汽车涂装线常用磷化除渣系统

作者：机械工业第四设计研究院 王海军 来源：AI《汽车制造业》

金属材料表面涂装前经磷化处理可以显著提高涂层的附着力和耐腐蚀性，因此在各行业得到了广泛应用，特别在汽车行业中，磷化膜作为电泳涂漆的底层,得到了几乎100%的应用.伴随磷化处理的过程,磷化沉渣的产生不可避免。过多的磷化渣如果不及时从槽液中清除，不但会污染磷化液，缩短其使用寿命，同时还会附着在车身表面影响磷化膜质量和整车的涂装质量；对于喷射系统，磷化渣过多，容易造成喷嘴堵塞、管路堵塞,降低换热系统的传热效率，造成整条生产线无法正常运行,因此，必须采取可行的办法把槽液中的磷化渣含量控制在一定范围内，由此，各种磷化除渣系统（装置）应运而生.

近年来,伴随着我国汽车工业的蓬勃发展，国内已兴建了近四十条具有国际先进水平的、现代化的轿车车身涂装线，更为可喜的是，其中数条高档轿车涂装线完全是由中国人自己设计、制造的，代表了国内涂装线设计水平已经达到了新的高度。笔者作为涂装专业设计人员，多次参与了各种类型涂装线的设计工作，对我国涂装技术的进步感触颇深，本文将就近几年中在汽车涂装线应用较多的几种磷化渣除渣系统进行介绍,文中也反映了目前汽车涂装线磷化除渣系统的设备配置水平。

斜板沉淀槽过滤系统

1、斜板沉淀槽＋纸带过滤机（系统配置见图1）

斜板沉淀槽＋纸带过滤机工作时,磷化渣在磷化槽的锥形槽内初步沉淀浓缩,由泵P1输送至磷化沉淀槽内，通过专设的导液管开口进入磷化沉淀槽底部,然后以极低的流速缓慢上升,流过斜板区域,磷化渣在重力沉降和斜板挡压双重作用下，快速沉入锥底，上部形成的清液通过溢流管流回磷化槽。沉淀槽底部的富渣槽液由自动阀控制流至纸带过滤机的链板上，链板上放置有滤纸，磷化液通过重力沉降，透过滤纸流至链板下部的储液槽，由回收泵P2输送回磷化槽；磷化渣由滤纸截留，并在链板上不断增厚，达到一定厚度后，液面上升，传感器发出信号，指令气动阀自动切断磷化渣供应，链板启动,滤纸前移,磷化渣连同滤纸落入废料桶,新滤纸自动铺设到链板上，液面下降，传感器指令链板停止运转，开始下一个工作循环。

此种配置的磷化除渣系统的特点是设备投资相对较小、操作简单、占地面积小，如果磷化槽底部设置多个磷化锥，由自动阀控制轮换打开,能进一步提高除渣效率。不足之处是滤纸消耗量过大，得到的磷化渣含水量较高,磷化液损失大.此种配置的磷化除渣系统过去曾经应于汽车涂装生产线，由于过去的生产线产量不高，基本能满足生产要求,但随着近几年汽车涂装生产线自动化程度的提高和产量的不断加大，此种配置的除渣系统已基本不再使用。

2、沉淀槽＋板框压滤机（系统配置见图2)

沉淀槽＋板框压滤机由图2可见,此种除渣系统的配置与“沉淀槽＋纸带过滤机”的配置基本相同，只不过纸带过滤机更换成了板框压滤机。工作时由泵P2将富渣磷化液打入板框压滤机，由滤布进行过滤，清液由暗管流出返回磷化槽。磷化渣被截留在板框内,不断积累，达到一定程度,阻力变大，压力升高，由压力传感器PG控制泵P2停止供液，人工关闭阀门V1，打开压缩空气阀门V2，进行脱水吹干，减少滤饼中磷化液的含量。吹干后关闭阀门V2，人工打开板框的压紧螺栓，清除板框内的磷化渣,洗净板框后重新装好、压紧板框，准备开始下一个工作循环。

