一、研究的背景與問題

彩色涂層板生產(chǎn)技術(shù)于上世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)到中國，已經(jīng)伴隨中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展了三十多年，彩涂板用途已經(jīng)滲透到建筑、家電、家居、交通、醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)彩涂板生產(chǎn)工藝是利用輥涂方法將溶劑涂料連續(xù)涂敷在金屬帶材表面，經(jīng)加熱固化形成彩色涂層。溶劑彩涂屬于污染型生產(chǎn)工藝，溶劑涂料所含固體成分僅為55%，其余45%為有機(jī)溶劑，這些有機(jī)溶劑在涂料的制作合成、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、稀釋攪拌、涂裝、固化等過程中釋放大量VOCs(Volatile organic Compounds,揮發(fā)性有機(jī)化合物)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國有400多條溶劑彩涂生產(chǎn)線，每年共釋放50多萬噸VOCs有害氣體，若通過焚燒爐焚燒處理這些有害氣體則需要消耗天然氣4億多立方米，向大氣排放20多萬噸CO2。

工業(yè)發(fā)展帶來的環(huán)境污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到民生，綠色環(huán)保已經(jīng)被確定為國家經(jīng)濟(jì)工作的重中之重。我國在2008年明確提出要大力發(fā)展環(huán)保型涂料，并出臺(tái)了多項(xiàng)涂料轉(zhuǎn)型規(guī)定。2020年9月，習(xí)近平主席在聯(lián)合國一般性辯論時(shí)提出碳達(dá)峰、碳中和的宏偉目標(biāo)，其本質(zhì)是更高質(zhì)量地可持續(xù)發(fā)展。按照國家政策導(dǎo)引，涂料行業(yè)計(jì)劃在未來10年，將大幅削減傳統(tǒng)溶劑型涂料的比例，使其所占市場(chǎng)份額由目前的50% 銳減至5%。

要改變這種沿用了三十多年的污染型溶劑彩涂工藝，首先要從涂層介質(zhì)的原材料入手，將溶劑涂料改為環(huán)保型涂料。粉末涂料100%為固體成分，不含溶劑，可徹底杜絕有機(jī)溶劑釋放的可能性（圖1）。與溶劑彩涂相比，粉末彩涂最突出的特點(diǎn)就是綠色環(huán)保，采用粉末彩涂技術(shù)生產(chǎn)及使用彩涂板能達(dá)到VOCs零排放的環(huán)保效果。

圖1  溶劑涂料與粉末涂料成分對(duì)比

粉末彩涂技術(shù)起始于法國，1962年法國工程師發(fā)現(xiàn)了利用正負(fù)電荷相吸的方法將帶有高壓靜電的粉末牢固吸附在鋼板表面。在隨后的20年時(shí)間里，粉末靜電噴涂技術(shù)發(fā)展比較緩慢，始終停留在單件吊掛噴涂、速度只有2～4米/分鐘的低效率生產(chǎn)狀態(tài)。上世紀(jì)70年代，德國、英國、美國、日本等國家相繼推出了金屬卷材粉末噴涂技術(shù)，將單件吊掛噴涂工藝提升為連續(xù)卷材噴涂，生產(chǎn)效率得到很大提升，但機(jī)組速度仍然較低，最高生產(chǎn)速度也僅在30米/分鐘左右。

長(zhǎng)期以來，國內(nèi)粉末彩涂技術(shù)一直滯后于歐美，絕大部分粉末彩涂板生產(chǎn)仍停留在低效率的單件吊掛噴涂狀態(tài)。2010年后國內(nèi)新建的幾條金屬卷材粉末彩涂機(jī)組最高生產(chǎn)速度僅為10米/分鐘，且只能進(jìn)行單面噴涂。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

難題1：噴槍與帶鋼之間電場(chǎng)強(qiáng)度低，涂層形成能力差，嚴(yán)重制約粉末彩涂板的生產(chǎn)速度。目前粉末噴涂機(jī)組無論是單板噴涂還是帶鋼連續(xù)噴涂，都采用非接觸式靜電噴涂方法，即利用荷電系統(tǒng)將噴槍的噴嘴荷上負(fù)電，帶鋼隨機(jī)組設(shè)備接地處于零電位，噴槍與帶鋼之間形成電場(chǎng)。傳統(tǒng)噴槍的噴嘴采用針式放電，即點(diǎn)源放電。這種點(diǎn)源放電形式加上傳統(tǒng)微安級(jí)電流荷電系統(tǒng)，使得噴槍與帶鋼之間形成的電場(chǎng)強(qiáng)度低，粉末的吸附速度慢，涂層形成能力差，從而嚴(yán)重制約了生產(chǎn)速度。

