汽车涂装废水处理工艺设计及其运行实践

2024-10-30

汽车涂装废水处理工艺设计及其运行实践（共2篇）

1.汽车涂装废水处理工艺设计及其运行实践篇一

 引言：2009年我国汽车工业“井喷”式发展，年产1379万辆，增幅达47.6%，首次成为世界第一大汽车生产国，2010年汽车产量达1806万辆，规划2015年生产2500万辆。各大汽车公司又掀起了扩大生产能力的高潮，已知设计新建汽车车身涂装线有几十条。以合资汽车公司主导设计的由外国涂装公司承建的汽车车身涂装线的工艺设计中聚集采用了世界最新的涂装技术，如前处理电泳线采用滚浸式输送机，“三湿”水性中涂、面漆涂装工艺（3C1B和双底色2010涂装工艺）；喷涂全部采用机器人静电自动喷涂（实现喷涂作业无人化）；选用干式喷漆室（如杜尔公司的EcoDryScrubber型干式漆雾捕集装置），喷漆室排风循环再利用技术；选用RO和ED-RO再生清洗水循环应用技术；立体分区布置技术等。一汽大众三、四厂（成都、佛山）、上海大众四、五厂（南京、仪征）和奇瑞（大连）等经济规模（JPH60台/h以上）车身涂装车间就是采用上述先进技术，工艺设计水平为世界一流的典型代表，其环保·清洁生产、省资源、节能减排、降低涂装成本等方面的经济技术指标远远优于现涂装工艺，全面达到环保、质量、产量、成本四方面兼顾的绿色时代要求。

近两年，笔者有机会参加20多条汽车车身涂装线工艺设计的评审、评标和技术咨询活动，深感国内涂装工艺设计水平与上述引进涂装线工艺设计相比，差距拉大了。笔者于2005年汽车涂装技术交流会（沈阳）发表的《工业涂装工艺设计若干问题的探讨》一文中提出了8条差距，依旧存在，工艺设计模式几十年一贯制，继续照抄照搬，改进极少，落后15~20年。具体表现在：

1）涂装工艺设计在环保·清洁生产、经济性（投资和运行成本）、节能减排等方面无目标值，而是照搬原工艺。近年投产的大部分涂装线的环保、节能减排方面无明显改善。

2）维持在0.0平面平铺式的工艺布置，甚至在选用了先进的滑橇输送机系统的场合，有的还是这样布置，造成涂装车间占地面积偏大，厂房的空间利用率低，车间内的人流、物流不畅通，增加喷漆室的地下工程。

3）对涂装车间生产线的经济规模缺少研究，对鑫三荣涂装设备和输送设备的有效利用率缺少研究。如年产10万台驾驶室（生产线链速2.0m/min左右）建一条经济规模的喷涂线就可，而有的坚持旧的生产方式，建2~3条喷涂线（中涂、面漆和车头覆盖件线）。又如年产已达千辆以上的大客车车厢涂装车间有些决策者强调“灵活性”，坚持要作坊式的抽屉式平面布置，造成设备有效利用率大幅度降低，人员增加，涂装车间的经济性下降。

4）传统习惯势力的影响大，白车身的缺陷（如不平整度）还靠涂装来弥补。如年产上万台白车身的平整度不靠制造工艺（冲压、焊装、输送及精心管理）来保证，而有些汽车公司要求新设计的涂装车间仍要有刮腻子和打磨工位（线）。

5）有的项目主管和工艺设计人员缺乏涂装设计经验，未完全掌握车身涂装工艺学问，好多涂装工艺平面布置设计技术不会应用，甚至违背了一些基本设计原则。不按科学的典型工艺设计，而随意更改或增减工序和更改工艺参数，如脱脂后水洗仅设一次，或由先喷后浸的两次水洗改为先浸后喷；磷化浸处理时间一般为3min改为8min；又如电泳后清洗由正常的一喷两浸（含浸槽出口喷淋和再喷新鲜UF液和纯水）改为三喷两浸，增加两次独立的喷洗工序，这种更改不仅得不到好效果，反而耗能、耗水，影响涂装质量；有的公司要求在喷中涂和面漆后烘干前设更换滑橇工序。