与纸带过滤机相比板框压滤机具有过滤面积大、获得的磷化渣含水少的优点，避免了磷化液的无谓浪费。由于目前国产的板框压滤机多数采用人工操作,自动化程度低，虽然也有自动压紧、自动排渣的自动型板框压滤机，但是可靠性不高，限制了该除渣系统的大范围使用。由于自动化程度低，处理能力受到了很大限制，“沉淀槽＋板框压滤机"除渣系统目前在大型的、连续式生产的汽车涂装线上基本不再使用，一般只使用于小批量的、间歇式生产的汽车涂装线。

3、沉淀槽＋FK磷化压滤机（系统配置见图3）

沉淀槽＋FK磷化压滤机由图3可见，此种除渣系统与前两种相比也是除渣机的变化，FK系列压滤机的基本工作流程如图4所示.

FK系列压滤机的基本工作流程“沉淀槽＋FK磷化压滤机”除渣系统一般为进口.FK系列压滤机是全自动型的压滤机，加压过滤、通气脱水、渣饼排出等全部工作过程采用PLC自动控制，得到含水量很低的渣饼，过滤过程采用过滤时间和压力限制两方面控制,整套系统自动化程度高,与磷化沉淀槽配合使用效果很好，是近年在汽车涂装线上应用较多的除渣系统类型，在商用车、轿车涂装线上都有应用。

但是此套系统也存在一定缺点，FK系列除渣机滤纸不能自动清洗反复使用,只能一卷滤纸用完后人工清洗，再次利用；系统长期工作后，在管道、过滤腔等部位会粘附部分磷化渣，系统不能整体自动酸洗，需要人工拆开清洗，清理比较麻烦；另外受除渣机处理能力限制，一般只用于产量不很大的汽车涂装线（年产量少于10万辆）.

4、双沉淀槽＋浓缩静置槽＋FK压滤机（系统配置见图5)

双沉淀槽＋浓缩静置槽＋FK压滤机由图5可知，磷化除渣系统的此种配置是在“沉淀槽＋FK磷化压滤机”的基础上的改进，目的是为了加大磷化渣的处理量，棉纱，两个斜板沉淀槽由自动阀控制轮换排渣，增加沉淀时间，提高磷化渣的浓度,排入浓缩静置槽进一步沉淀浓缩，清液从上部溢流到副槽内由回收泵打回磷化槽。磷化压滤机从浓缩静置槽内供液，浓度很高,屏风，提高了压滤机的除渣效率，整套系统的除渣效率很高，一般用于产量较大的轿车涂装线(年产量为15～20万辆）。

全量过滤型除渣系统

1、ALSI全过滤压滤机（系统配置见图6）

ALSI全过滤压滤机该压滤机由美国Air and Liquid Systems Inc。制造，基本的除渣原理与FK系列除渣机相同，但设备功能比FK系列有很大提高：处理能力大,系列产品中处理能力为20~1500GPM，用户可根据需要选择不同处理能力的产品；不需要设置磷化沉淀槽就可以满足工艺对除渣能力的要求,磷化液全量过滤，除渣比较彻底，能保持磷化槽内较低的渣含量；通过程序可以设定滤纸在排完渣后自动回卷，滤纸可自动多次重复使用；管道和过滤腔内粘附的磷化渣可以通过酸洗的方式很方便的清除，降低了工人劳动强度。由于设备整机进口，投资较大,一般用于产量较大的轿车涂装线（年产量在20万辆以上).

