□ 張 瑞1，王春英2，3，楊小朋4 (1.山東山推機(jī)械有限公司，山東濟(jì)寧 202071；2.山推石油化工有限公司，山東濟(jì)寧 272000；3.山東源根石油化工有限公司， 山東濟(jì)寧 272000；4.山推工程機(jī)械股份有限公司，山東濟(jì)寧 272000)

摘要: 綜述了綠色制造及綠色涂裝的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，通過對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件涂裝過程中各種能耗 工序及"三廢"排放來源的分析，指出了實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械綠色涂裝的幾種路徑，并根據(jù)這些路徑提出了底面合 一及先刮膩?zhàn)雍髧娖岬墓に嚕喕瘒娖峁に嚵鞒蹋瑴p少涂膜噴涂及烘烤次數(shù)，降低污染物排放及能源消耗。

關(guān)鍵詞:綠色制造；節(jié)能；環(huán)保；涂裝；底面合一涂料；膩?zhàn)?/p>

中圖分類號(hào)：TQ639 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1006-2556(2014)04-0022-06

0 前 言

工程機(jī)械是機(jī)械行業(yè)一大分支，包括挖掘機(jī)械、 鏟土運(yùn)輸機(jī)械、工程起重機(jī)械、機(jī)動(dòng)工業(yè)車輛、壓實(shí) 機(jī)械、路面機(jī)械、樁工機(jī)械、混凝土機(jī)械等。經(jīng)過最近 十幾年的高速發(fā)展，工程機(jī)械已成為大規(guī)模化生產(chǎn) 和使用的機(jī)電產(chǎn)品。在工程機(jī)械制造過程中，涂裝是 一道必不可少的工序，涂膜在工程機(jī)械產(chǎn)品的防銹 保護(hù)、外光裝飾等方面具有十分重要的意義。但是， 工程機(jī)械結(jié)構(gòu)龐大，且多是中厚板材焊接的結(jié)構(gòu)件， 涂裝用漆量大，烘干時(shí)間長，不僅是一項(xiàng)高能耗工 藝，還是一項(xiàng)會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的工藝。在倡導(dǎo)綠色 消費(fèi)、綠色制造的今天，如何減少工程機(jī)械涂裝的能 耗，如何減少或消除工程機(jī)械涂裝的污染也應(yīng)該引 起行業(yè)的重視。

1 綠色制造的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 綠色制造的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

20世紀(jì)以來，伴隨工業(yè)的高速發(fā)展，全球出現(xiàn)的 十大環(huán)境污染事件[1]及十大環(huán)境問題[2]給人類敲醒了 警鐘，帶給了人類新的挑戰(zhàn)和思考。

制造業(yè)創(chuàng)造了60%～80%的社會(huì)物質(zhì)財(cái)富，但也 成為最大的污染源之一[3]。從20世紀(jì)90年代起，保護(hù) 環(huán)境、保持生態(tài)平衡逐漸成為人類普遍的共識(shí)，在全 球范圍內(nèi)興起了綠色制造的浪潮[4]。美國、加拿大、日 本及歐盟國家都已投入全球性的綠色制造行動(dòng)，并 確定了各具特色、具有環(huán)境意識(shí)的綠色產(chǎn)品標(biāo)志。所 謂綠色制造，是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率 的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使得產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、 包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期 中，對(duì)環(huán)境的負(fù)影響最小，資源效率最高[5]。綠色制造 涵蓋了包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段、制造階段、銷售階段、使 用階段和廢棄階段的全生命周期[1]，完整的綠色制造 體系如圖1[5]。

隨著全球綠色制造的興起，國內(nèi)學(xué)者也開始對(duì) 綠色制造進(jìn)行了大量的理論研究，許多企業(yè)開始了 綠色制造的探索和實(shí)踐，可持續(xù)的綠色發(fā)展理念已 經(jīng)深入人心。目前，綠色制造已經(jīng)形成了完整的理論 體系和評(píng)價(jià)體系[6-7]，并在機(jī)械、機(jī)床、家電等行業(yè)推 廣綠色工藝，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，減少了環(huán)境污染[8-10]。 在國內(nèi)，每年都會(huì)有以綠色發(fā)展、綠色制造為主題的 技術(shù)交流研討會(huì)，倡導(dǎo)綠色制造、綠色消費(fèi)，促進(jìn)綠 色發(fā)展。