1提高汽车车身涂装工艺设计水平的探讨

1.1工艺设计的水平（先进性和可靠性）和目标值

在规划和制定涂装工程的设计原则时都会提到新涂装车间的工艺水平达到国内先进水平，有的还明确要求10

年不落后，可在实施过程中往往强调可靠性，怕担风险，总认为按现有的老工艺翻版设计“最可靠”。可是时代的要求（环保清洁生产，节能减排低碳经济，省资源可持续发展等）和市场竞争要求（优质、高产、低成本、性价比），按老工艺翻版设计难以实现。必须依靠技术进步，走创新之路搞好工艺设计，必须认真总结经验，确定工艺设计的目标值，做到工艺设计的先进性和可靠性兼得。

在实际工艺设计工作中思想观念和设计理念的转变，解放思想就能创新，产生较大的经济技术效益，就能克服风险，如改变生产方式和工艺处理方式（工序简化或合并淘汰落后工艺等），掌握工艺平面布置的设计技巧等。当设计采用革新技术场合，这要吃透，依靠社会的力量就能实现先进的目标值，并将风险降到最低。涂装工程项目工艺设计在保质量、产量前提下，环保·安全性、生产·经济性（投资和涂装成本）、节能减排等方面应有目标值（与现工艺对比有多少进步），不要简单翻版。新设计、建设涂装车间（线）是采用新工艺、新材料、新设备的最好机会，因此涂装工艺设计必须按产品涂装质量标准、产量、投资和清洁生产（国家或地区的环保法规）等选用与其相匹配的涂装工艺、涂装材料及设备，通过创新和依靠技术进步实现最佳的目标值。目标值要根据企业或地区的现有水平（数据），国家或地区法规的要求，并参照国内外兄弟公司的数据确定。例如：环保方面：VOC的排放量35g/m2（轿车车身），55g/m2（卡车驾驶室）[2]；耗水量5L/m2（国外先进的前处理用水量基准面积100m2的轿车车身由传统的磷化工艺250L/台，更新采用硅烷处理工艺后降低到75L/台）[3]；节能减排较现工艺降大于10%（国家领导向世界承诺到2020年降20%），依靠技术进步和科学管理随设备有效利用率、一次合格率、资源利用率和自动化程度等的提高，涂装成本较现生产降5%~10%。笔者认为上述数据可作为现阶段汽车涂装工艺设计的参考目标值。

在涂装工艺设计时上述目标值仅与现生产的数据差5%场合则可依靠小改革实现，当大于10%或50%的场合，则必须依靠革新技术和自主创新才能实现。

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1.2关于年时基数（工作制）、生产能力、设备利用率等设计基础资料的科学合理选定

汽车车身鑫三荣涂装线的生产能力一般以每小时产出的合格的车身数（即JPH，台数/h）表示。它是决定涂装线生产规模、生产方式（间歇式还是连续式）、生产节拍及链速等的最基础的依据。可是客户的要求不一，有的强调年产量，或者为了节省投资强调年工作日300d或以上，每天工作20~22h（倒大班或三班制）。在制造行业，国家现今的法定工作日为250d/a，两班工作制（16h/日），另外，老设计基准，年时基数打九五折。不同的年时基数致使涂装线的生产能力（JPH）计算偏差较大。

选定年时基数时应充分考虑涂装车间的以下生产特点：

1）涂装设备是热非标设备，每天都应留有一定时间检修维护；减少设备故障率，以保设备的开动率。

2）高装饰性涂装的一次合格率需靠高质量的设备、工位环境的清洁度保障。每天也需留一定的保洁时间。

3）为确保汽车车身的涂装质量，前处理电泳线、喷涂线和烘干室生产线启动后无特殊情况下不允许停线和生产结束时需“跑空”。根据上述特点，笔者认为在涂装工艺设计时选用250

d/a两班工作制（16h/日）较为科学合理，在满负荷生产场合，可在两班制生产作业时间外，再加跑空时间。当市场需要，可增加班次（倒大班或开三班，年工作日300d以上）增加产能，给组织管理生产留余地。在工艺设计时计算生产能力还需考虑设备开动率（利用率），备件和可换件产量比，大返修率等，因此设计按生产能力要略大于规划目标产量（合格品）。