2、逆向(PS）过滤系统（系统配置见图7）

逆向（PS）过滤系统该装置是由日本帕卡设计工程公司推出的过滤系统，系统的主要设备有逆向（PS）过滤器、浓缩槽、压滤机等。含渣的磷化液由泵P1从PS过滤器底部打入，过滤器内部有70个过滤袋，过滤袋安装方式与传统的安装方式相反,装在金属支撑网外面，澄清的磷化液透过过滤网袋返回磷化槽，磷化渣则附着在过滤网袋的外表面，经2h的运转后,磷化渣附着使得过滤器压力上升，滤液量开始减少，此时逆洗程序自动开始。滤液出口阀关闭,逆洗压缩空气阀门自动打开,经10s后过滤袋表面附着的磷化渣被压缩空气吹落,排入浓缩槽内，约3～6min后程序自动返回过滤行程.

浓缩槽内的浆液被泵P2打入压滤机进行加压过滤，然后再通压缩空气进行脱水，澄清的磷化液透过滤纸返回磷化槽，磷化渣被压成固体渣饼排出。

该装置由电脑自动控制，控制程序可根据需要调整，即使磷化液含渣量为100～200ppm时也能有效除渣，是一种全量过滤型磷化除渣系统.由于其单向流动的特点,操作十分简单,且处理量大，可达到70m3/h ，与压滤机配合使用可得到含水量很低的渣饼.不足之处是PS过滤网袋拆卸较麻烦，滤纸，多用于大型轿车涂装线，国内由帕卡公司设计建造的涂装线上应用较多。

3、板框压滤机全过滤系统（系统配置见图8）

板框压滤机全过滤系统由图8可见，此种除渣系统设备配置比较简单，关键设备是板框压滤机（如图9所示）,一般采用全进口设备。工作时，自动阀AV2、AV3打开，AV1关闭，含渣磷化液由泵P1打入板框压滤机，进行加压过滤,清液透过滤布回流磷化槽；工作一段时间之后磷化渣在过滤腔内不断聚积，阻力增大，管道压力升高，当达到设定压力时，压力传感器PG发出信号,AV1打开、AV2关闭;然后自动阀AV4打开,自动开始通压缩空气脱水过程,脱水一定时间后,阀AV3关闭，然后AV4关闭、AV5打开，压滤机内部泄压；接着开始自动卸渣程序，全自动卸饼装置发挥作用，保证了磷化渣饼能顺利从板框中清除，落入集渣盘，然后自动压紧板框，开始下一个工作循环。

由于设备自动化程度很高，设备开机后可以无人值守自动工作,另外压滤机还可配备滤布自动清洗装置,降低了工人劳动强度。

由于国产的板框压滤机普遍技术比较落后、自动化程度低、处理量较小、工作可靠性较差，所以用于磷化除渣的全过滤压滤机基本全部是进口产品，设备投资较大，一般用于对设备配置要求较高的轿车涂装线。

图9 板框压滤机总结

对比近年国内新建的比较有规模的汽车涂装线，除渣系统基本是上述几种类型，基本可以归结为“斜板沉淀槽＋压滤机”和“全过滤除渣系统"两种类型，一般建设方会根据资金状况、设备产能、设备配置档次等因素来选择合适的除渣系统配置。随着技术的进步可能会有更先进、使用效果更好的除渣系统不断出现,作为涂装专业人员必须时刻加以关注.（end)

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【参赛17】涂装前处理中典型磷化除渣方法与新型前处理成膜工艺

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                                                         李伟战

                （机械工业第四设计研究院涂装工程院，河南洛阳47 l 039)

