彩涂烘烤固化工藝淺談.doc

栽涂熾烤目化工藝淺談Disc ussion on Color Coating Line oven System周小舟1，涂元強(qiáng)2 (1武鋼股份公司冷軋廠，430083；2武鋼集團(tuán)技術(shù)中心鋼鐵產(chǎn)品研究所，430080)摘要：本文通過對彩板涂料成膜機(jī)理的分析，討論了影響烘烤固化的因素，以及如何確定合適的 加熱工藝。通過對目前幾種常見的彩涂固化設(shè)備和工藝的分析，說明加熱技術(shù)的發(fā)展和涂料新品 種的開發(fā)有著密不可分的關(guān)系。關(guān)鍵詞：彩色涂層鋼板；烘烤；熱風(fēng)爐；工藝0前言 1卷鋼涂料固化工藝在彩涂板生產(chǎn)過程中，對涂料的烘干固化是非11涂料固化成膜基理 常重要的個工藝環(huán)節(jié)，將直接影響到最終的產(chǎn)品涂料按照成膜機(jī)理可以分為物理成膜涂料和 質(zhì)量和性能。通常是采用加熱的方式使涂料經(jīng)過聚化學(xué)成膜涂料兩大類。由于物理成膜時，只靠涂料 合或交聯(lián)形成顏色、光澤度穩(wěn)定的干硬膜；同時涂 中溶劑的揮發(fā)而得到干硬的涂層，并無分子的交聯(lián) 料烘烤設(shè)備也是彩色涂層機(jī)組上的套關(guān)鍵設(shè)備，等化學(xué)反應(yīng)，并且能再次被溶劑所溶解，因此也被 這套系統(tǒng)既有它的獨(dú)立，I生，同時又與機(jī)組設(shè)備有機(jī)稱為“揮發(fā)干燥型涂料，由于這些涂料成膜后的性能較差，所以在彩涂鋼板的生產(chǎn)中并不使用。 的結(jié)合起來。整個熱風(fēng)平衡系統(tǒng)在固化涂料的同時也處理了溶劑廢氣、對余熱進(jìn)行再利用，保護(hù)了環(huán) 化學(xué)成膜的涂料可以分為兩類：一類是由空氣 境，節(jié)約了能源，其在機(jī)組的生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的 中的氧或水分與涂料中的成膜聚合物發(fā)生交聯(lián)反 作用，它包含了爐窯熱工、流體動力、工業(yè)鍋爐、 應(yīng)，從而固化成膜。這類涂料由于交聯(lián)速度較慢， 機(jī)械設(shè)備、電氣傳動、儀表監(jiān)控、計算機(jī)控制等多 因此也不在彩涂鋼板中使用。個專業(yè)。同時爐子系統(tǒng)建設(shè)投資占到了機(jī)組總價的 在彩涂鋼板中使用的是化學(xué)固化機(jī)理型的涂25，爐子系統(tǒng)質(zhì)量占到設(shè)備總質(zhì)量的30。料，是在涂料成分之間，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成交聯(lián) 本文將從涂料固化原理、常見烘烤爐的工藝和固化涂層的涂料。這類涂料的特點(diǎn)是，在涂裝時反 設(shè)備幾個方面對彩涂烘烤固化進(jìn)行初步的介紹。應(yīng)性的組分已經(jīng)包含在涂料之中。在常溫下，它們 不發(fā)生反應(yīng)，只有當(dāng)涂敷之后，隨著溶劑的大量揮刊刊第4屆彩板及涂料涂裝技術(shù)研討會129彩涂烘烤固化I藝淺談Discussion on Color Coating Line oven System發(fā)，造成樹脂等成膜物質(zhì)的高濃度濃縮，同時由外經(jīng)揮發(fā)出來，圖1就是以25 S的烘烤時間為例的 部供給活化能量(如烘烤爐的熱風(fēng)、輻射管輻射等)溶劑揮發(fā)示意圖： 才迅速進(jìn)行反應(yīng)、交聯(lián)固化成膜。這類涂料與非加300熱型的化學(xué)成膜涂料相比，由較高的穩(wěn)定性，只有250在一定條件下才能引發(fā)交聯(lián)反應(yīng)，并在較短的時間 量200 八 內(nèi)固化成膜。 贈150 |六霪瑚 歹、。