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家电行业粉末涂装生产线解析

日期:2019年11月09日   信息来源:未知

摘要:介绍了家电粉末涂装生产线的平面布局、工艺流程、设备配置和前处理参数控制要求,以及成本的概算,对家电行业粉末涂装线的建设具有指导意义。
家电行业是我国粉末涂料最大的应用领域,粉末涂装技术相对比较成熟。家电粉末涂装生产线由4大主要设备单元构成,包括前处理设备、水分烘干设备、喷粉设备及粉末固化设备。
家电粉末涂装生产线有以下几个特点:
(1) 产量高,多为连续化生产;
(2) 工件相对较轻,多采用悬挂输送方式;
(3) 工件尺寸较小,多数采用单点吊挂方式;
(4)零件结构比较简单,前处理多采用喷淋式结构;
(5)工件多为冷板,锈蚀较轻,不需要在线设置除锈工序;
(6)生产线相对简单,管理维护相对容易。
1、主要设备及工艺参数
1.1 前处理设备
1.1.1 目的及作用
涂装前处理的目的在于去除工件上的油污、氧化皮及尘土等污物,以提供适合涂装的良好基底。其作用主要体现在以下几个方面:(1) 增强涂膜对被涂物表面的附着力;(2) 提高涂膜对被涂物的保护性能;(3) 为涂膜提供平整良好的基底表面。
1.1.2 前处理形式
前处理可分为机械和化学处理,机械处理有:喷砂,抛丸;化学处理有:槽浸式、喷淋式。
1.1.3 前处理工艺过程及典型工艺
前处理工艺多种多样,工艺的确定应考虑以下因素:
(1)底材的构成及成分;
(2)工件的结构形状及表面状态;
(3)表面污物的成分及清洁度要求;
(4)产量及质量要求;
(5)与后道工序的配套性。
前处理主要过程包括脱脂、水洗、表调、磷化、水洗、去离子水洗等工序。根据工件不同、产品不同以及前述5个因素的变化可进行增减。
家电行业的板材一般为冷板,油污较少,脱脂工序一般设置两道,以锌系磷化为主,目前也有采用硅烷处理工艺的。
家电粉末涂装典型的前处理工艺如下:
(1)饮水机壳体的涂装前处理工艺
热水洗(30s,50~65℃ ) → 预脱脂(60s,50~65℃) →脱脂(150s,50~65℃) →水洗1(直排)→水洗1[30s,室温(RT)]→水洗2(30s,RT) →新鲜水直喷→表调(30s,RT) →磷化(150s,50~60℃) →水洗3(30s,RT) →水洗4(30s,RT) →新鲜纯水直喷。
(2)空调器壳体涂装前处理工艺
热水洗(40s,50~65℃ ) →预脱脂(80s,50~65℃ ) →脱脂(120s,50~65℃ ) →水洗1(45s,RT) →水洗2(50s,RT) →新鲜水直喷→表调(45s,RT) →磷化(150s,38~45℃) →水洗3(45s,RT) →水洗4(50s,RT) →纯水洗(50s,RT) →新鲜纯水直喷。
(3)一种特殊的涂装前处理工艺
脱脂磷化(90s,120~140℃ ) →水洗1(60s,120~140℃ ) →纯水喷(5s,RT) →水洗2(60s,RT) →纯水喷(5s,RT)
1.1.4 前处理设备设计及平面布局
家电粉末涂装生产线前处理多采用喷淋式结构,主要设备包括通道、液槽、喷淋管路、换热管路及排风系统等,见图1。
(1)前处理通道
通道结构:常用钢板焊接,内部设置挡板隔断,防止液体飞溅,应有足够的过渡区防止窜液,并设置维修通道,利于更换内部喷嘴及清理通道内部积存污物。
有些通道不通焊,而用折弯、咬口、打胶等方法代替,以节省现场焊接工作量。
通道长度L = 进出口长度+喷淋区长度+过渡段长度
喷淋区长度=工艺时间×工艺速度
进出口长度主要根据工件长度、喷淋飞溅长度及热蒸汽外溢的状况确定;过渡段长度由工件长度、滴水时间、喷淋飞溅长度确定;宽度B由工件的宽度F决定,并需要考虑喷淋管路的安装距离。
高度H由工件的高度E 决定,同时考虑喷淋管路的安装方法,当喷淋主管安装在顶部或底部时应考虑不同的安装余量。
