文/张伟宏
四方科技集团股份有限公司，江苏南通 226000
摘要：粉末涂料相对溶剂型漆、水性漆在性能、质量、环保和管理等方面优势明显，但是因为粉末涂装的高度集成化、自动化和智能化，加之目前行业应用时间较短，导致很多大型工件的生产厂家在新线规划时，难以提出较为全面和符合自身产品和生产要求的相关问题，造成投产后产线问题较多。本研究从喷粉线新线布局时需要考虑的一些问题进行分析，以期给需要新建产线的工厂提供参考。
关键词：粉末涂料；大型工件；喷粉线；新线布局
Design Scheme of New Line Layout for Powder Coating Process for Large-Size Workpieces Zhang Weihong
(Square Technology Group Co.,Ltd.,Nantong,Jiangsu 226000,China)
Abstract:Powder coatings have obvious advantages in terms of performance,quality,environmental protection and management as compared with the solvent-based and waterborne coatings.However, due to the high integration,automation and intelligence of powder coating process,as well as the short period of applications in the industry,many large-size workpiece manufacturers find it difficult to propose comprehensive and relevant issues that meet their own product and production requirements when planning new lines,resulting in problems after new lines are on production.This article analyzes some issues that need to be considered when laying out new powder spraying lines so as to provide reference for factories that need to build new production lines.
Keywords:powder coating;large-size workpieces;powder spraying line;new line layout
0 引 言
相对现行传统的溶剂型漆、水性漆施工工艺，粉末涂装因优异的防护性、环保性、经济性和自动化、智能化等，加之国家环保要求的不断提升和粉末涂装技术的成熟，越来越多的行业、工厂开始进行“油转粉”的升级改造。但传统工艺受制于场地、工序、工艺和设备等因素，升级改造难度较大。因此，很多工厂从运营成本、工艺布局、能耗、安环、自动化等方面更愿意选择新建。对于大型工件来说，包括工程机械、农机、运输车辆、集装箱等，近几年粉末涂装发展迅速，但是因为相对使用时间较短，行业经验积累不多，粉末线的新建以外包为主，工厂实际参与度不高，而很多设计单位、供应商对工厂的产品特性、生产安排等并不十分清楚，所以投产后生产节拍效率打折扣、设备运行不畅、环保设施改造、部分工序冗余等问题凸出。因此，在喷粉线设计初期，工厂的参与十分重要。本研究主要从新线规划需要考虑和注意的问题点入手，提出一些建议和思路，以便减少产线运行后出现的问题。
1 产前规划
工厂在喷粉线规划前，需要对自身产品的特点、防护要求、工艺路线以及市场趋势等进行详细的了解，明确自己的真实需求，有针对性地进行设计和产能规划，避免因定位不清造成后续诸多问题[1]。而且在设计阶段产生的问题，后续整改或者优化难度极大，易造成产能和成本的损失。
1.1 产能规划