12涂料烘烤工藝 500由于烘烤時間短，因此卷鋼涂料，黏度、流動O10 20 30性、流平性都是漆膜外觀和性能的重要因素。一般 在爐內(nèi)時間s上機(jī)涂料黏度控制在涂_4杯701 1 0 S。圖1加熱爐中板溫與溶劑揮發(fā) 對于彩涂機(jī)組，溶劑的揮發(fā)速度與彩涂鋼卷高溫快速的烘烤工藝必須相匹配。對于要得到好的漆 正是由于涂料溶劑的這種揮發(fā)特性，通常烘烤 膜外觀和合格的漆膜性能。溶劑的揮發(fā)方式很重 爐的廢氣抽風(fēng)管道一般裝在爐內(nèi)靠前的部位以到 要。加熱爐中的烘烤過程分為兩個階段，開始是“濕 達(dá)最好的溶劑排放效果。例如FATA公司設(shè)計的5 階段”，溶劑的揮發(fā)速度受限于溶劑通過涂料表面 段式加熱爐中廢氣抽風(fēng)管道一般設(shè)置在2、3段之 層向空中擴(kuò)散的速度；然后是“干階段，余下的 間的位置。溶劑從固化的漆膜中擴(kuò)散出去，相對于“濕階段 13彩涂烘烤爐設(shè)計特點(diǎn)這個過程時間要慢。 目前彩涂機(jī)組不斷提高工藝速度以發(fā)揮機(jī)組 在成膜過程的濕階段混合溶劑的實(shí)際組成在最大的產(chǎn)能來發(fā)揮生產(chǎn)效率，如今歐美許多機(jī)組都 不斷變化，揮發(fā)性強(qiáng)的在混合溶劑中的比例會越來可以達(dá)到200 m，min的速度，目前國內(nèi)最快的機(jī) 越少，剩下?lián)]發(fā)性弱的。所以在混合溶劑中真溶劑組武鋼2樣彩涂機(jī)組的速度也已經(jīng)達(dá)到了160 的揮發(fā)性必須低于稀釋劑的揮發(fā)性，以保持黏度逐m，min，這就最大程度的縮短涂料固化時間來減少 漸增大的漆膜仍有好的流平性，否則會造成漆膜缺加熱設(shè)備的長度，降低設(shè)備投資。1 987年我國第 陷。一條機(jī)組武鋼1撐彩涂線設(shè)計的烘烤時間達(dá)到了36 由于機(jī)組烘烤爐為了在最短時間內(nèi)將帶鋼的 S，但隨著涂料技術(shù)的不斷發(fā)展和配方的改進(jìn)，在基板最高溫度(PMT)提升到260左右，因此 國外許多新建的機(jī)組都將烘烤時間設(shè)計在20 S以第一段的爐溫通常都在200以上，要避免由于 內(nèi)，我國近幾年新建的一些大型彩涂機(jī)組如寶鋼 高溫造成大量低沸點(diǎn)溶劑瞬間逸出造成漆膜縮孔 2#，3樣彩涂機(jī)組，首鋼彩涂機(jī)組、本鋼彩涂機(jī)組、 和流平不好，同時也要防止漆膜接近完全固化時還 馬鋼彩涂1撐，2撐機(jī)組等都將烘烤時間設(shè)計在 有較多溶劑逸出而造成氣泡和爆孔。因此要求所用 21-25 S之間。，混合溶劑在烘烤過程中的逸出速度要與漆膜對應(yīng)2彩涂加熱爐形式和特點(diǎn)的PMT固化過程相適應(yīng)。一般選用沸點(diǎn)1 40-240的溶劑，并且低沸點(diǎn)溶劑占混合溶劑的30左在輥涂機(jī)涂敷帶鋼后。引發(fā)涂料交聯(lián)反應(yīng)固化 右。 成膜的方法有多種。主要可以分為兩大類，一種是 由于烘烤爐的爐溫一般在1 80-380之間， 光電固化，例如電子束、紫外線光照射；另一類是 因此通常在加熱的前半段時間，絕大部分溶劑都已加熱固化，例如熱風(fēng)、紅外線、電磁感應(yīng)等加熱方1 30 4”International Coor Sheet and CoatingslFinishing Conference式?？緶囟榷急仨氝_(dá)到使涂料中樹脂聚合充分的最低 溫度。在烘烤不足時涂膜硬度和化學(xué)性質(zhì)明顯降21熱風(fēng)式加熱固化低，但烘烤過度時，涂膜的黏附性，光澤度急劇惡 現(xiàn)有的彩涂機(jī)組大多數(shù)采用熱風(fēng)式加熱固化化，顏色變黃。因此機(jī)組要根據(jù)涂料特點(diǎn)制定合適 爐進(jìn)行涂料的固化，它一般是使用液化石油氣、煤的加熱曲線。 