设备开动率在早先的工艺设计中，强调设备及配套件的可靠近性差，管理跟不上，选用偏低（80%~85%），现今国际水平为93％~95%，根据国内现况，设计选取用90%以上为宜。

1.3涂装工艺设计应重视涂装车间的生产·经济性

（投资和运行涂装成本）和经济规模生产涂装车间的经济性的总目标是在保证质量、安全性和环保性的基础上节省投资和降低成本。其技术措施是在优化工艺设计的的基础上提高资源利用率、减少污水和废弃物排放量及处理费用，借助自动化和智能化降低劳动成本，加强管理提高涂装的一次合格率和设备的有效利率等。制造业获得竞争力优势的奥秘是用同等数量的原材料和能源，能加工出更多更好的产品，从而创造出更高的产值，或投资最小且合理，运行成本最低，实现少投入多产出的目标。这也是涂装工艺设计的基本原则，将有限的投资用在“刀刃”上，提高涂装车间的生产·经济性。

一般都认为大量流水生产，要比中、小批量（或作坊式）生产经济运行成本低。可是达到什么样规模最经济呢？被涂件输送速度已达到工序作业许可极限时的生产能力，且设备长度不随输送链速度加快成比例增长，工艺投资小且合理，运行成本低，称为经济规模生产（收益递增，成本递减，即投入增加一倍，产出增加一倍以上）。

以轿车车身（车身长度以4.5~5.0m为基准）的前处理、电泳涂装线为例，在连续式生产场合，链速由不低于2.0m/min增加到6.0m/min（JPH由20台/h增加到60台/h或生产节拍由3min/台加快到1min/台左右），水洗的喷洗工序的处理时间由1min缩短到20s（仍在工艺许可的范围内），浸洗仍为浸入即出，沥水段长度仍为大于一个车身的长度，上下坡长度不需增长，仅需按脱脂、磷化和电泳等序所需工艺时间，增加设备长度，因此每台车身分摊的工艺投资和运行成本会随产量的成倍增长而大幅度下降。

由喷漆室、晾干、烘干室及强冷组成的喷涂线有同样的经济规模的概念。现已实现的经济规模汽车车身涂装线规模如下：

前处理、阴极电涂装线，在连续式生产场合，链速≥6m/min，生产节拍1min/台左右；在间歇式生产场合（以程控自行葫芦输送为例），生产节拍一般为≥5.0min/台（单工位型），近几年发展电泳、脱脂等工序为双工位生产节拍可缩短到3.5min/台左右。

喷涂线的经济规模：在手工喷涂场合，链速2.0m/min左右；在手工喷涂车身内表面补喷和采用机器人自动静电喷涂车身外表面的场合，面漆喷涂线（底色漆+罩光工艺）链速3.0~3.5m/min（生产节拍1.5~2.0min/台）；而中涂喷涂线（换色次数少，或配套两套机器人喷涂站），链速可达5.0~6.0m/min（生产节拍0.8~1.0min/台；年产25万~30万台)。手工作业线，除密封胶线链速3.0m/min左右外，其他线打磨作业、检查修饰线等链速可加快到5m/min左右。

在设计年产6万~7万台轿车车身（或年产10万台驾驶室）涂装车间按传统的工艺设计一般都设计中涂和面漆两条线（链速都在2.0m/min以下），如果采纳“转两圈”办法，设计一条采用机器人自动静电喷涂车身外表面的经济规模喷涂线（链速3.5m/min左右），则与两条线方案比较要经济得多。不仅可节省投资和占地面积，且可大幅度提高设备的有效利用率和削减作业人员，在节能减排方面也有明显效果。