難題2：粉末涂料更致密，采用傳統(tǒng)熱風(fēng)爐對(duì)涂層進(jìn)行加熱固化，時(shí)間長(zhǎng)，能耗高，生產(chǎn)運(yùn)行成本居高不下，嚴(yán)重制約粉末彩涂板的生產(chǎn)速度。溶劑彩涂板生產(chǎn)線均采用熱風(fēng)爐對(duì)涂層進(jìn)行固化，這種固化方式適用于溶劑涂料的固化，是因?yàn)槿軇┩苛显诠袒醵尉涂蓪⑷軇┤空舭l(fā)，使得涂層的固體成份中出現(xiàn)大量空隙，便于熱能快速到達(dá)鋼板基材，通過加熱基材再從里往外傳導(dǎo)到涂層各點(diǎn)，從而達(dá)到快速固化的目的，通常溶劑彩涂板涂層固化僅需28秒。與溶劑涂料不同，粉末涂料屬于固體涂料，在帶鋼表面形成涂層后非常致密，粒子間空隙很小，采用熱風(fēng)爐進(jìn)行固化用時(shí)很長(zhǎng)，通常不少于120秒，為了提高生產(chǎn)速度就不得不加長(zhǎng)熱風(fēng)爐長(zhǎng)度，從而增加了能耗和生產(chǎn)運(yùn)行成本。

2010年中冶京誠率先提出金屬卷材高速連續(xù)粉末噴涂的創(chuàng)新思路，針對(duì)嚴(yán)重影響和制約粉末彩涂生產(chǎn)速度及產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性技術(shù)難題開展一系列研發(fā)工作。中冶京誠粉末噴涂研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)5年時(shí)間，開展數(shù)千次試驗(yàn)，分析上萬件試樣，申報(bào)幾十項(xiàng)專利，成功解決了制約粉末噴涂生產(chǎn)速度的技術(shù)難題，研發(fā)出了環(huán)保型高速連續(xù)粉末噴涂生產(chǎn)工藝技術(shù)及裝備。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、研發(fā)出線源放電噴槍（圖2），荷電系統(tǒng)輸出電流從微安級(jí)提升至毫安級(jí)，使得噴槍與帶鋼之間的電場(chǎng)強(qiáng)度大大增強(qiáng)，帶鋼對(duì)粉末的吸附能力大大提高，為實(shí)現(xiàn)高速噴涂提供可能性。

圖2  點(diǎn)源放電噴槍與線源放電噴槍電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

2、研發(fā)出燃?xì)饧t外輻射固化爐，改變粉末涂層固化機(jī)理（圖3），大大縮短涂層固化時(shí)間。不同于熱風(fēng)爐從里（基材）到外（涂層）的熱傳導(dǎo)方式，紅外線的熱穿透力極強(qiáng)，熱傳導(dǎo)效率極高，在涂層固化時(shí)熱量迅速穿透涂層進(jìn)入基材，涂層與基材幾乎同時(shí)加熱，這使得粉末涂層的固化時(shí)間縮短至30秒以下，為實(shí)現(xiàn)高速噴涂提供了可能性。

紅外線加熱涂層         紅外線穿透涂層    紅外線同時(shí)加熱涂層和基材

圖3  紅外輻射固化機(jī)理

3、采用背面涂層預(yù)熱工藝，保證背面涂層質(zhì)量。粉末涂層的固化過程包括軟化、熔融、流平、固化四個(gè)階段，為避免背面涂層二次固化產(chǎn)生脆裂，保證帶鋼背面涂層的機(jī)械性能及表面質(zhì)量，中冶京誠自主研發(fā)的高速連續(xù)粉末噴涂技術(shù)采用背面涂層預(yù)熱工藝，將背面涂層快速預(yù)熱至流平段，然后迅速冷卻至常溫，使涂層表面硬化，最后正、背面涂層一起進(jìn)入固化爐加熱固化。這種預(yù)熱工藝在保證背面涂層質(zhì)量的同時(shí)，也達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

（1）涂層均勻技術(shù)。自主研發(fā)的噴槍及高精度氣控系統(tǒng)保證了涂層的均勻性，膜厚偏差可控制在±5um 以內(nèi)，遠(yuǎn)超彩涂板國家標(biāo)準(zhǔn)，為高端粉末彩涂板的生產(chǎn)提供了技術(shù)保證。

（2）高著粉率技術(shù)。目前國內(nèi)外粉末噴涂生產(chǎn)線首次著粉率最高可達(dá)60%，中冶京誠將噴槍、供粉系統(tǒng)、荷電系統(tǒng)和粉末進(jìn)行組合研發(fā)，首次著粉率提高到了70%～90%，大大減少了過噴粉末，從而降低了生產(chǎn)運(yùn)行成本，提高了生產(chǎn)安全性。

（3）快速固化技術(shù)。自主研發(fā)熱傳導(dǎo)效率極高的紅外輻射固化爐，固化時(shí)間比傳統(tǒng)熱風(fēng)爐大大縮短。

（4）雙色雙面噴涂技術(shù).目前國外卷材粉末噴涂板生產(chǎn)通常采用單面噴涂或雙面單色噴涂工藝，而國內(nèi)僅有的幾條低速噴涂生產(chǎn)線均為單面噴涂。中冶京誠自主研發(fā)的高速連續(xù)粉末噴涂技術(shù)采用雙面雙色全粉末噴涂，即帶鋼正、背面均為粉末噴涂且不同顏色，符合我國彩涂板客戶的外觀要求，屬于真正意義上的環(huán)保型生產(chǎn)工藝。