【摘 要】 简述了涂装前处理磷化渣的产生和几种典型除渣方法的特点及新型涂装前处理非磷化成膜的工艺。

【关键词】 磷化渣；磷化压滤机;成膜；纳米陶瓷锆盐处理;硅烷处理

【中图分类号】TQ63 【文献标识码】 A 【文章编号】 1003—2673(2010)05—13—02

1 前言

        涂装是汽车耐腐蚀和装饰的最经济而有效的方法，而涂装表面前处理的好坏又是直接影响涂层使用寿命和装饰效果的重要环节.涂装前表面处理的目的是去除涂件构成物之外的所有异物，提供适合于涂装要求的良好基底.而金属漆前磷化处理可以提高涂膜的附着力和耐腐蚀性，因此半个世纪以来，磷化工艺被广泛应用于汽车涂装生产线上.然而,在磷化处理的过程中，伴随着磷化成膜反应进行的同时，会不断产生磷化渣沉淀物。这些沉淀物如果不及时从槽液中清除，会影响磷化膜质量和整车的涂装质量.为了提高磷化质量，必须尽可能减少渣的产生。对已生成的渣，可使用专门的除渣设备不断地将其除去，以保证槽液始终处于动态平衡的良好状态。但是由于磷化处理中含有锌、镍、锰等有害重金属，处理温度较高,废水、废渣处理较复杂而面临日益严峻的形势，目前在国内，磷化渣主要被作为生产废物直接弃掉，这样又造成了新的污染。而汽车企业为了自身的发展，必然会选择节能减排,低污染的设备工艺作为企业改造和建设生产线的标准之一，新型环保的涂装前处理成膜技术必将取代磷化成膜技术走上涂装工业的舞台。本文将就磷化渣的产生、典型的除渣方法及新型的前处理成膜工艺做一个简单简述。

2 磷化渣的产生

        磷化渣的主要成分是磷酸锌和磷酸铁的混合物，它是磷化液与金属表面发生化学反应时必然产生的产物之一。其反应机

理如下：

Fe+2H3PO4—，re(I—I2P04）2+H2 T (1）

2Fe(HzPO～）!回2Fe PO4 +2H3PO4+H2O （2）

磷化渣

2Zn(H2PO4）2+Fe（H2P04)2+4 H2o_+

Zn2Fe（Po4)：·4H：O+4H3PO4 （3)

磷化膜

        由反应(1）一（3)可知，当钢铁件与磷化液接触时，首先铁被酸溶解，溶解下来的铁离子一部分参与成膜反应形成zn Fe（P04】:·4H：0磷化膜成分,而另一部分铁离子则被氧化成FePO 沉淀，从溶液中析出形成磷化渣。另一方面，如果反应过程

控制不当，就会造成过中和现象，导致过量的磷酸锌沉析出来,形成富锌磷化渣。

3 典型的磷化渣去除方法

3．1斜板沉淀槽及压滤除渣系统

       目前大型前处理线大多采用斜板沉淀槽及压滤除渣系统，该设备的组成部分有：斜板沉淀槽、压滤机、沉淀泵等。目前在上汽烟台东岳、北汽、海汽、陕汽、南汽等涂装线都有应用.该设备的特点是处理量较大，渣饼含水量低，设备运行比

较可靠，应用比较广泛.不足之处是通常要和斜板沉淀槽一起使用,而斜板沉淀槽占用空间大，磷化渣的分离效率又不太高，约有总渣量的20％左右仍返回槽中。斜板沉淀槽的渣出口易阻塞，常常要用压缩空气吹。其工作流程为:磷化槽内产生的磷化渣采用三级浓缩除渣：第一级磷化槽锥底浓缩，第二级磷化沉淀槽浓缩，第三级磷化压滤机除渣。通常由磷化沉淀泵将磷化锥斗内含渣磷化液打人磷化沉淀槽内，磷化沉淀槽槽满后，磷化清液会自动溢流回磷化槽，磷化沉淀槽采用斜板重力沉降结构，磷化液经沉淀槽后将会进～ 步浓缩，进入自动运行中的除渣机,调节回流阀,使进人除渣机中的磷化浓缩液流量与除渣机的能力匹配，同时可根据渣饼的含水量和渣饼的厚度来调节脱水压力、过滤时间和脱水时间，沉淀槽应定期清洗,在底部排渣口结渣较多时，可关闭排渣阀门用压缩空气反吹。