1.4

适应时代的要求，涂装工艺设计应依靠技术进步（创新）提高涂装车间的安全性和环保性涂装车间的安全性：消除或减少火灾危险性，消除职业病（如苯中毒）和人身伤害事故源，使操作人员远离有害作业区。

涂装车间的环保性：不用或少用对人类和地球环境有害的物质；减少或消除VOC的排放量；节能减排减少了污水排放量；综合利用、减少工业废弃物量等。保护作业人员的健康卫生安全，是促进社会和谐发展的需要；高污染高能耗的工艺及设备按国家政策要淘汰，涂装工程的环保和消防安全不达标，将被一票否决。

因此，涂装工艺设计单位（和人员）应具有高度的社会责任感和环保安全意识，力促依靠技术进步提高涂装车间的安全性和环保性，达到国内外先进水平。

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1.5

涂装工艺设计（平面布置图设计）的技窍工艺平面布置图设计是涂装车间工艺设计的最关键项，可有人认为是“画方块”的简单工作，实际上是涉及专业知识面广、技术含量高的设计工作。优秀的经济可行的工艺平面布置图必定出自对每道工序（环节）细致研究且琢磨透彻，对每台设备的功能和立体空间非常了解，对车间生产、物流、维修、安全、节能、环保、生活办公、土建公用等多方面的全面熟悉，且熟知工艺平面布置技巧的工艺设计人员之手。笔者将所知的汽车车身鑫三荣涂装车间工艺平布置技巧总结归纳如下，供读者参考：

1）现代化的汽车车身涂装车间普遍采用多层立体分区布置方式，串联不分区布置方式已被淘汰，单层平面分区布置方式仅在车身长度>7.0m（升降不便的场合）和老厂房改造无法多层化的场合才采用。多层立体分区布置方式占地面积少，厂房空间利用率高，喷漆室无地下工程，物流和作业环境较合理先进。人工密集的作业（涂密封胶工序、打磨作业、检查修饰线等）洁净度要求稍低的作业布置在一层；环境洁争度要求高的喷涂作业（洁净间）布置在二层；烘干室布置在二层或三层；空调供风设备布置在三层或房顶（厂房的总高度不应大24m），实现分区（洁净区、一般作业区、高温区等）集中布置。

2）前处理设备、电泳及后清洗设备、喷漆室（手工和自动喷涂区段）、烘干室应力求直线布置。

3）前处理线和阴极电泳线一般布在边跨，厂房跨度15m偏紧，18m标准。前处理线与返回的阴极电泳线平行布置较好，可提高输送线路的有效利用率，且可避免在电泳槽旁布置电泳烘干室。以间歇式自行葫芦输送方式的前处理和电泳线为例，两线平行布置较直通式布置输送线路可缩短30%以上，不仅可节省投资，且减少了徒劳无效的线路。

4）基于现今高装饰性的汽车身身面漆喷涂工艺采用底色漆+罩光工艺，尤其在采用水性底色漆场合，水性底色漆喷涂后需预干燥（使涂膜中的90%以上水分挥发掉），才能罩光。因此面漆喷涂线很长。在年产15万台的经济规模下，底色漆（BC）喷涂段与罩光（CC）喷涂段直线布置，长达140m左右，某公司推出的3C1B喷涂线方案，中涂、底色漆和罩光3个喷涂段总长达250m左右。现今典型的面漆喷涂线工艺布置是BC喷涂段与CC喷涂段平行布置，使喷涂区域长度大幅度缩短（约70m）；使BC段与CC线之间的横向转移段成为冷却（晾干）段。这样的布置使喷漆室集中于洁净区段中，有利于供排风和供漆管路的布置。

5）各线、工序（工位）间应紧密衍接，布置紧凑，力求消除或减少无效的输送。电泳、PVC、中涂和面漆烘干后设置的跑空线路仅供停产（下班后）的“跑空”和缓冲贮存车身用，平时不运作。按需可设几个离线工位。