相对溶剂型漆、水性漆的施工工艺，粉末涂装更容易采用自动化和智能化，尤其是喷涂工序，其节拍计算如式(1)所示。
式中，K为调整系数，取1.5~2。
一般粉末线的节拍设定：在原喷涂工艺节拍基础上提升1.5~2倍。
1.2 班次规划
喷粉线的特点之一为装机功率大、能耗大。以固化工位为例，每天生产前需提前1~1.5h升温预热，加之考虑晚班能耗费用(峰谷时电费价格低),有些工厂会为了考虑场地空间、设备投资、降低能耗和投资成本等因素，将产能规划为双班生产。但实际上如果单班可以完成，或者每天延长1~2h,或者在通过周末集中加班的情况下可以完成，则优先选择单班。从长期的能耗、产品稳定性、运营成本、环保(晚上噪音)等考虑，非必要情况不建议双班。
1.3 物流规划
涂装工序属于中间工序，需要考虑上下道工序的物流，因此规划时尽可能做到快速、稳定、顺畅。目前粉末线以悬链系统输送为主，因此传统方式转运方式如叉车、行车、地链等并不适用，建议以桁架机器人、重型AGV/RGV小车、自动化吊运工装等来实现工件的转运，同时可以将工件信息在上下件区域进行扫描和识别，传递到中控系统，从而提高转运效率[2]。
2 场地布局
2.1 场地选择
场地布局一般分原车间改造和新车间建造两种。部分工厂考虑投资成本、场地审批、部分设施再利用等因素，会选择在原有布局基础上或者借用相邻部分场地进行升级改造。实际上，原有的溶剂型漆、水性漆工艺布局，与粉末涂装采用的工艺几乎完全不同。例如，溶剂型漆、水性漆常见工艺流程为：上线→打砂→清理→底漆→烘干→中间漆→流平→烘干→面漆→流平→烘干→返修→下件。粉末静电喷涂常见工艺流程为：上线→打砂→预脱脂→脱脂→水洗→纯水洗→硅烷→纯水洗1→纯水洗2→吹水→水分烘干→底粉喷涂→固化→冷却→面粉喷涂→固化→冷却→下件。除了打砂工序可以保留外，包括前处理工艺、输送方式、喷涂方式、固化温度、环境要求、设备管理、自动化系统等需全部更换，同时，因为粉末喷涂对环境温湿度、通风、照明、隔音、防爆等要求较高，因此改造的难度、周期和费用都会上升。而且，在改造期间，会影响原产品的正常生产(一般不低于6个月),因此，建议在有条件的情况下，尽量选择新建车间。
新车间的建造可以参考GB15607—2008《涂装作业安全规程粉末静电喷涂工艺安全》。该标准对厂房的设计、场地、防火防爆、设备、通风等都做了详细的说明和要求。工厂在前期车间规划、技术交流和后期技术合同确定时均可参考。需要注意的是，目前该标准已有最新征求意见稿《GB15607-202X》,对部分内容进行了更改，因此，设计时建议以最新版要求为准。
2.2 场地尺寸
当工厂确定喷粉线场地后，需要根据产品结构、用途工况、生产节拍、产能、防护要求、质量要求等因素进行内部综合评估，确定采用的工艺路线和产能数量。然后开始联系设计单位、供应商进行工艺布局、路线等方案的设计，初步确定场地的尺寸，其中值得注意的是厂房的高度和缓存区域。
(1)厂房的高度
目前大型件包括工程机械、集装箱、挂车、农用机械、专用车等，主要采用悬链输送，一般距离地面1.2~1.6m,同时为了节约空间，加热设备、风机、VOC废气处理设备等主要放置在室体的顶部，这样厂房的高度普遍高于常规厂房。一般情况粉末喷涂线的高度不低于13.5m,具体高度需要与设计方进行确认。
(2)缓存区域
(a)因为大型工件的质量防护要求较高(一般不低于10a),常规的喷粉配套方案为：底粉+面粉(两道粉)方式，因此，需要考虑底粉固化后喷涂面粉前的等待(包括分界遮蔽、换色等待、底粉固化修补等)停留区；(b)大型工件非标较多(包括形状、颜色、配套、结构等均不同),为了减少程序切换和生产顺畅性，一般会将同类产品集中到一定数量后集中喷涂，需要临时停放区；(c)生产结束后为了确保产品质量，前处理工序、粉房和固化工序不允许停留产品，需要设立排空区。因此，类似这些非连续生产的转运等待区域统称缓存区，是喷粉线必不可少的一部分。其工序数量的设定应不低于：前处理工位数量+粉房数量(包括预涂、修补工位)+固化工位数量+当班产量×50%,且以并联方式排布，一般不少于3条。
3 工艺布局
3.1 整体布局