3．2 板框式压滤机

       板框式压滤机是悬浮液固、液两相分离的理想设备，具有轻巧、灵活、可靠等特点。通常有明流、暗流之分，被广泛应用于化工、陶瓷、石油、医药、食品、冶炼、工业污水处理等行业，也适用于涂装前处理磷化除渣系统。目前在上汽、~汽、北京现代、广汽、等汽车涂装线上应用。板框式压滤机通常由滤框、滤板滤布组成的过滤部件和对过滤部分进行压紧的机架部件，另外止推板端有各孔，分别为

进料孔,进清洗液孔,滤液排出集液孔，清洗液排出集液孔等.其工作流程通常为：磷化沉淀泵将磷化锥斗内含渣磷化液通过流入阀打入板框压滤机中过滤，清夜回磷化槽。在达到压力设定值后，过滤结束,磷化沉淀泵停止工作,流人阀关闭，脱水后滤板分离并排渣,排渣后压缩空气将开始挤压压滤气缸推动压期结束，开始下一个循环。复式气缸板组室里悬挂有气动分流滑板,可以自动衔接后一个滤板向端板滑动，促使薄饼从槽中滑落，以达到分离单独滤板的目的.气缸由PLC和接近开关控制，压缩空气驱动气缸打开，可以使滤板快速分离.陔设备的特点是自动化程度高，处理量较大,渣饼含水量低，并且叮以根据过滤面积的大小和斜板沉淀槽配合使用，使用于大型连续式涂装生产线。同时为了保证操作者的安全，板框压滤机非操作而通常都是用围栏固定，并有安全拉锁围绕在压滤机四周，一旦启动，压滤机会自动停止。在操作而一侧还有安全光栅,在滤板分离和闭合时，一旦有物体触动，压滤机也会自动停止运行,为操作者提供了良好的保护措施滤板,直到压滤板堆上的关闭压力达到4500psi，一个循环周.

3．3 全量过滤式自动除渣机

       全量过滤式自动除渣机是一种新型连续自动进行的过滤系统.该系统使用时不需要对槽液进行渣浓缩,在生产时沉淀泵直接将磷化槽底部磷化液输送到除渣机内，含渣的磷化液通过密封腔内在持续压力作用下透过滤布，形成搭桥作用进行过滤,随着过滤的持续，可以扑捉到细小的磷化渣颗粒，而密封腔内的压降也会随着渣饼的厚度积累成比例的增加.经过过滤的磷化液在压力作用下被压回磷化槽，磷化渣留在滤布上，当滤布上的渣饼达到一定厚度后，压降达到预先设定的压力或时间时，磷化液输送回路自动切断，由6巴的压缩空气吹出,挤出渣中的水分，然后除渣机自动开启，滤纸自动卷动,将渣饼刮到小车内，进行排渣。排渣后滤布根据设定的程序走纸或回卷再用，密封腔自动关闭并有工业水清洗密封压条进行下一个过滤周期。所得到的磷化渣的含水量为50%左右。该系统采用PLC程序控制,可全面实行自动定时、定压控制，具有除渣效率高，劳动强度低，处理能力强，占地面积小等特点。但投资费用高，管理、使用和维修费用较高。对压缩空气和自来水压力要求都较严，通常压缩空气在6．5～6．89bar，自来水压力要在2．1—2．75kg／cm:状况才能稳定工作。该设备适用于自动化程度较高的涂装生产线上。目前在北美应用较多，国内只有在上汽通用五菱西涂生产线使用，除渣效果非常理想，通常磷化槽内磷化渣的浓度可以控制在1 00ppm内。