近年來，綠色發(fā)展上升為許多國家的發(fā)展戰(zhàn)略。 在我國，專門出臺(tái)了《綠色制造科技發(fā)展"十二五"專 項(xiàng)規(guī)劃》，并對(duì)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)或產(chǎn)品 在政策、資金、稅收等方面都給予傾斜。在機(jī)電產(chǎn)品 中，輕量化設(shè)計(jì)、節(jié)能工藝、再制造等成為綠色制造 的發(fā)展趨勢。

1.2 綠色涂裝的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

在綠色制造的倡導(dǎo)下，涂裝也開始向著綠色材 料、綠色工藝的方向發(fā)展。在涂裝工序十分重要的汽 車行業(yè)，很早就注重采用環(huán)保性好的涂裝材料和工 藝。在客車涂裝上，近年來不斷追求高質(zhì)量、高效率、 低污染、低能耗、低成本的發(fā)展目標(biāo)，實(shí)施涂裝材料、 涂裝工藝、涂裝設(shè)備三位一體的綠色涂裝技術(shù)[11]。在 轎車涂裝上，綠色理念已經(jīng)深入工藝，在21世紀(jì)以 來，多項(xiàng)環(huán)境友好型涂裝技術(shù)在轎車涂裝中得到應(yīng) 用[12-14]。在重型卡車上，中國重汽經(jīng)過反復(fù)實(shí)踐，在 "HOWO"重卡實(shí)現(xiàn)了"2C1B"涂裝工藝，除了可節(jié)省 大量的燃?xì)狻㈦娔堋⑼苛霞拜o料費(fèi)用外，還可減少40% 以上的VOC排放量[15]。此外，汽車涂裝還提出了加速 涂料更新?lián)Q代，實(shí)現(xiàn)低碳化和無害化的理念[16-17]。

為減少涂裝對(duì)環(huán)境的污染，新技術(shù)、新材料、新 工藝不斷出現(xiàn)并得到應(yīng)用。如涂裝前處理采用拋丸 替代噴砂工藝，不僅生產(chǎn)效率大大提高，還可以有 效防止清理過程中粉塵外泄，使周圍環(huán)境免遭粉塵 的污染；又如電泳涂料、粉末涂料的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)溶 劑型涂料的VOC排放問題得到破解；再如"2C1B"、 "3C1B"工藝的應(yīng)用，降低了烘烤次數(shù)，能耗大大降 低。順應(yīng)綠色制造發(fā)展，探索和采用節(jié)能環(huán)保工藝已 經(jīng)成為涂裝的發(fā)展趨勢和方向。

2 工程機(jī)械涂裝的能耗及污染分析

2.1 涂裝工藝及設(shè)備

工程機(jī)械涂裝根據(jù)工件板材厚度的不同，分為 薄板件和結(jié)構(gòu)件。目前，薄板件采用磷化進(jìn)行前處 理，其工序包括脫脂、酸洗、中和、表調(diào)、磷化等，設(shè)備 包括各種液槽、輸送設(shè)備、加熱設(shè)備等；結(jié)構(gòu)件采用 拋(噴)丸進(jìn)行前處理，設(shè)備包括拋丸清理室、輸送設(shè) 備、除塵設(shè)備等。在噴漆環(huán)節(jié)，工程機(jī)械無論是薄板 件還是結(jié)構(gòu)件，都是以溶劑型涂料噴涂為主，設(shè)備包 括底漆噴漆室、底漆流平室、底漆烘干室、底漆強(qiáng)冷 室、膩?zhàn)雍娓墒摇⒛佔(zhàn)哟蚰ナ摇⒚嫫釃娖崾摇⒚嫫崃髌?室、面漆烘干室、面漆強(qiáng)冷室及輸送設(shè)備等。