6）在烘干室中输送车身宜选用积放式输送方式，以实现烘干室紧凑化，节能减排的目的，滑橇积放式输送车身与推杆式地面链输送，烘干室长度能缩短20%左右。烘干室长度控制在120m左右为宜，短了辅助设备与有效段之比较大不经济，长了链速超过3.5m/min故障偏多。

7）转变生产方式，提高设备有效利用率，降低碳排放。以大客车车身涂装车间的工艺平面布置为例，习惯采用抽屉式布置（即厂房中间布置转行车及轨道两旁布置喷漆室、烘干室等设备及工位），每道工序间车身的转移都要靠横向转移车，这种作坊式生产方式存在的不足之处是：

①喷涂后漆膜未干或擦净后的车身在转移过程中产生污染；

②车身进出喷漆室或烘干室等设备占用时间长，设备空运转；

③使用转移车频率高。如选用小流水与抽屉式结合的平面布置的生产（即漆前准备-喷漆-烘干等工序布置呈小流水式喷涂线，其他工序仍为单工位）方式，则可消除上述不足之处。在流水式喷涂线上车身进出入喷漆室和烘干室占用时间很短（仅转移一个工位），设备有效利用较大幅度提高，防止了污染。某单班年产5000台客车车身涂装车间按小流水与单工位结合式布置，较按抽屉式布置，明显地提高设备有效利用率，因而可减少喷漆室和烘干室台数20%左右，则不仅可节省设备投资，又能节能降低碳排放。

8）喷漆室的排气集中高空排放，减轻对周围环境的污染。当初喷漆室的排气都是单个独立排放，排风口高出厂房≥2.5m，有的地区要求6.0m。为减轻排气对厂区及周围地区的污染，要求高空排放，排放高度随喷漆室排气中的VOC浓度增大而增高；现今新建涂装车间的喷漆室排气都选用大烟囱集中排放，烟囱高达40~60m。为有利于排风集中，在工艺平面布置设计时，喷漆室宜相对集中布置。

高空排放仅对周围环境污染有所减轻，可是对地球环境的污染量未变；要减少VOC排放量，还是要选用环保型涂料（如水性涂料）和提高涂着效率等技术措施来实现。

1.6

涂装工艺设计应多方案比较和评审择优选用涂装工艺设计是根据产量（生产能力）、产品的涂装标准、客户的要求、投资及涂装车间所在地的状况（如气候条件、能源状况、厂房物流和当地的环保、消防法规）等选择涂装工艺、涂装材料、涂装设备及输送设备，自动化程度等，编写工艺设计说明书和工艺平面布置图，编写设备清单（设备委托设计，采购招标书）是一项技术含量很高的工作。随上述各种因素的变化，工艺设计人员的经验、知识面的不同，可产生多个设计方案，尤其是工艺平面布置的规划设计图如何选优，直接关系到涂装车间的经济性（投资和运行成本）和安全性。

如果汽车集团公司，有经验的设计单位通过调研，经验和数据积累，又掌握国内外汽车涂装技术的动态，建立有数据库，标准的典型涂装车间设计模块使涂装工艺设计的工作有依据，则工作相对简单些。不然应发挥团队的作用进行多方案的比较，进行工艺评审，集思广益择优选用，如果上千万、亿元的大投资项目，应组织集团公司和社会的相关专家进行评审，优化设计，评审内容包括所设计涂装车间（线）的可靠性、先进性（工艺水平），环保安全性，经济性和合理性等。从输送链的有效利用率，面积（占地和生产面积）和厂房空间的有效利用率、分区布置（洁净区、高温区）状况，人流物流畅通否等方面评价涂装工艺平面布置图设计的优劣。

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1.7

涂装工艺设计水平的高低（优劣）取决于设计人员（团队）的水平；汽车集团公司和专业设计公司应培养造就一支具有丰富实践经验，知识面广，设计水平高的团队。

1）他们在选择涂装工艺、材料和设备时应具有甄别技术高低的能力，精挑细选技术的能力。

2）他们应具有自主创新的能力，如在消化吸收引进新技术基础上走自主创新之路；能跟上涂装技术发展的时代潮流开发研究新技术，或与社会力量（如涂装设备公司，涂装材料公司和院校科研机构等）联合开发研究新工艺，新材料和新设备的能力。