根据工件的使用工况，一般情况分两种：户内和户外。户内一般一道环氧粉即可，厚度在60μm以上；户外一般为环氧+聚酯粉，两涂两烤，总厚度在120μm以上。大型零部件一般均为户外使用，其静电喷粉工艺为：上线→打砂→水冲洗→预脱脂→脱脂→水洗→纯水洗→硅烷处理→纯水洗1→纯水洗2→吹水→水分烘干→刮腻子→遮蔽1→底粉喷涂→固化→强冷1→缓存→遮蔽2→面粉喷涂→固化→强冷2→去遮蔽→反补→下件。“ ”为辅助工序，可根据实际情况进行设置。
3.2 局部优化
(1) 水冲洗
原溶剂型漆、水性漆施工工艺中，在打砂操作后有一道清理工位，用压缩空气去除表面浮尘、死角位残砂等。而粉末喷涂工艺一般打砂后直接进入预脱脂工序，易造成预脱脂工位大量灰尘、打砂丸料的堆积，污染槽液的同时对设备也造成损害。另外，部分大型碳钢件由多部分总装焊接而成，部分零部件会提前分批制作。因时间过长，会在零部件表面预涂水基防锈剂防腐，打砂时基本会略过水基防锈剂区域，而利用预脱脂时的冲洗压力将其去除，这样会对预脱脂槽液造成污染，从而缩短槽液寿命。因此建议保留水冲洗工序，除尘的同时可有效去除防锈剂等。同时根据工件表面情况对水温、压力等进行调整，以便达到更好的处理效果。但是目前因行业切换粉末喷涂时间均不长，此方面经验积累并不多，仅从工艺方便考虑，说服力不强，因此建议：暂时在打砂工位后预留出1~2个空工位，后续如果需要，可以再进行改造。
(2) 硅烷处理
目前相对磷化、陶化等前处理工艺，硅烷处理工艺更加环保和节能，其污染物处理主要为氨氮、SS、COD等(具体以产品的MSDS为准),一般污水处理量在2~2.5t/h左右(包括预脱脂和脱脂)。选择常规的污水处理方案即可，而污水处理站占地面积不大，基本在200m²以下。需要注意的一点是，目前排放标准为《污水综合排放标准》(GB8978—2002),但是随着近年来国家对环保管理的力度不断加强，部分省市都已发布了相对国标更加严格的环保要求和政策。因此，在确定排放标准时需查阅当地的相关政策，如果本省市暂无，则参考其他省市的政策，同时建议放出一定的余量，避免运行一段时间后，因设计选型原因造成排放超标，将直接影响生产。
(3) 刮腻子
从产品质量方面考虑，原则上不建议刮腻子。但是考虑到极个别原因需要，因此增加一道刮腻子工位，也可以与遮蔽工序在同一工位。考虑到后续的静电喷涂和高温固化，因此，腻子需选择快干型耐高温导电腻子[3]。同时注意厚度控制，具体工艺参数需要根据固化温度、固化时间、粉末厚度等因素确定，建议进行现场测试。实际上针对需要刮腻子的产品，建议在上线前进行补焊打磨处理，非必要情况不采用刮腻子的方式处理。
(4) 遮蔽
相对结构较为简单的钣金件，对于大型工件来说，安装面、法兰面、连接孔、分色边界线等非喷涂区域，遮蔽是必不可少的。对于较为规则的区域，建议以工装类遮蔽为主，如盲盖、工艺塞、专用盖板等，简单快捷。而对于边缘不规则区域，则以胶带和柔性遮蔽材料为主，但这些材料需要考虑耐高温(不低于固化最高温度)、可重复利用、无残留、环保等特性，导致辅材成本难以下降。因此，一般情况下，选择常规普通材料，如压敏胶带、普通软塑料布等进行遮蔽，在粉末喷涂后固化工位前进行人工去除，对于边缘的损伤，可以后续简单的修补。
(5) 喷粉
喷粉工序主要以高度集成化为特点，包括喷涂、换色、回收系统等，工厂可调整的地方不多。目前遇到的问题主要是换色耗时过长。因此，一般情况面粉的喷涂都是双喷房并联设置，一用一换色，不影响正常的节拍。但是需要注意面粉房的空间在满足生产的前提下，尽可能紧凑一些，这样减少换色清理的时间和工作量。同时在生产任务的安排上尽量合理，做到同色系颜色优先排列；喷涂顺序先浅色后深色；换色优先安排在生产结束后。
(6) 固化
大型工件一般材料厚度在4~60mm左右，同时不同区域的厚度不同，这样需要考虑加热的均匀性，因此常规的固化方式为：红外加热+燃气加热。其中，红外加热升温快、加热效果强，主要针对工件厚板区域。目前红外加热分为燃气加热和电加热两种，其特点为燃气红外加热耗能较低，具有成本优势，但是存在加热时间长、调节比较困难的问题。电红外加热相反，加热快易调节，但是能耗较高。采用哪种方案主要取决于工厂的生产安排和产品特点，如果上线产品和顺序较为稳定，则优先选择燃气红外加热；如果上线顺序和产品类型较为复杂多变，则优先选择电红外加热。
(7) 强冷