油或脫硫后的焦?fàn)t煤氣、混合煤氣作為燃料。燃燒后通過熱交換器將新鮮空氣預(yù)熱，預(yù)熱后的空氣作 為熱量的載體被風(fēng)機(jī)送入固化爐，又寸帶鋼進(jìn)行加 熱。使用熱風(fēng)進(jìn)行加熱的爐子都是直通懸空式。目 前由于加熱時間的限制，目前絕大多數(shù)的爐子都是 臥式，近年一些新建的大型彩涂機(jī)組(年產(chǎn)量1 2 萬t以上)在化涂固化爐采用了立式結(jié)構(gòu)，以縮短 機(jī)組長度節(jié)省廠房投資，立式熱風(fēng)烘烤爐實(shí)例如圖2。I奎3固化爐極溫與爐溫的關(guān)系從圖3可以看出，入口段的送風(fēng)溫度較低， 隨著爐溫的逐步升高，帶鋼也進(jìn)入了高溫段，升溫 并很快達(dá)到了最高板溫(PMT)，然后持續(xù)一段時 間。在國外的一些彩涂機(jī)組甚至采用了7-8段的 爐溫控制技術(shù)，使得板溫控制更加細(xì)致。從爐子系 統(tǒng)流程圖(見圖4)可以看出整個系統(tǒng)的原理，廢 氣風(fēng)機(jī)從加熱爐內(nèi)將涂料烘烤后揮發(fā)出來的有機(jī) 溶劑抽到一個專門的焚燒爐內(nèi)同時配比加入空氣圖2立式熱風(fēng)烘烤爐 燃燒后產(chǎn)生大量的高溫廢氣(700800)，通過 烘烤爐通常分成3-5，每段溫度單獨(dú)控制，一個氣-氣熱交換器，使廢氣溫度降低到300左一般來說，在同樣長度的爐體，爐內(nèi)分段越多，對 右后通過煙囪排出。同時一個新風(fēng)風(fēng)機(jī)將新鮮空氣加熱曲線的控制也就越精確，但由于循環(huán)風(fēng)機(jī)和風(fēng) 抽入后經(jīng)過這個換熱器升高到400以上進(jìn)入爐箱、管道以及控制閥門數(shù)量的增加也會大大提高爐 子風(fēng)箱，通過爐內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)夾壓后從噴嘴噴出對帶 子的設(shè)備成本。鋼進(jìn)行加熱。圖3為5段式加熱爐爐溫與板溫圖，在實(shí)際 在烘烤爐中，熱風(fēng)由帶鋼的上、下方通過熱風(fēng) 生產(chǎn)中，加熱曲線還和帶鋼的厚度、涂料的種類、 箱的噴嘴吹向帶鋼(如圖)，由于上下噴嘴吹風(fēng)的 涂料的厚度甚至涂料的顏色等多個參數(shù)都有關(guān)系， 壓力基本相同，產(chǎn)生的風(fēng)力相近，而且噴嘴距離帶 因此對爐子的控制中，彩涂機(jī)組很難像鍍鋅機(jī)組、 鋼表面也比較遠(yuǎn)，所以帶鋼在爐內(nèi)實(shí)際上處于一種懸垂的狀態(tài)。 連退機(jī)組那樣在二級機(jī)里面建立爐溫控制的數(shù)據(jù)模型，每個品種的加熱曲線，都是經(jīng)過長期的試驗(yàn) 測定而得羽I的。不管帶鋼的規(guī)格有名大的變化烘劓劓第4屆彩板及涂料涂裝技術(shù)研討會131彩涂烘烤固化I藝淺談Discussion on Color Coating Line oven System圖4 7段式熱風(fēng)爐原理圖圖5一a 5段式加熱爐風(fēng)箱布置圖 在懸垂?fàn)t中，帶鋼同時受到張力和重力的作用。在這種情況下對于帶鋼的垂度有一個計算公 式：Y=1785 X 10。6coshx(785 X 10L2T)1】 公式中Y=帶鋼的垂度(最低處與帶鋼兩端的高度差) L=帶鋼的跨度(涂層輥到爐子出口第一個輥?zhàn)拥木嚯x) T=帶鋼張力 coshx=(ex+e“)2此公式可近似的認(rèn)為帶鋼的垂度與帶鋼的跨 圖5一b安裝完爐內(nèi)風(fēng)箱和管道后拼裝爐板 距成正比，與帶鋼的張力成反比。因此當(dāng)增大機(jī)組 對爐子進(jìn)行封閉 的產(chǎn)能時必須提高機(jī)組速度，在保證烘烤時間一定1 32 4“Incema“onaI Color Sheet and CoanngslFinishing Conference一冉的前提下就必須增加爐子長度，最后就會導(dǎo)致帶鋼 垂度變大，使得爐子設(shè)備變的十分龐大，增加設(shè)備 投資。