4 新型涂装前处理成膜工艺

4．1金属表面纳米陶瓷锆盐处理

        作为一种主要的金属防腐技术，半个世纪以来，涂装前处理磷化和钝化工艺被广泛应用，然而磷化工艺中的磷酸盐产生的废渣以及钝化工艺中六价铬的毒性已经引起涂装行业的高度重视.作为一种新兴的技术，金属表面纳米陶瓷锆盐处理又可称为一种无磷纳米皮膜技术,是一种基于纳米氧化锆溶液与氟锆酸等组成的溶液，它能在金属表面凝聚沉淀积转化成一种纳米陶瓷锆膜的保护层。金属与溶液反应的结果形成了一种“金属一氧一金属”健桥，它构成任何氧化物陶瓷结构的骨架。

凝聚过程继续进行，使金属一氧一金属的交联密度增大，直到锆膜形成。锆膜的沉降速率非常快，大约20s内就可以生成完整的膜层，陔沉积速率|l『以缩短生产线 度，从而节约空间和额外的制造费用.另外，由于溶液中不含有重金属和磷酸盐，不需要表调处理，不产生废渣，节水减排而且可以在室温下反应，节省了日前磷酸锌JI艺中的生产成本.其典型工艺流程为预脱脂清洗一脱脂清洗一水洗一纯水洗(或R0水洗)一纳米陶瓷锆盐处理一纯水洗一纯水洗一电泳。目前的磷化和钝化工艺中采用的是磷酸盐和六价铬,废水废渣的处理需要较高的费用，而金属表而纳米陶瓷锆盐处理是一种表面处理行业中节能环保的]-艺技术，它在金属表而转化一层纳米陶瓷锆膜，不产生废渣，不需要钝化丁艺，因此这项技术具有潜在性能的应用价值。4．2 金属表面硅烷处理

       硅烷是一类硅基的有机／无机杂化物，在其被发现具有防腐性能之前,硅烷作为胶粘剂广泛应用于玻璃或陶瓷强化高聚复合材料中.而金表面硅烷处理则是根据金属与涂料界面的基本原理推衍产生的。涂料与金属界面的作用取决于附着力，它可以是分子间的作用力,静电吸引力，也可以是化学键。当两个固体问距小于0．4nm范围内，即使不用粘接剂，两者也能实现粘接。硅烷水解后的硅烷分子通过SiOH基团与金属表面的MeOH基团形成氢键而快速的吸附于金属表面,在随后的晾干过程中，SiOH基团与MeOH基团进一步凝聚，在界面上生成Si一0一Me共价键，形成硅烷膜。另一方面，剩余的硅烷分子通过SiOH基团之间的凝聚反应在金属表面上形成具有Si一0一si三维网状结构的硅烷膜。其优点与纳米陶瓷锆盐处理相似,反应时间短,一般在5—30秒内完成，溶液中不含有重金属和磷酸盐，不需要表调处理，不产生废渣,节水减排而且可以在室温下反应，缩短生产线长度，节约空间、制造费用和生产成本;不同的是槽液显弱碱性。另外硅烷处理的槽液利用率较高，可达到250 400m2／Kg，是目前磷酸锌工艺所不能相比的。其典型工艺流程为预脱脂清洗一脱脂清洗一水洗一纯水洗(或RO水洗）一硅烷处理一纯水洗一纯水洗一吹水（或水分烘干)一电泳。

       硅烷处理技术作为一种“绿色防腐技术”随着人们对节能减排和环保意识的加强,越来越受到关注，它突破了涂装前处理传统磷化成膜的框架,为表面处理技术带来了新的理念。目前，由凯密特尔公司生产的硅烷处理剂已在法国雷诺汽车涂装

前处理生产线上应用。当然，硅烷处理也有不足之处，硅烷膜是在脱水过程中成膜的而不是在水中成膜，这将增加前处理后密封室体的长度,今后发展水中成膜技术必将为前处理成膜技术打开新的篇章。

参考文献

⋯王锡春．最新汽车涂装技术【M】．北京：机械工业出版社，1998．

【2】于淑霞,陈慕祖,周杰磷化渣的控制与清除卟现代涂料与涂装2000，6．