（5）快速換色技術(shù)。更換顏色時(shí)，整個(gè)噴涂系統(tǒng)可自動(dòng)沖洗，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，有效減少粉末循環(huán)系統(tǒng)的清洗時(shí)間。

（6）在線質(zhì)量控制技術(shù)。自主研發(fā)的在線去除包邊技術(shù)、去除厚邊技術(shù)、去除積粉、掉粉技術(shù)為高端粉末彩涂板的生產(chǎn)提供了技術(shù)保證。

（7）高安全性技術(shù)。自主研發(fā)的高速連續(xù)粉末噴涂技術(shù)配有高壓電流自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)和火焰探測(cè)系統(tǒng)，為生產(chǎn)的高安全性提供了技術(shù)保證。

四、應(yīng)用情況與效果

2016年11月中冶京誠在山東科瑞成功熱試國內(nèi)首條年產(chǎn)10萬噸高速連續(xù)粉末彩涂機(jī)組（圖4），實(shí)現(xiàn)了VOCs零排放的環(huán)保目標(biāo)，開創(chuàng)了國內(nèi)粉末彩涂技術(shù)的第一品牌CERIPOWDER?, 標(biāo)志著金屬卷材高速連續(xù)粉末彩涂技術(shù)由實(shí)驗(yàn)室階段正式進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段。該機(jī)組生產(chǎn)線速度高達(dá)80米/分鐘，遠(yuǎn)超國外同類機(jī)組生產(chǎn)速度，并且完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，填補(bǔ)了國內(nèi)金屬卷材高速連續(xù)粉末噴涂技術(shù)的空白，被《世界金屬導(dǎo)報(bào)》評(píng)為“2016年世界鋼鐵工業(yè)十大技術(shù)之一”。

圖4  山東科瑞粉末彩涂機(jī)組

該機(jī)組生產(chǎn)的粉末彩涂板各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到國家彩涂板標(biāo)準(zhǔn)，其加工性能（折彎、硬度、柔韌性、耐刮等）更優(yōu)于溶劑彩涂板，由于粉末噴涂可實(shí)現(xiàn)厚涂，粉末彩涂板的耐候性能超出溶劑彩涂板，表1為粉末彩涂板性能測(cè)試指標(biāo)。

表1  粉末彩涂板性能測(cè)試指標(biāo)

另外，該機(jī)組的一次上粉率可達(dá)80%以上，過噴的粉末經(jīng)回收系統(tǒng)回收重新使用，其綜合利用率超過98%。剩余的2%廢粉，也可由粉末生產(chǎn)企業(yè)回收，重新加工后再使用，從而真正意義上實(shí)現(xiàn)涂裝“三廢”零排放，創(chuàng)造出極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

粉末彩涂機(jī)組與溶劑彩涂機(jī)組入口段及出口段設(shè)備布置及生產(chǎn)成本基本一致，噸鋼成本的差別集中體現(xiàn)在工藝段的涂敷及固化上，主要涉及到電力、天然氣、涂料、壓縮空氣、水等幾個(gè)重要指標(biāo)。表2為年產(chǎn)10萬噸彩涂板噸鋼涂敷固化段綜合成本對(duì)照表（鋼板厚度0.35mm），溶劑彩涂噸鋼成本約672元，粉末彩涂噸鋼成本約623元，兩種彩涂工藝成本基本持平。隨著粉末涂料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展粉末涂料的生產(chǎn)成本將會(huì)大幅降低，粉末彩涂板生產(chǎn)成本也將隨之大幅降低。

與溶劑彩涂板相比，粉末彩涂板的售價(jià)更高，歐洲地區(qū)彩鋁粉末卷板平均價(jià)格比溶劑卷板高出30%以上，國內(nèi)目前已建成的金屬卷材粉末彩涂生產(chǎn)線，粉末彩涂卷板噸鋼銷售價(jià)格比溶劑彩涂卷板高出600～2000元。

表2  年產(chǎn)10萬噸彩涂板噸鋼涂敷固化段綜合成本對(duì)照表

根據(jù)客戶的產(chǎn)品需求和市場(chǎng)定位，可在滿足高端家電板、高端建材板，以及小家電板、防火門防盜門板等中低端建材板的產(chǎn)品質(zhì)量要求前提下靈活選擇臥式、立式、立臥結(jié)合工藝技術(shù)，為客戶最大限度降低一次性投資和生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，提高產(chǎn)線經(jīng)濟(jì)效益。

中冶京誠高速連續(xù)粉末噴涂技術(shù)的問世及生產(chǎn)線的成功應(yīng)用，為彩涂板行業(yè)解決VOCs排放問題找到了新辦法，為彩涂板轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了新途徑。