例如武鋼2稃彩涂機(jī)組由于工藝速度高達(dá)1 60 mmin，在將烘烤時間已經(jīng)壓縮到了22 S的前提 下，爐子的高度仍然超過了4 m。一般在烘烤爐的 入口或則出口會安裝有感應(yīng)式的垂度儀，對帶鋼的 垂度進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)垂度超過安全范圍時給出信號， 機(jī)組通過爐子出口的張力輥的速度來加大爐內(nèi)帶 鋼的張力，減小帶鋼的垂度，防止鋼板表面接觸到風(fēng)箱發(fā)生劃傷。圖7固化爐爐殼結(jié)構(gòu)風(fēng)箱噴嘴的角度和間隙大小都可以調(diào)節(jié)來控 在爐子的出口部位安裝紅外線測溫儀表對帶 制氣流的方向和大小，同時在每個風(fēng)箱噴嘴的上面 鋼以不接觸的方式進(jìn)行最終板溫(PMT)的監(jiān)控， 都會設(shè)置有保護(hù)桿，當(dāng)穿帶和帶鋼斷帶是起到保護(hù) 獲得帶鋼出口的平均溫度值。由于爐內(nèi)的環(huán)境惡 噴嘴不被撞擊變形。如圖6： 劣，因此很難在爐內(nèi)設(shè)立多過的紅外測溫點(diǎn)對帶鋼的升溫進(jìn)行連續(xù)的跟蹤。當(dāng)爐內(nèi)揮發(fā)出的有機(jī)溶劑的濃度超過一定范 圍的時候，會達(dá)到爆炸極限而發(fā)生爆炸事故，因此 在爐內(nèi)一般會安置低爆炸極限監(jiān)控裝置(LEL)來 對爐內(nèi)的溶劑含量進(jìn)行檢測，當(dāng)有機(jī)溶劑含量大于 安全數(shù)值時機(jī)組會自動加大新風(fēng)的送入量來降低 溶劑的含量；當(dāng)溶劑含量大于警戒數(shù)值時，涂層機(jī) 的涂輥會脫離帶鋼停止涂敷涂料。當(dāng)爐內(nèi)發(fā)生爆炸 時。為了避免對爐子超成毀滅性的破壞，在爐子的兩側(cè)都會裝有很多壓力安全門。特制的門栓可以調(diào) 圖6風(fēng)箱噴嘴設(shè)置圖節(jié)彈開時的壓力極限，當(dāng)爆炸發(fā)生時，爐內(nèi)壓力急對于加熱過程的控制一般是采用在每段爐子劇增加，所有的壓力安全門全部彈開釋放爐壓，避 的熱循環(huán)風(fēng)機(jī)的管道里安裝熱電偶進(jìn)行預(yù)設(shè)定的 免對爐子結(jié)果造成整體爆裂。 閉環(huán)控制，因?yàn)槊慷螤t子都是獨(dú)立的熱風(fēng)循環(huán)，由22紅外加熱固化焚燒爐系統(tǒng)供來通過換熱器加熱后的高溫新風(fēng)再利用紅外加熱的方法中，可分為中波紅外(1R)通過閥門控制加入冷風(fēng)來控制噴嘴的氣流溫度。和近紅外(NIR)。 彩涂機(jī)組的固化爐由于不需要對鋼帶進(jìn)行高其中中波紅外技術(shù)由于設(shè)備簡單，投資少，被 溫退火工藝，因此爐殼的結(jié)構(gòu)要比連續(xù)退火機(jī)組和目前國內(nèi)不少中小型彩涂機(jī)組所采用。中波紅外加熱鍍鋅機(jī)組的設(shè)備要簡單很多(見圖7)，通常內(nèi)熱又可分為盲接燃燒紅外線加熱和電紅外加熱。 側(cè)用不銹鋼鋼板，外側(cè)用熱鍍鋅鋼板，單塊爐板通過點(diǎn)焊連接，里面填充耐火陶瓷纖維。爐體拼裝的 直接燃燒紅外線加熱是采用可燃?xì)怏w，通過紅 時候，每塊爐板可拼插結(jié)合然后用高溫耐火硅膠對外燒嘴燃燒，放出紅外線對鋼板烘烤加熱，電紅外 接縫處密封即可。 是采用通電石英管的紅外線加熱，這兩種方式對溫 度不宜控制，特別是機(jī)組停車時無法很快的對爐內(nèi)刊刊第4屆彩板及涂料涂裝技術(shù)研討會133彩涂烘烤固化I藝淺談Discussion on Color Coating Line oven System圖8光波列表圖9 UV、NIR、IR及熱風(fēng)固化的工作原理比較 進(jìn)行降溫。