工件从固化炉出来后表面温度较高，而喷涂时一般要求工件温度<40℃。因此，强冷工序的风量、风速、时间需要进行控制，同时还要考虑噪音问题。强冷工位尽可能位于车间内部，远离厂房边缘，避免噪音过大，尤其是因特殊原因出现晚班生产的情况。
(8) 缓存
缓存区域主要采用并联，并确保每条缓存线一定的工位数量。从节能的角度考虑，缓存区也可以作为强冷后降温区域的过渡。但是需要注意的是，当工件表面温度明显高于环境温度时(温差>20℃),表面易吸附灰尘、纤维等杂质，因此缓存区的清洁度需要控制。一般可采用简单的四周隔离，定期对缓存区进行人工清洁处理即可。另外，因为缓存区域的存在，在线预留出了较大的空间，后续可以根据实际生产情况对整个产线布局进行升级和优化。
(9) 去遮蔽
在此工位对之前工件遮蔽材料进行去除，包括工装类遮蔽。其中，需要重复利用的，放置专用转运筐、架子，满足一定数量后集中运至遮蔽区；无需重复利用的，由专人收集后按照废弃物类别集中处理。因工件较大，遮蔽区域和范围多变，一般需要登高作业(包括遮蔽工位),因此常设有升降平台，以便人员操作。对于去遮蔽工位的位置，考虑节拍因素和工件表面状态，工件强冷后表面温度仍然保持在40~50℃,因此，去除遮蔽工位一般设定在下件工位前，即远离强冷工位。即使没有缓存区域，下件区域临近出口，环境温度相对较低，这样便于工件快速冷却，便于操作。
(10) 反补
反补工序主要根据工件的实际修补量进行设置。考虑粉末涂装的稳定性，一般修补量很少，因此，可与去遮蔽工位合并，或者在去遮蔽和下件工位之间。对于修补量较大的情况，可能影响下件节拍，建议设立单独的反补工位，且位于单独的通道。目前对于粉末涂装后的返修，主要还是用溶剂型漆、水性漆或者自喷漆进行简单修补，不但颜色上有明显差异，而且防护性能和外观都会有所影响。虽然目前有部分粉末涂料生产厂家反馈可以提供专用的修补粉，但是配方并不成熟或者成本太高，对工厂来说仍然达不到预期效果。另外，根据汽车行业修补经验，结合粉末涂料的特性，有一种思路可以进行借鉴：对粉末涂装后的缺陷，按照汽车修补方式打磨处理，然后手工喷涂粉末漆(以低温粉为主),喷涂后用红外烤灯进行局部加热固化。但是目前此方案只存在理论中，并未进行有效的试用。同时因为成本、工时、能耗等原因，预计实施难度较大，但随粉末涂装设备或者粉末涂料技术的发展，后续可能会有更佳的返修方案。
4 成本分析
4.1 投资成本
喷粉线工艺和布局除了打砂工序沿用外，全部需要投入新设备，同时增加了中央控制室，因此投资成本很高。对于大型工件的喷粉来说，即使产品结构、类型、喷涂颜色相对较为单一的产品，喷涂投资也都在千万级别左右。对于不同结构/产品混线生产、喷涂颜色较多并存在换色、质量性能要求高等产品，其生产线的投资预计在4000~5000万元。实际上各工厂可以根据本工厂产品的特征，对各工序进行优化调整，满足需求即可。图1以某机械运输行业喷粉线各工序的投资费用为例，各工序比例进行汇总对比。
目前因为大型工件喷粉线起步较晚，大多从2020年左右开始，因此粉末喷涂的工艺经验积累并不多。很多工厂在上喷粉线时，选择专业的设计公司、供应商整体外包方式为主，而这些设计公司、供应商对常规的粉末线工艺布局很了解，但是具体到某些领域的一些具体产品的工艺，实则也不很清楚。所以在布局时基本上都是按照全面化、通用化和高端化进行设计，这样总的成本就上升了。因此，还是建议工厂在上喷粉线前对自身产品所需的工艺进行了解和分析，满足产品性能、质量和产能即可，这样可以做到量体裁衣，去除不必要的设备和工序，总成本至少可以节约20%以上。
4.2 能耗成本
相对传统喷涂方式，粉末喷涂增加全自动控制的前处理工序(脱脂45~60℃)、水分烘干(150~180℃×20min)、静电喷涂设备(包括机器人控制)、固化增加红外加热和燃气加热(180~220℃×20min)、强冷(大功率风机)、转运(AGV小车和悬链)等，同时为了保证粉房温湿度，增加了中央空调系统，造成总耗能明显增加。以常规户外大型工件(底粉+面粉)、面漆存在换色工艺(面粉x2),即粉末喷房设立3间的生产线为例，装机功率在2000kW左右，其各工序的装机功率占比如图2所示。
实际上，根据不同的工艺布局、物流方式、产品特性要求、班次安排、节拍设定等因素，设备的装机功率变化幅度会很大，甚至超过30%。比如将空中悬链运送方式改为地面轨道/板链，加热方式改为普通蒸汽加热，其装机功率可降低25%左右。同样，设备投资成本也会降低20%左右，甚至更多。