前处理通道设计的关键点:
①过渡段长度合适,前后沥液区设置合理,不出现窜液现象;
②适当开门,利于观察脱脂及磷化效果,但不能影响产品质量;
③合适的进出口长度,既防止喷淋液溅出设备外又不浪费材料;
④悬链运行通道必须密封,防止热气上窜腐蚀悬链。
(2)液槽
液槽的容积是由喷淋泵的流量及内部加热装置决定的;
长宽高根据隧道尺寸、操作面要求、泵安装形式等决定;
对有温度要求的热槽应加保温材料;
泵进口应有过滤装置,防止泵堵塞,加热热源可以选择蒸汽、电及天然气。
液槽设计的关键点:
①槽内结构应合理,防止脱脂泡沫及热气从槽盖溢出;
②槽内应有过滤装置,防止泵堵塞;
③为节约水的消耗量,水洗槽应能满足逆流补水的要求;
④槽内加热器设计合理,除满足升温要求外还应考虑安装维修等其他要求。
(3)喷淋管路
喷嘴的多少由工件的高度及喷淋要求所决定,底喷嘴根据工件形状可有可无,喷嘴间距是由喷嘴的喷淋角度决定的。喷嘴通常有V型、空心锥形,可根据情况选用。
喷淋泵的流量是由喷嘴总量决定的,喷淋压力由工艺要求及管道损失计算得到。
喷淋管路的走向根据客户的喜好和习惯决定,可选择上行或者下行方式,各有利弊。
磷化喷淋管应采用快拆式结构。喷淋泵形式有卧式和立式,建议磷化工位选择立式泵,其他工位可随意选用。
喷淋管路设计的关键点:
①磷化段压力、流量必须合理,才能生成好的磷化膜;
②磷化喷淋管路应易于维护和清渣。
(4)排风系统
排风系统的作用是防止喷射区的槽液蒸汽扩散到车间;通风机排风量根据开口处混合气体溢出量来决定,风机的风压由风道阻力决定;设计排风系统的关键点是不得将液体抽出排掉。
(5)平面布局
决定涂装前处理平面布局的因素是设备大小、物流走向、厂房面积。
前处理平面布局一般有直通型、U型、L型。
1.1.5 前处理工艺操作及参数控制
前处理重要工序包括脱脂、表调、磷化,其工艺参数控制至关重要。
(1)脱脂
脱脂机理是通过脱脂剂对各类油脂的皂化、加溶、润湿、分散、乳化等作用,从而使油脂从工件表面脱离,变成可溶性的物质或被乳化、分散而均匀稳定地存在于槽液内。
脱脂质量的评价标准为脱脂后的工件表面不能有目视油脂、乳浊液等污物,水洗后表面应被水完全润湿。
脱脂质量的好坏主要取决于游离碱度(FAL)、总碱度(TAL)、脱脂液的温度、处理时间、机械作用和脱脂液含油量等因素。
脱脂工序控制的主要参数:
FAL(12~14);
温度50~65℃;
时间30~150s;
压力0.1~0.12MPa;
含油量5~10g/L;
TAL 14~20;
TAL/FAL之比<2.5。
脱脂质量的检验方法可采用水膜法、擦拭法、试纸法。
脱脂液的消耗量约为25g/m2,应定期更换。
脱脂工位的喷淋压力一般较高,以利于除油干净彻底。
(2)表调
表面调整剂可以消除工件表面因碱液除油或酸洗除锈所造成的表面状态的不均匀性,使金属表面形成大量的极细的结晶中心,从而加快磷化反应的速度,有利于磷化膜的形成。
表调工序控制的主要参数为压力、pH值(8~9),表调液浓度一般控制在0.2%~0.3%,配槽水电导率不能太高,一般<200μS/cm 。表调液的消耗量控制在0.5~2g/m2,需要定期更换(一周左右)。
(3)磷化
磷化是一种化学与电化学反应形成磷酸盐化学转化膜的过程,所形成的磷酸盐化学转化膜称之为磷化膜。
磷化是整个前处理工艺最为重要的一个环节,其反应机理复杂且影响因素较多,因此磷化槽液相对于其他槽液的控制要复杂得多。
磷化工序需要控制的参数为压力、总酸度(TA,一般13~32点H+浓度)、游离酸度(FA,一般0.3左右,H+浓度),温度(低温磷化,低于50 ℃)、pH 值(锌系磷化为2~2.5,铁系磷化为4~4.5),磷化渣的控制在500~700mg/kg 以下。
TA过高,磷化膜结晶粗糙,沉渣多;TA过低,磷化反应变慢,磷化膜生成困难,得到的磷化膜薄。FA高,磷化速度慢,成膜时间长,磷化晶体粗大多孔;FA过低,磷化膜薄,有时不能成膜。