造成廢品率高，容易著火，并且能耗大， 固化的工作原理區(qū)別。不適合大型機(jī)組和高品質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)。NIR技術(shù)可以使整個帶鋼幅面的溫度更加均 而近紅外加熱技術(shù)是目前最新開發(fā)出來的一勻，根據(jù)帶鋼的寬度進(jìn)行幅面的調(diào)整，最大程度的種加熱時間短十分高效的加熱流程的系統(tǒng)工藝。它 節(jié)約能量。利用發(fā)射輻射頻譜(約90的能量在2 um光波區(qū) 由于采用此種加熱方式?jīng)]有焚燒爐對有害廢 發(fā)射出來)獲得高達(dá)到1 500 kWm2密度的能量。 氣進(jìn)行處理，同時因?yàn)闆]有熱風(fēng)的混入，揮發(fā)出來 例如，熱鍍鋅板在短波紅外區(qū)(NIR)對能量的吸 的有機(jī)溶劑濃度高，通常采用冷凝法冷卻或催化氧 收可達(dá)到60，而對普通的中波紅外線的能量吸 化法處理廢氣。收只有15(見圖8)。圖1 0一a是在一條鋁板彩涂線上的系統(tǒng)配置的由于涂料在傳統(tǒng)的IR,能量全部在表面被吸 比較，可見烘烤時間大大縮短，由此可以很大程度 收了，因此烘烤爐中實(shí)際是紅外線緩慢的對涂料層 的節(jié)約設(shè)備空間，約為傳統(tǒng)干燥系統(tǒng)長度的 加熱。而NIR近紅外技術(shù)的烘烤原理則完全不同， 1 0-20o由于輻射滲透進(jìn)入涂料中，配合高能量密度使得涂NIR技術(shù)能夠快速的改變工藝流程，低維護(hù)的料瞬間加熱。操作能夠在具有高有機(jī)溶劑的環(huán)境中應(yīng)用，已經(jīng)圖9中就可以比較出UV、NIR、IR以及熱風(fēng)逐步投入到實(shí)際生產(chǎn)中，特別是開發(fā)商Adphos1 34 4橢|ntemationaI cotor Sheet and Coatings|Finish|ng Confe-en。e，圖10一a普通紅外加熱與近紅外加熱設(shè)備的區(qū)別 AG公司已經(jīng)在多個實(shí)際工廠中進(jìn)行推廣使用，具易。有極好的推廣前景。 在電感應(yīng)加熱固化的過程中，熱量是由內(nèi)向外 傳遞，使溶劑的揮發(fā)充分，涂膜內(nèi)層固化充分，附23電感應(yīng)加熱固化著力好。電感應(yīng)加熱固化也是一種較新的加熱技術(shù)。這種方式是帶鋼通過由1 04Hz高頻線圈產(chǎn)生的高頻 此類設(shè)備由于設(shè)備投資較高，我國僅在大型熱 電場時，由于產(chǎn)生渦流而使帶鋼升溫。帶鋼可在1 鍍鋅機(jī)組的合金化加熱爐有使用的業(yè)績。在彩涂線 s左右的時間內(nèi)由室溫升到所需的溫度，整個加熱 并不多見。固化時間只需1 0 s左右。這樣就大大的縮短了加 24電子束掃描固化電子束輻射固化技術(shù)(簡稱EBC)是一種全 新的固化工藝。EBC是以大電流低能電子加速器 產(chǎn)生的電子束輻射誘導(dǎo)特殊的卷材涂料在常溫條 件下瞬間完成固化。其涂料配方不同于一般的卷材 涂料，是由預(yù)聚物、活性單體及其他助劑組成，當(dāng) 電子束轟擊單體時會產(chǎn)生自由基進(jìn)行聚合。其優(yōu)點(diǎn) 是常溫瞬間成膜和涂料組分的1 00成膜。目前僅 有新日鐵能以EBC工藝生產(chǎn)0T、2H的家電彩板， 產(chǎn)品牌號為EBC ELLIO SHEET。用電子束掃描固化，可以產(chǎn)生超高硬度、加工 圖10-b采用NIR技術(shù)的彩涂機(jī)組性也較好的有機(jī)彩涂板。由于這種工藝不需要對鋼 熱固化時間和加熱爐的長度。采用這種方式加板進(jìn)行加熱因此能耗較低。另外，由于電子束是由 熱速度快，設(shè)備投資少，溫