2.2 涂裝的能耗

在工程機(jī)械涂裝生產(chǎn)過程中，不僅有水、電的消 耗，還會(huì)有蒸汽或燃?xì)狻⑷加偷认摹９こ虣C(jī)械結(jié)構(gòu) 件涂裝中，前處理拋丸完全是機(jī)械清理工藝，拋丸 器、提升機(jī)、螺旋分離器、縱螺旋輸送器、橫螺旋輸送 器、丸料分離器、室體大門、上下線平車、懸掛輸送機(jī) 等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)完全依靠電力驅(qū)動(dòng)。另外，用于環(huán)保處理 的除塵風(fēng)機(jī)也需要依靠電力運(yùn)轉(zhuǎn)。噴漆過程除了風(fēng) 機(jī)、水泵、輸送小車等需要電力運(yùn)轉(zhuǎn)外，在涂膜干燥 過程還需要加熱。加熱的方式有蒸汽加熱、燃油加熱、燃?xì)饧訜岷碗娂訜帷９こ虣C(jī)械結(jié)構(gòu)件噴漆工序能耗見表1。

2.3 涂裝的污染

由于溶劑型涂料含有用可揮發(fā)性的溶劑VOC， 這些溶劑具有一定的毒性，在涂裝施工和涂膜干燥 的過程中會(huì)揮發(fā)，導(dǎo)致了涂裝廢氣的產(chǎn)生。濕式噴漆 室循環(huán)水里面定期打撈起來的廢漆渣由于含有顏料 等物質(zhì)，屬于固體污染物。循環(huán)水在經(jīng)過一定周期后 需要排放，里面仍然含有大量的漆渣、顏料，屬于有 害污水。工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件噴漆產(chǎn)生排放如表2。

3 基于綠色制造的工程機(jī)械綠色涂裝

3.1 實(shí)現(xiàn)綠色涂裝的途徑

通過對(duì)工程機(jī)械涂裝能耗及排放污染物的分析 可看出，要實(shí)現(xiàn)綠色涂裝，就是要降低設(shè)備能耗及生 產(chǎn)廢物的產(chǎn)生。就噴漆工藝而言，如果烘干加熱采用 的不是電，則風(fēng)機(jī)是最為主要的耗電設(shè)備，而最大的熱能消耗工序則是涂膜烘干加熱工序。風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)是 為噴漆室提供清潔空氣、降低各室體內(nèi)溶劑濃度保 證安全生產(chǎn)所必須的，要減少其數(shù)量或功率首先要 降低涂料中易燃易爆有毒溶劑的含量。另外，要降低 涂膜烘干使用的加熱能源消耗，一方面可以通過采 用烘干溫度較低的涂料來實(shí)現(xiàn)，另一方面就是調(diào)整 和優(yōu)化噴漆工藝，減少烘干次數(shù)，如汽車涂裝使用的 "2C1B"、"3C1B"工藝。

從"三廢"排放來看，在繼續(xù)使用溶劑型涂料的 情況下，一方面可以通過降低涂料中的有毒有害物 質(zhì)，以減少排放物的污染程度；另一方面就是提高涂 料的利用率，減少"三廢"的產(chǎn)生。另外，通過采用含 有VOC較少的高固體分涂料或不含有VOC且利用率 高的電泳涂料、粉末涂料，實(shí)現(xiàn)少排放或零排放。

3.2 工程機(jī)械綠色涂裝工藝

工程機(jī)械涂裝已經(jīng)不僅僅局限于采用溶劑型涂 料，電泳涂料、粉末涂料都已經(jīng)在部分零部件上使 用。電泳涂料、粉末涂料的環(huán)保性能都比溶劑型涂料 要好，也是工程機(jī)械涂裝未來發(fā)展的方向[18-24]，這里 就不作詳細(xì)論述。

