一、研究的背景與問題
彩色涂層板生產技術于上世紀80年代從國外引進到中國，已經伴隨中國經濟高速發(fā)展了三十多年，彩涂板用途已經滲透到建筑、家電、家居、交通、醫(yī)療器械等各個領域。傳統(tǒng)彩涂板生產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，經加熱固化形成彩色涂層。溶劑彩涂屬于污染型生產工藝，溶劑涂料所含固體成分僅為55%，其余45%為有機溶劑，這些有機溶劑在涂料的制作合成、運輸、儲存、稀釋攪拌、涂裝、固化等過程中釋放大量VOCs(Volatile organic Compounds,揮發(fā)性有機化合物)，對環(huán)境造成嚴重污染。據統(tǒng)計，目前全國有400多條溶劑彩涂生產線，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)境污染已經嚴重影響到民生，綠色環(huán)保已經被確定為國家經濟工作的重中之重。我國在2008年明確提出要大力發(fā)展環(huán)保型涂料，并出臺了多項涂料轉型規(guī)定。2020年9月，習近平主席在聯(lián)合國一般性辯論時提出碳達峰、碳中和的宏偉目標，其本質是更高質量地可持續(xù)發(fā)展。按照國家政策導引，涂料行業(yè)計劃在未來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就是綠色環(huán)保，采用粉末彩涂技術生產及使用彩涂板能達到VOCs零排放的環(huán)保效果。
圖1 溶劑涂料與粉末涂料成分對比
粉末彩涂技術起始于法國，1962年法國工程師發(fā)現了利用正負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年時間里，粉末靜電噴涂技術發(fā)展比較緩慢，始終停留在單件吊掛噴涂、速度只有2～4米/分鐘的低效率生產狀態(tài)。上世紀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，將單件吊掛噴涂工藝提升為連續(xù)卷材噴涂，生產效率得到很大提升，但機組速度仍然較低，最高生產速度也僅在30米/分鐘左右。
長期以來，國內粉末彩涂技術一直滯后于歐美，絕大部分粉末彩涂板生產仍停留在低效率的單件吊掛噴涂狀態(tài)。2010年后國內新建的幾條金屬卷材粉末彩涂機組最高生產速度僅為10米/分鐘，且只能進行單面噴涂。
二、解決問題的思路與技術方案
難題1：噴槍與帶鋼之間電場強度低，涂層形成能力差，嚴重制約粉末彩涂板的生產速度。目前粉末噴涂機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電，帶鋼隨機組設備接地處于零電位，噴槍與帶鋼之間形成電場。傳統(tǒng)噴槍的噴嘴采用針式放電，即點源放電。這種點源放電形式加上傳統(tǒng)微安級電流荷電系統(tǒng)，使得噴槍與帶鋼之間形成的電場強度低，粉末的吸附速度慢，涂層形成能力差，從而嚴重制約了生產速度。
難題2：粉末涂料更致密，采用傳統(tǒng)熱風爐對涂層進行加熱固化，時間長，能耗高，生產運行成本居高不下，嚴重制約粉末彩涂板的生產速度。溶劑彩涂板生產線均采用熱風爐對涂層進行固化，這種固化方式適用于溶劑涂料的固化，是因為溶劑涂料在固化初段就可將溶劑全部蒸發(fā)，使得涂層的固體成份中出現大量空隙，便于熱能快速到達鋼板基材，通過加熱基材再從里往外傳導到涂層各點，從而達到快速固化的目的，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，采用熱風爐進行固化用時很長，通常不少于120秒，為了提高生產速度就不得不加長熱風爐長度，從而增加了能耗和生產運行成本。
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，針對嚴重影響和制約粉末彩涂生產速度及產品質量的關鍵性技術難題開展一系列研發(fā)工作。中冶京誠粉末噴涂研發(fā)團隊歷時5年時間，開展數千次試驗，分析上萬件試樣，申報幾十項專利，成功解決了制約粉末噴涂生產速度的技術難題，研發(fā)出了環(huán)保型高速連續(xù)粉末噴涂生產工藝技術及裝備。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、研發(fā)出線源放電噴槍（圖2），荷電系統(tǒng)輸出電流從微安級提升至毫安級，使得噴槍與帶鋼之間的電場強度大大增強，帶鋼對粉末的吸附能力大大提高，為實現高速噴涂提供可能性。
圖2 點源放電噴槍與線源放電噴槍電場強度對比
2、研發(fā)出燃氣紅外輻射固化爐，改變粉末涂層固化機理（圖3），大大縮短涂層固化時間。不同于熱風爐從里（基材）到外（涂層）的熱傳導方式，紅外線的熱穿透力極強，熱傳導效率極高，在涂層固化時熱量迅速穿透涂層進入基材，涂層與基材幾乎同時加熱，這使得粉末涂層的固化時間縮短至30秒以下，為實現高速噴涂提供了可能性。