磷化工序的喷淋压力及流量对磷化成膜影响很大,大流量低压力有利于磷化成膜。磷化渣对成膜也有很大的影响,磷化槽应每日除渣。磷化喷淋管应采用快拆连接,易于清渣。
正常生产时,随着磷化工件处理量的增多,药液成分不断变化,因而磷化主剂及促进剂需要不断补充。磷化液消耗量控制一般为:主剂10~16 g/m2,促进剂2.5~5g/m2。
磷化膜质量的检测方法是先做目视观察,检查磷化膜的色调、光泽、颜色等,再用10~100×放大镜观察,检查磷化膜是否连续、均匀、无锈斑、无白点、无手印等。
磷化膜的抗腐蚀性能检验可采用硫酸铜滴定,1min以上不出现腐蚀为合格。
(4)水洗
水洗的目的是清除工件从上一道工序所带出的残液,水洗质量的好坏直接影响喷涂工件的质量和整个槽液的稳定性。
水洗工序控制的参数为pH值、压力、时间,并需要同时保持一定的溢流水量。
水洗工序的关键控制点在于脱脂后第一道水洗和磷化后第一道水洗。
另外,几道水洗的水需要经常更换,特别是最后一道纯水洗槽内水的质量,一般含盐量应<100mg/L。
1.1.6 前处理工艺常见问题及处理方法
前处理工艺常见问题及处理方法见表1。
1.1.7 防止前处理产品缺陷的方法
主要从以下4个方面着手:
①药剂:根据工件状态和质量要求等选择合适的药剂;
②配置合理的设备,这是前处理非常重要的客观条件,不合适的设备容易造成成膜的缺陷,且不易弥补;
③制定严格的可执行的前详细的处理工艺操作规范,并对操作人员进行上岗培训;
④严格的技术管理,提高涂装前处理技术人员及操作人员的素质是减少和防止缺陷产生的关键。
1.2 粉末喷涂设备
家电行业粉末涂装生产线采用的是粉末静电喷涂设备,它的最大优点是粉末利用率高、无环境污染、涂膜薄且均匀。
粉末涂装工艺过程见图2,包含的5大系统分别为:喷粉室、供粉系统、回收系统、喷涂系统和控制系统。
1.2.1 喷粉室
喷粉室的主要作用是保证喷粉室内气体流动及粉尘漂浮合理,既要有较高的上粉率又要保证粉尘不外溢,保护操作者的身心健康和车间的生产环境。
喷粉室的大小取决于被涂工件的大小、传输速度及喷枪的数量。喷粉室材质可以采用金属板或塑料板制作,各有特点。
喷粉室的操作必须注意以下几点:①内部风速控制,不能吹掉涂覆到工件上的粉末;②所有开口处均不能有粉末外溢,以免污染环境;③保证喷粉室内粉末浓度在爆炸下限以下;④喷粉室内粉末积粉要少且易于回收再利用。
1.2.2 粉末回收系统
粉末回收系统直接关系到粉末涂料的利用率及环保问题,设计高效率的粉末回收设备十分重要。粉末回收系统有多种形式,应用较多的是滤芯回收、多管小旋风回收及大旋风回收系统,各自特点见表2。
粉末回收系统的选择根据厂家的使用要求来定,在选型和使用中注意以下两点:①根据产品种类、投资、管理等需求合理选择回收系统形式;②回收粉末应按一定比例加入到新粉中再利用,加入量过大会影响喷涂质量。
1.2.3 喷涂系统
喷涂系统包括喷粉枪(含高压静电发生器)、喷枪控制器、往复机等。喷枪数量是根据单位时间内喷涂工件的面积来计算确定的。往复机的行程、速度、工件输送速度、喷枪雾幅及喷幅重叠量等工艺条件应相互匹配。
1.2.4 供粉系统
供粉系统的作用是将粉末连续、均匀、定量地供给喷枪。常用的供粉系统为抽吸式供粉桶,分为振动型、搅拌型、流化型等多种形式。
需要频繁换色的供粉系统应选用供粉中心,若手动喷涂作业较多,则以供粉桶供粉为好,目前供粉桶多采用流化型。
粉泵、粉管是供粉系统的关键部件,泵芯(喉箍、文丘里管)磨损很快。因此这些重要部件应选用高质量的产品,以保证喷涂质量的稳定。
1.2.5 粉房隔离间
粉房隔离间的主要作用是:
①提供一个独立的、可进行温湿度控制的区域,对于高湿度地区尤其重要;
②保证喷涂环境的清洁,降低废品率,避免受周围环境的污染;
③有效控制喷涂区域风速,减少对喷粉室内气流的干扰,对于设备旁边有车间大门的厂房尤为重要。