针对装机功率，需要工厂注意的是，一旦上粉末线，工厂的总用电量上升。如果超过一定功率，则需要增加单独供电线路，目前国家没有明确的标准，但各地有不同规定，有的地区超过10000kW,需要用专线供电，有的地区则是超过8000kW,因此，需要根据情况和当地的供电局进行沟通。
4.3 运营成本
运营成本主要分为材料和人员两部分，相对传统的溶剂型漆、水性漆涂料喷涂，从体积固体份、上漆率考虑，最终实际成膜质量大概只有其30%左右，见表1。
而粉末涂料的固体份为100%,操作时无需添加稀释剂，常规使用效率按照95%计算(含可回收利用部分),如果需要达到上表中0.126kg/m²的成膜质量，实际需要0.133kg/m²的粉末涂料即可，相对溶剂型漆、水性漆的用量0.375kg/m²,可以节约65%左右。
虽然在原料价格、厚度配套等存在一定差异，但在性能和质量保证的前提下，其用量整体大幅降低，因此总的材料成本也会随之下降。一般情况，采用粉末涂装的材料采购总成本大约为同类溶剂型漆、水性漆涂料总成本的40%左右。
另外，漆渣、废包装桶等属于危废类，需要委托专业机构/企业进行处理，漆渣目前市场处理价格大约在2200~2500元/t;而漆渣的总量大约为涂料消耗总量(不含稀释剂)的20%~25%,因此一般耗漆量规模较大的企业，其漆渣年处理费用也在100万左右。再者，溶剂型漆、水性漆因环保要求，废气处理主要采用RTO设备，相对粉末涂料的废气处理，其运行成本预计高出200~300万/a。因此，从材料成本方面考虑，粉末漆优势巨大。
从人员成本来看，采用喷粉线后，整条线包括生产和非生产人员17人左右，见图3。相对传统操作人员减少1/4左右，用工成本每年可以节约60~80万元。而且劳动环境、劳动强度大幅改善。
综合分析，粉末线主要是一次性投资巨大、能耗高，但是从材料、危废处理、人员等方面考虑，长期效益显著。
5 安环管理
5.1 主线方面
关于粉末涂装线的设计安全问题，在国标GB15607—2008《涂装作业安全规程粉末静电喷涂工艺安全》中已经进行了较为明确的要求和说明，包括防火/防爆要求、电气线路、喷粉系统、通风系统、涂料贮存和输送、设备操作和维护、人员穿戴等。需要注意的是，国标中的要求是最低也是最基本的要求，因此在与设计单位或者外包商沟通时，尽可能采取更加严格和安全的新式设备和设施，比如旋风管路设置隔爆阀、泄爆口，泄露/压力切断/报警装置等，成本虽然会上升，但是消除了安全隐患，而且避免了后续因政策调整和设备升级换代而进行的改造费用。
5.2 配套设施
关于粉末涂装线的废水、废气、噪音处理，需满足相关标准。其中，废水处理需满足GB8978-1996《污水综合排放标准》标准；废气处理需满足GB16297—1996《大气污染物综合排放标准》标准；噪音设计需满足GB12348—2008《工业企业厂界环境噪声排放标准》标准。特别需要提醒的是，目前污水和大气综合排放标准，各省市、地区包括行业都制定了相对国标更加严格的排放标准，因此，在设计时需要查询本地区(或者其他省市)、本行业(或相关行业)的相关规定和政策作为参考依据。考虑到安环的重要性和特殊性，建议在产线规划和建造时，安排专职的安环人员全程参与。
6 结 语
对于计划新建或者准备升级为喷粉末线的工厂，虽然目前在设计方面主要借助专业设计公司或者特定供应商，但是对产品的理解和应用上，还是需要工厂本身的参与，将需求反馈得更加详细和具体。这样在设计阶段既可以少走弯路，提高产线运行后的顺畅性，避免后续因产线升级和改造带来的不便，还可以对局部布局、工艺等进行合理优化，降低投资和运营成本，从而为工厂的顺利转型奠定基础。
参考文献
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[3] 郑小艳，范德付，陈文琛.结构件与薄板件共线的粉末涂装应用研究[J].现代涂装，2022(12):55-57.
本文转载自《涂层与防护》2023年11月第44卷第11期
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