紅外線加熱涂層 紅外線穿透涂層 紅外線同時加熱涂層和基材
圖3 紅外輻射固化機理
3、采用背面涂層預熱工藝，保證背面涂層質量。粉末涂層的固化過程包括軟化、熔融、流平、固化四個階段，為避免背面涂層二次固化產生脆裂，保證帶鋼背面涂層的機械性能及表面質量，中冶京誠自主研發(fā)的高速連續(xù)粉末噴涂技術采用背面涂層預熱工藝，將背面涂層快速預熱至流平段，然后迅速冷卻至常溫，使涂層表面硬化，最后正、背面涂層一起進入固化爐加熱固化。這種預熱工藝在保證背面涂層質量的同時，也達到了節(jié)能降耗的效果。
（1）涂層均勻技術。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，遠超彩涂板國家標準，為高端粉末彩涂板的生產提供了技術保證。
（2）高著粉率技術。目前國內外粉末噴涂生產線首次著粉率最高可達60%，中冶京誠將噴槍、供粉系統(tǒng)、荷電系統(tǒng)和粉末進行組合研發(fā)，首次著粉率提高到了70%～90%，大大減少了過噴粉末，從而降低了生產運行成本，提高了生產安全性。
（3）快速固化技術。自主研發(fā)熱傳導效率極高的紅外輻射固化爐，固化時間比傳統(tǒng)熱風爐大大縮短。
（4）雙色雙面噴涂技術.目前國外卷材粉末噴涂板生產通常采用單面噴涂或雙面單色噴涂工藝，而國內僅有的幾條低速噴涂生產線均為單面噴涂。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)保型生產工藝。
（5）快速換色技術。更換顏色時，整個噴涂系統(tǒng)可自動沖洗，降低操作人員的勞動強度，有效減少粉末循環(huán)系統(tǒng)的清洗時間。
（6）在線質量控制技術。自主研發(fā)的在線去除包邊技術、去除厚邊技術、去除積粉、掉粉技術為高端粉末彩涂板的生產提供了技術保證。
（7）高安全性技術。自主研發(fā)的高速連續(xù)粉末噴涂技術配有高壓電流自動監(jiān)控系統(tǒng)和火焰探測系統(tǒng)，為生產的高安全性提供了技術保證。
四、應用情況與效果
2016年11月中冶京誠在山東科瑞成功熱試國內首條年產10萬噸高速連續(xù)粉末彩涂機組（圖4），實現了VOCs零排放的環(huán)保目標，開創(chuàng)了國內粉末彩涂技術的第一品牌CERIPOWDER?, 標志著金屬卷材高速連續(xù)粉末彩涂技術由實驗室階段正式進入商業(yè)化生產階段。該機組生產線速度高達80米/分鐘，遠超國外同類機組生產速度，并且完全擁有自主知識產權，填補了國內金屬卷材高速連續(xù)粉末噴涂技術的空白，被《世界金屬導報》評為“2016年世界鋼鐵工業(yè)十大技術之一”。
圖4 山東科瑞粉末彩涂機組
該機組生產的粉末彩涂板各項檢驗指標均達到國家彩涂板標準，其加工性能（折彎、硬度、柔韌性、耐刮等）更優(yōu)于溶劑彩涂板，由于粉末噴涂可實現厚涂，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試指標。
表1 粉末彩涂板性能測試指標
另外，該機組的一次上粉率可達80%以上，過噴的粉末經回收系統(tǒng)回收重新使用，其綜合利用率超過98%。剩余的2%廢粉，也可由粉末生產企業(yè)回收，重新加工后再使用，從而真正意義上實現涂裝“三廢”零排放，創(chuàng)造出極大的經濟效益和社會效益。
粉末彩涂機組與溶劑彩涂機組入口段及出口段設備布置及生產成本基本一致，噸鋼成本的差別集中體現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、水等幾個重要指標。表2為年產10萬噸彩涂板噸鋼涂敷固化段綜合成本對照表（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。隨著粉末涂料生產技術的發(fā)展粉末涂料的生產成本將會大幅降低，粉末彩涂板生產成本也將隨之大幅降低。
與溶劑彩涂板相比，粉末彩涂板的售價更高，歐洲地區(qū)彩鋁粉末卷板平均價格比溶劑卷板高出30%以上，國內目前已建成的金屬卷材粉末彩涂生產線，粉末彩涂卷板噸鋼銷售價格比溶劑彩涂卷板高出600～2000元。
表2 年產10萬噸彩涂板噸鋼涂敷固化段綜合成本對照表
根據客戶的產品需求和市場定位，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品質量要求前提下靈活選擇臥式、立式、立臥結合工藝技術，為客戶最大限度降低一次性投資和生產運營成本，提高產線經濟效益。
中冶京誠高速連續(xù)粉末噴涂技術的問世及生產線的成功應用，為彩涂板行業(yè)解決VOCs排放問題找到了新辦法，為彩涂板轉型升級提供了新途徑。