但是，由于工程機(jī)械自身的特點(diǎn)，在未來一定時(shí) 期內(nèi)，溶劑型涂料的使用還不能被取代，甚至還是主 流。為此，研究溶劑型涂料的綠色涂裝工藝對(duì)工程機(jī) 械而言，依然有著現(xiàn)實(shí)乃至長遠(yuǎn)的意義，甚至可以推 廣到使用溶劑型涂料的其他行業(yè)。

為此，筆者對(duì)底面合一涂料工藝[25]及先刮膩?zhàn)?后噴漆[26]工藝進(jìn)行了研究探索。通過進(jìn)一步研究，發(fā) 現(xiàn)這兩種工藝雖然還存在一些問題，但符合綠色制 造的要求。

3.2.1 減少流程的先刮膩?zhàn)雍髧娖峁に?/p>

傳統(tǒng)的涂裝工藝都是先噴涂底漆，再刮涂膩?zhàn)印?工程機(jī)械傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件噴漆工藝流程為：上線→清 理→噴底漆→流平→烘干→冷卻→下線→刮膩?zhàn)印?晾干(或烘干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→噴面漆 →流平→烘干→冷卻→下線。由于噴漆工件材質(zhì)表 面質(zhì)量及涂裝的外觀質(zhì)量不一樣，不同工件膩?zhàn)邮?工的量不一樣，有的不需要刮涂膩?zhàn)樱械膭t需要大 面積刮涂膩?zhàn)樱踔潦嵌啾楣瓮浚@就造成生產(chǎn)節(jié)拍 的不穩(wěn)定或人員配置的不確定。再加上大多數(shù)涂裝 過程工件采用的是懸掛輸送，在懸掛狀態(tài)下打磨工 件會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，大多數(shù)企業(yè)的膩?zhàn)佣疾捎镁€下施工， 一方面膩?zhàn)恿栏桑瑴p少烘烤，另一方面也使噴漆線節(jié) 拍穩(wěn)定。

如果將工序調(diào)整一下，能解決以上問題。采用先 刮涂膩?zhàn)雍髧娖幔に嚵鞒虨椋汗文佔(zhàn)印栏?或烘 干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→清理→噴底漆→ 流平→烘干→冷卻→噴面漆→流平→烘干→冷卻→ 下線。調(diào)整后，工件噴漆生產(chǎn)節(jié)拍完全根據(jù)烘干工藝 時(shí)間而定，節(jié)拍穩(wěn)定。另外，工件上線后一次性完成 底漆、面漆的噴涂，減少了一道上下線工序及車間叉 車、行車的占用，從而減少燃油、電力的消耗。另外， 先刮膩?zhàn)雍髧娖峁に嚨膽?yīng)用，更有助于下面的底面 合一涂料及涂裝工藝的應(yīng)用。

3.2.2 減少能耗的底面合一涂料及涂裝工藝

底面合一涂料即兼顧底漆的防銹保護(hù)功能和 面漆的裝飾美化功能的新型涂料。工程機(jī)械采用底 面合一涂料后，工藝流程從：上線→清理→噴底漆 →流平→烘干→冷卻→下線→刮膩?zhàn)印栏?或烘 干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→噴面漆→流平→ 烘干→冷卻→下線，變?yōu)椋荷暇€→清理→噴漆→流平 →烘干→冷卻→下線，工序大為減少，噴漆次數(shù)由兩 次減少為一次，VOC排放的排放次數(shù)減少。工件的加 熱從兩次減少為一次，設(shè)備的噴漆室、流平室、烘干 室等從兩套減少為一套，整條涂裝生產(chǎn)線長度縮短 一半，相應(yīng)的用電、加熱能源都減少。

當(dāng)然，由于沒有進(jìn)行刮涂膩?zhàn)樱@種底面合一的 涂料及工藝還只是用在工程機(jī)械中外觀質(zhì)量要求不 是很高的行走裝置、工作裝置等。如果在噴漆前都先 刮涂膩?zhàn)樱钇礁黝惒馁|(zhì)缺陷，并通過打磨后再噴光 澤、耐候性滿足要求的底面合一涂料，這種工藝可以 推廣到包括對(duì)裝飾性要求較高覆蓋件在內(nèi)的所有工 程機(jī)械零件，調(diào)整后工藝流程為：刮膩?zhàn)印栏?或烘 干)→(冷卻)→打磨→清理→上線→噴漆→流平→烘 干→冷卻→下線，可適用于所有的工程機(jī)械工件涂 裝。