3）能结合国情、厂情推动汽车涂装工艺持续滚动式的发展（技术进步）的能力；并能不断地在实践中总结经验教训，淘汰高污染，高消耗，低性价比落后的涂装工艺技术及设备的能力。

4）这个团队（机构）还应具有涂装工艺管理，规划和决策的职能。涂装工艺是汽车制造行业中的特种工艺（非标准，专业性强，机械制造行业中的化工专业，机械化，自动化程度高等为特征）之一。为适应发展之需，跨国汽车公司都设置有涂装工程规划、设计、研发机构。以德国大众汽车公司为例，该公司的规划部门设置有汽车涂装工艺设计开发机构，主持全公司涂装车间的设计，招标和建设。一汽大众汽车车身涂装发展史充分证明该团队职能富有成效，工艺水平一流。在15年中取得以下5个方面革新性的科技进步（参见表1）。

表1

①选用先进的滚浸式输送机（Rodip-3和多功能穿梭机）替代前处理、电泳涂装线用的摆杆式输送机。

②采用机器人静电喷涂机替代往复式自动静电喷涂机（ESTA）；并实现喷涂全自动化（无人化）。

③A级轿车车身涂装工艺采用水性双底色2010涂装工艺（即3C1B）替代传统的3C2B的水性或溶剂型中涂，底色漆的涂装工艺，取消了中涂线。

④采用干式漆雾捕集装置（EcoDryScrubber）替代文丘里湿式漆雾捕集装置；并可实现80%以上喷漆室排风的回收循环利用。

⑤立体分区式工艺平面布置更科学合理化。当然也有性价比考虑不足之项目。如某主管为提

高喷涂面漆前车身的清洁度，坚持采用纯水喷洗、倒水、烘干工艺，替代鸵鸟毛擦净工艺；现因耗能耗水量高，运行成本高，性价比差，又退了回去。还有为提高车身空腔内表面的阴极电泳涂装质量（提高泳透力，涂膜厚度≥10μm）；大众采用延长电泳时间的办法（电泳时间由原3.0min延长到4.5~5.0min）；日本汽车公司选用研制开发的高或超高泳透力阴极电泳涂料替代泳透力较低的第二代CED涂料），电泳时间（3min）不延长，能保证空腔内表面涂膜厚达10μm，车身外表面膜厚为18~22μm，并减少CED涂料的使用量。笔者认为：前者在连续式生产场合电泳槽增长，车身外表面膜厚难控制增厚，CED涂料耗量增大，电泳设备运行费用增高，因而，用延长电泳时间增高泳透力的措施性价比差。

1.8

创建资源节约型、环境友好型社会和低碳经济，国家应早日制定激励政策和强制性环保法令涂装车间是公害源（VOC、CO2、涂装污水、产业废弃物等发生源），应是清洁生产、环保方面的整改和革新对象。进入21世纪以来，国家虽颁布了“中华人民共和国清洁生产进法”（2002年）、“清洁生产审核暂行办法”（2004年）、《清洁生产标准汽车制造业（涂装）》（HT/T293—2006）等法规，可都是指导性的，而不是强制性法令。

2结语

如规定涂装车间的VOC、CO2、污水等排量基准；节能减排目标值；并像国外环保法规那样规定新设计建设的涂装车间必须排放达标，老的涂装车间排放达标的期限。只有这样才能扭转当前的“观望、等待”，“按现生产翻版设计”，“先污染再治理”的局面，使涂装工艺设计有法可依，是执法设计，而不是动员或劝说客户选用环保型涂装材料，涂装工艺及设备的设计。汽车车身涂装是典型的工业涂装，文中所述论点及数据可供其他工业领域涂装工艺设计参考，望同行多提宝贵意见，批评指正，共同探讨。