设计粉房隔离间时应考虑以下因素:
①空间上满足喷粉设备的最大外形要求;
②留有设备及操作人员进出的门;
③满足空间内温湿度的控制要求;
④穿堂风速度应<0.1m/s。
1.3 粉末涂料固化设备和水分烘干设备
1.3.1 两套设备的共同点及差别
相同点:(1)均需加热;(2)均需温度控制;(3)均有保温要求。
不同点:(1)固化炉温度高,水分烘干温度低;(2)温度控制精度要求有差异,固化炉的温度控制有特殊要求;(3)功能有差别。
1.3.2 粉末固化炉的设计
粉末固化炉是家电涂装生产线的关键设备,水分烘干炉的设计与之相同,故不累述。
固化炉的传热方式主要有以下两种选择:
①直接辐射式,主要用于结构简单工件涂层的固化;
②热风对流式,家电行业的粉末固化炉对温度均匀性要求较高,因此多选用热风循环的换热方式。
粉末固化炉的结构形式主要有全桥式结构、半桥式结构、直通式结构(见图3),为节约能源,优先选择全桥式结构。平面布局有单行程、双行程、三行程及四行程等(见图4),应当根据生产厂家的条件及工件尺寸优先选择双行程。
1.3.3 能源选择
从设备一次性投资、日常运转费用、温室控制精准度及操作方便、环境污染等方面比较,合理选择能源形式非常重要。
目前固化炉常用的能源有电加热、燃油加热、天然气加热、煤加热(见图5),最经济的能源形式为燃气(天然气、液化石油气)。
1.3.4 固化炉外形尺寸的确定
有效长度:L= V×T 式(1)
式中V—工艺速度,m/min;T—粉末有效固化时间,s,需要考虑升温时间的长短。宽度W的确定原则是:根据平面布局决定设备宽度,一般工件边缘到设备边缘留有200~250mm的余量。
高度H的确定原则是:根据工件高度、挂具高度以及悬挂链的吊装要求来决定。
在烘道内工件彼此之间应留有足够的距离和空隙,以保证热空气畅通对流,避免相互接触破坏涂层。
1.3.5 加热功率的计算
固化炉是耗能最大的设备,也是影响设备运行成本的关键因素,因此加热功率的选择非常重要。
固化炉的加热功率由其工作热损耗Q决定,其影响因素很多,包括炉体壁散失的热损耗Q1,加热工件及输送系统移动部分的热损耗Q2,涂料固化的热损耗Q3,加热新鲜补充空气的热损耗Q4,通过进出口散失的热损耗Q5,通过外部循环风管散失的热损耗Q6等,
总的热损耗为:Q = Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6 式(2)
由于理论计算比较复杂,另外还要考虑一些未估计到的损失,实际应用中真正逐项计算比较困难。往往根据积累的经验,进行结算,即通过炉体容积的大小估算加热功率。
如:箱式炉3kW/m3,全桥烘道2kW/m3,半桥烘道2.5kW/m3,直通烘道3.5kW/m3。这些数据可作为功率粗算选择使用,实际还要根据具体情况进行修正。
1.3.6 循环风机的选择
为保证固化箱内的温度均匀性,应当设置循环风机对空气进行扰动。循环风机的选择由以下几个参数决定:
(1) 再循环空气量的计算:
G9 =Q/(0.24× △te ) 式(3)
式中:G9—每小时空气循环量,kg/h;Q—固化箱的最大热损耗,kcal/h;△te—加热器进出口的温度差,℃ ,一般取固化温度的10%~20% ,固化温度>120 ℃时,取上限,否则取下限。
(2) 通风机的通风量:
G = ( G9+G4)/ρ9 式(4)
式中:G9—每小时空气循环量,kg/h;G4—每小时新鲜空气补充量,kg/h;ρ9—循环空气密度,kg/m3。
(3) 通风机压力的选择:
HP = HZ+△HP 式(5)
式中:HP —通风机的压力(mm H2O);HZ—空气加热器阻力(mm H2O);△HP—风管的局部阻力(mm H2O)。根据以上算出的通风量Q及通风机压力HP选择通风机。
 
1.3.7 工艺参数的确定