3.2.3 綜合比較

現(xiàn)有工藝、先刮膩?zhàn)雍髧娖峁に嚒⒌酌婧弦煌苛?涂裝工藝及先刮膩?zhàn)雍髧娖峁に嚺c底面合一涂料涂 裝相結(jié)合的工藝(有膩?zhàn)?4種工藝的工藝流程比較， 如表3。

由于工藝流程不同，設(shè)備的構(gòu)成也不同，因此投 資不同。如表4所示，采用底面合一涂料可使涂裝設(shè) 備投入大大減少。

某企業(yè)壓路機(jī)大件涂裝線烘干室尺寸為17.8 m×4.3 m×3.6 m，采用電加熱強(qiáng)制熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)形式、 烘干工藝溫度120～140 ℃設(shè)計(jì)，電加熱功率為410 kW[27]。按照工作8 h/d計(jì)算(實(shí)際上涂裝線作為關(guān)鍵設(shè) 備，一般都會(huì)實(shí)行雙班生產(chǎn))，減少1座烘干室就意味 著每天減少3 280 kW · h電的消耗。目前，大多數(shù)涂膜 烘干室都采用了燃油或燃?xì)饧訜幔M(fèi)用相對(duì)降低。但 是，如果采用底面合一涂料，減少1道烘干就意味著 降低50%的能耗。

3.3 討論

先刮膩?zhàn)雍髧娖峁に嚭偷酌婧弦煌苛贤垦b工藝 的應(yīng)用，使得涂裝的工藝流程簡化，設(shè)備投入減少， 工藝能耗大大降低，是綠色的涂裝工藝。但是，采用 的膩?zhàn)邮欠衽c金屬基材之間有足夠強(qiáng)的附著力，是 需要關(guān)注的。

隨著涂料、膠黏劑的發(fā)展，一些膠黏劑已經(jīng)可以 用于金屬的黏接。膩?zhàn)邮欠窨梢圆捎媚z黏劑技術(shù)，使 其與鋼鐵之間的結(jié)合力達(dá)到甚至超過底漆與鋼材之 間的結(jié)合。先刮膩?zhàn)雍髧娖峁に嚨某霈F(xiàn)反過來會(huì)促 進(jìn)膩?zhàn)釉谶@方面的發(fā)展和進(jìn)步。

另外，若膩?zhàn)拥淖饔脙H僅是為了外觀，可以通過 其他方面的工作來減少或者取消膩?zhàn)拥氖褂谩１热?在購買板材時(shí)，選擇表面質(zhì)量好的板材并防銹存放 且在制造過程避免磕碰，從而減少或避免使用膩?zhàn)印?當(dāng)然，還可以宣傳綠色消費(fèi)理念，倡導(dǎo)綠色消費(fèi)，使 用戶注重產(chǎn)品的使用性能、內(nèi)在質(zhì)量及涂膜的防銹 性能而不是裝飾性能，讓用戶接受某些并不影響到 產(chǎn)品性能的外觀缺陷，從而減少使用膩?zhàn)訉?duì)材料缺 陷進(jìn)行修補(bǔ)。

4 結(jié) 語

工程機(jī)械先刮膩?zhàn)雍髧娖峁に嚭偷酌婧弦煌苛?的涂裝工藝有助于涂裝生產(chǎn)設(shè)備投資的減少以及生 產(chǎn)過程中電力、能源的減少，符合綠色制造的要求。

隨著與金屬基材附著力強(qiáng)的膩?zhàn)赢a(chǎn)品的開發(fā)、 應(yīng)用，這兩種工藝更能夠結(jié)合起來并大范圍推廣，不 僅用于工程機(jī)械，還可以推廣到其他機(jī)電產(chǎn)品或其 他行業(yè)。

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收稿日期 2013-11-06