比例较小,取决于涂装的生产效率。

2 材料消耗影响因素及解决方法

2.1 前处理液消耗

铝型材在粉末喷涂前必须进行前处理。前处理的目的在于促进基材(铝合金)和有机涂层(粉末涂料或液体涂料)之间的附着力并且改进防腐蚀性。铝型材喷涂前处理一般为化学转化处理,使铝型材表面形成均匀的化学转化膜。常用工艺有两种:

— 脱脂→水洗→碱蚀→水洗→中和→水洗→化学转化(铬化)→水洗→水洗→烘干(60~85℃)。

— “三合一”清洗→水洗→水洗→化学转化(铬化)→水洗→水洗→烘干(60~85℃)。

(1)脱脂:是在侵蚀之前去除工件表面的油、脂以及其它污染物,得到清洁的表面。在此工序中通常加入抑制剂防止清洁的铝材表面被氧化。脱脂温度一般控制在50~70℃,脱脂时间为3~4min,与工件表面状态有关。

(2)水洗:在前处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学药液,防止药液间的交叉污染。脱脂后的第一道水洗通常使用自来水或井水,但前处理的最后几道水洗要求采用去离子水以防止出现附着力差和腐蚀问题。所用去离子水的电导率不能超过30μS/cm,如果超标,硬水中的盐(钙离子)将在干燥过程中沉积在工件表面形成腐蚀点,导致涂层产生气泡。第一道水洗池没有温度限制,但铬化后的水洗工序要求水温不超过50℃,水洗温度太高,铬化膜可能被洗掉。水洗时间一般为几分钟,搅动工件或用空气搅动水可以增强水洗效果。

(3)碱蚀:铝材表面通常存在一层较薄的自然氧化层,在铬化之前必须清除干净,在此工序中需要加入抑制剂防止清洁的铝材表面被氧化。碱蚀温度宜控制在50~70℃,碱蚀时间控制在7~8min。

(4)中和:碱蚀阶段的不溶酸洗残留物在中和阶段加以除去。这些残留物包括金属或非金属氧化物(如镁氧化物、硅氧化物等),这些物质在碱性溶液中不溶解,可用硝酸或硫酸去除。现在许多厂家使用含铬酸盐的中和液,可以阻止铝材表面的再次氧化。硅氧化物可用氟化物除去。浸入时间依据酸洗残留物的情况而定,一般为30s到5min不等。中和处理通常在室温下操作。

(5)化学转化(铬化):对铝材来说,铬化是最常用的化学转化前处理方法。铬化膜提高了铝金属与涂层之间的附着力,改善了涂层的防腐性能。如果铬化膜太厚,防腐蚀性能虽得到提高但附着力变差。铝材铬化有如下两种形式:

— 黄铬化:铬化池温度约25℃,加入硝酸调节pH值至1.5~2。黄铬化膜的最外层是很薄的铁氰化铬和水合三氧化二铬,其下覆盖着一层很厚的水合三氧化二铬。在铝与铬化膜的界面上存在少量的氧化铝与氟化铝(如图1)。得到的化学转化膜为黄色铬化层,颜色从浅黄到深金黄色,铬化膜厚度600~1200mg/m2。

— 绿铬化:也叫磷化铬化,即使用磷酸调节pH值至1.7~1.9,铬化温度通常为25~30℃。绿铬化膜的结构是大量的水合磷酸铬与少量的水合氧化铬组成的较厚膜层。在铝与铬化膜的界面上存在少量的氧化铝与氟化铝(见图2)。铬化处理后转化膜呈绿色,颜色由浅绿到深绿变化。铬化膜厚度600~1500mg/m2。

(6)烘干:铝材喷涂粉末涂料前必须完全干燥。工件表面的潮气将影响固化膜质量。烘干炉的炉温不能太高,黄铬化膜的破坏温度大约是65℃,绿铬化膜的破坏温度为80℃左右,如果烘干炉温度超过以上限值,将使涂层防腐蚀性能降低。

在整个涂装前处理工艺中,影响前处理液消耗的因素主要表现在以下两方面:

— 前处理液的品质: 前处理液的质量不仅影响铬化膜质量,而且直接影响生产成本。我们不能单纯根据前处理液售价来选择,前处理液实际使用时的配比和使用效果更为重要。1/10的铬化液和1/20的铬化液每公斤售价尽管差异很大,但实际使用效果和处理液消耗量才是选择的最终依据。

— 工件积液和槽体窜液:工件结构差异很大,工件前处理时不论是槽浸还是喷淋,都必须保证工件离开槽体后尽可能减少地带走槽液。这就需要根据工件结构打工艺孔,调整工件倾斜位置或改变工艺过程。带走的槽液还会造成窜液现象,严重影响槽液质量和处理效果,甚至使槽液很快报废。喷淋线必须有足够的过渡段,并采用正确的工件吊挂形式。较长的工件要防止直接导液(前一槽的溶液沿工件直接导入后一槽)。槽浸式工艺必须防止盲孔内积液。

2.2 粉末涂料消耗

我国粉末静电喷涂主机技术已有20多年的发展历史,制造厂商颇多,但设备整体性能和质量水平参差不齐。其中一个重要原因在于在这些制造企业中经济实力与技术水平俱佳者很少。在经济利益的驱动下,在对静电与气动等关键技术缺乏研究的情况下,相互抄袭,难以保证产品质量。

静电技术在粉末喷涂工艺中占有十分重要的地位,深入了解粉末喷涂过程中的静电现象,对静电粉末喷涂主机的使用者和制造商都是必要的。随着技术进步,先进的静电粉末喷涂设备进入市场,其性能已基本解决了如下需求:

— 均匀和优质的涂膜

— 获得尽可能大的一次上粉率

— 克服法拉第屏蔽效应,使几何形状复杂的工件得到有效涂盖。

— 较好地实现了工件复涂

在自动喷涂生产线的运行中,不同形状和尺寸的铝型材往往同时被挂在同一条输送链上。铝型材之间存在水平间隔,而且铝型材高度也不相同。这种水平空档和高度差是造成粉末空喷的主要原因。为了减少由此引起的粉末材料浪费,现代化的自动喷涂生产线应用了喷枪自动开/断控制系统,即在喷室入口处设置阵列式光电传感器(或称光幕),自动检测工件存在与否以及工件的尺寸和外形,并将光幕检测的信息传递给喷枪开/断控制系统,以保证当工件经过喷枪时,自动开启所需的喷枪进行喷涂。具有喷枪开/断控制系统的喷涂设备通过减少喷枪的空喷,大大节约了粉末涂料,减少了喷枪部件的磨损,并节约了劳动力成本。

在涂装作业中,影响粉末材料消耗的主要因素有:

— 粉末质量:质量好的粉末每公斤可喷涂10~12m2,质量差的粉末只能喷涂4~6m2,二者几乎相差一倍,但价格差距并不大。

— 涂层厚度:平光粉的喷涂膜厚一般为60~80μm,砂纹粉的喷涂厚度为50~70μm,桔纹粉喷涂厚度90~110μm。当然涂层越厚所消耗的粉末量越大。

— 设备:若喷涂设备的回收系统出现问题,将导致粉尘外溢或抛洒损失过大,喷枪上粉率降低,凹槽难上粉,堆积在凹槽内的粉末随工件带走。粉末静电喷涂主机在整个喷涂系统中十分重要,它将直接影响涂膜均匀性、平整性和一次上粉率。

2.3 能源消耗

粉末喷涂工艺中的能源消耗有3个方面:一是槽液加热,二是铝型材铬化后的水份烘干,三是粉末固化,以粉末涂层固化消耗的能源最多,现分别讨论如下。

(1)槽液加热:很多企业都直接选用常温前处理剂,中温脱脂及铬化已很少再用。在北方地区当环境温度低于5oC时为提高生产效率需要采用加温脱脂,所以这部分能耗在生产成本中比例不大。

(2)铝型材铬化后的水份干燥:铬化后的铝材需及时干燥才能保证涂层附着力。烘干的工艺温度一般在120oC左右。但若湿工件堆放在烘箱内,气流循环受阻,完全靠高温来干燥,则干燥速度慢,干燥效率低。所以烘箱干燥需要提高循环风速,散开工件并定期开门排放水蒸气。

(3)粉末涂层固化:粉末涂料的固化温度较高(200±5℃),固化时间较长(10~15min),是粉末涂装中的耗能大户,也是涂装生产成本的主要来源。其影响因素主要有以下几方面:

— 能源种类:粉末固化采用的能源有电加热、油加热、天然气加热、燃煤加热等,能源选择需考虑多方面因素:一是资源条件,二是管理方便性,三是环境及政策法规,四是产品附加值。几种能源的单位价格比较如下表1所示。表1说明,电加热的单位成本价格最高,电加热的优点是管理和使用方便,若不更换现有供电设备则投资较省,适用于功率较小的烘箱和附加值高的产品。柴油比电的单位价低20%,在烘箱容量较大且供电容量受限时采用柴油加热也很方便,符合环保法规要求。天然气是洁净能源中性价比最优的能源,但资源条件有限。燃煤是价格最低的能源,仅相当于电价的1/5,所以大量的涂装企业均选用燃煤加热。燃煤加热的最大问题是使用和管理不方便,存在生火,封火,原料堆放,煤灰清运等麻烦,且难以符合环保法规要求。

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— 生产效率:单位时间内产出的成品越多,涂装单位面积所需能耗成本就越低,这是一个共识。生产效率的高低决取决于设备结构和性能,铝型材转移是否方便等。

— 设备结构:粉末固化设备有箱式炉、全桥烘道、半桥烘道、直通烘道等。实践经验告诉我们,同样的空炉升温时间所配置的加热功率是不同的,箱式炉为3kW//m3,全桥烘道为2.5kW/m3,半桥烘道2kW/m3,直通烘道3.5kW/m3。直通烘道尽管在出口设置风幕,但热损失仍是最大的。根据铝型材在烘道中运行的路线,可分为单行程烘道、双行程烘道(U形烘道)、多行程烘道(S形烘道)和W形烘道。在完成同样的生产任务情况下,烘道设计成双行程或者多行程,比单行程烘道的散热面积要减少30%,安装面积也减少15%,从而减少了能源消耗,可提高经济效益。例如立式生产线的能源消耗大大降低。

— 提高一次合格率:返工造成损失表现在:(1)浪费粉末;(2)浪费能源;(3)浪费工时;(4)影响产品质量。工件喷涂后进炉前应认真检查补喷,减少返工是最重要的节约手段。

— 新材料新技术:粉末涂料厂家提供固化温度低的粉末是我们所期盼的,能明显降低能耗。 当然先进的薄涂粉末技术、粉加粉木纹技术、转印技术、抗划伤粉末技术、纳米功能粉末技术等正在改变铝材涂装行业。

3 结语

粉末涂料是涂装工艺中最大的耗材,选择性价比高的粉末涂料,控制适当的涂层厚度,选择合理的涂装设备,减少浪费和返工是控制粉末消耗的有效方法。我们在燃油加热改为天然气加热后,尽管工厂一次性投资了31.6万元,但涂装产量增加了24%,仅燃料一项就节省了36万元/a,降低了涂装成本63.6%。选择合适的前处理液也是控制涂装成本的因素。


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