(1)固化时间:粉末涂料的固化(塑化)时间要求严格,必须在涂膜温度达到规定温度后开始计时。固化时间太短则涂膜固化不完全,涂膜性能特别是机械性能变差;固化时间过长,导致热老化使涂膜产生色差,物理性能下降。
(2)固化温度:对固化温度有严格的要求,固化温度低,则要求的固化时间延长或者无法固化;固化温度高,容易使涂层脆化,因此需根据涂料种类确定固化温度(见表3)。
为使粉末固化充分且均匀,避免涂膜产生色差,对固化炉温度梯度及温度均匀性有严格的要求(见图6),固化炉安装调试时应测温度曲线,以了解固化炉的性能。
1.3.8 影响产品质量的主要因素
(1)升温时间:工作表面粉末的升温时间影响到粉末涂料的流平性,工件在固化炉中升温速度快,涂膜的流平性相对较好,通常要求工件的升温时间控制在5~8min较好;
(2)温度均匀性:直接影响到涂膜质量,炉内截面温差越小,固化后工件表面质量越高,为了保证工件涂膜的质量,一般要求炉体内截面工件区的温差在±5℃之内。
1.3.9 涂膜固化常出现的问题及解决办法
涂膜固化时常出现的问题及解决办法见表4。
2、涂装生产线投资成本概算与控制
2.1 前期准备
平面布局与设备尺寸的确定相关联,任何一方发生变化另一方也会相应改变。平面布局确定后,设备结构尺寸才能确定,之后才可以计算投资成本。
前期准备数据资料有:
①生产纲领,包括年产量、工作制度、年基时数(生产班次及工时数)等;
②工件状态,例如原始状态、尺寸大小及分类、吊挂要求等;
③车间厂房,需要考虑占地面积、梁下高度(立面尺寸)、立柱位置尺寸、物流走向(开门位置、上下件位置及废水走向)等特殊要求、厂房四周环境要求及废水废渣的排放要求等;
④涂层质量要求,产品的使用条件、涂层的性能要求(厚度、防腐性能等)、涂层的种类、颜色等;
⑤设备要求,包括使用年限、材质要求、工艺要求及一些特殊要求;
⑥能源状态,如电、蒸汽、压缩空气、天然气等。
2.2 总体设计
总体设计的原则是:节约、节能、方便、环保;平面布局需达到流程合理、操作方便、维修容易的效果。
家电粉末涂装生产线总体设计需要注意以下几点:
①前处理设备尽量靠近车间墙的一侧;
②磷化液加热最好选用低温热源:如热水,尽量采用槽液间接加热;
③液槽高度不宜太高,以方便操作;
④烘箱的设计优先选用进出口在一侧的结构形式;
⑤悬链尽可能短,多机驱动应使驱动张力尽量均衡分布;
⑥前处理出口到进入水分烘干箱的距离不易过长;
⑦烘干固化箱优先采用桥式结构,尽量减少外部热风循环管道。
2.3 投资成本组成及概算
家电粉末生产线的投资组成见图7,投资成本概算步骤如下:
①绘制平面布局图,确定所有设备外形尺寸;
②根据工艺参数要求,确定4 大主要设备的结构配置及设备配置,确定辅助设备的参数及选型;
③计算直接材料消耗;
④计算外购标准件及标准设备的投资;
⑤计算整套设备的安装调试费用;
⑥计算税收;
⑦计算设计承包费用;
⑧计算总的投资成本,采用表格形式,相对容易且清楚。
投资成本概算需要注意的问题是:涂装生产线为非标设备,投资成本差距很大,根据不同的设备性能要求、外观要求来决定,投资成本相差50~100万均是可能的。
2.4 如何控制投资成本
投资成本控制要求:
(1)前处理工艺设置应不断推敲,以得到最优化的工艺;
(2)前处理应尽可能选择低温或常温处理,粉末涂料宜选择低温固化涂料,以降低投资及运行成本;
(3)在设备配置中既要考虑操作方便、实用,也要避免不必要的过多或过高的要求;
(4)投资成本与运行成本要统筹考虑;
(5)对处理的工件应仔细研究,避免盲目兼容带来的浪费。
3、结语
家电行业粉末涂装生产线有其自身的工艺特点及要求,其主要设备的配置及工艺参数的设计、监控不仅是确保涂装质量的基础,而且对消化、吸收国外同类产品的技术,推动粉末涂装技术在更多领域应用具有深远的现实意义。

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