王哲，楊飛周，朱明

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

隨著工程機(jī)械涂裝行業(yè)的不斷發(fā)展，以及國家對環(huán)保要求的不斷提高，粉末涂裝技術(shù)在工程機(jī)械行業(yè)中的環(huán)保節(jié)能優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，各個(gè)工程機(jī)械廠商都建立了粉末涂裝生產(chǎn)線。在實(shí)際應(yīng)用中，粉末涂裝具有施工效率高、VOCs排放量少、涂層性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在減少VOCs排放上擁有很大優(yōu)勢，可以避免建造大型的廢氣處理設(shè)備，從而極大地降低建設(shè)成本與運(yùn)行成本。但是，由于工程機(jī)械噴涂工件的特點(diǎn)，粉末固化后冷卻方式成為制約生產(chǎn)線運(yùn)行的突出問題。本文提出一種簡單且實(shí)用的粉末固化后冷卻方法，以提高工程機(jī)械粉末涂裝的效率。

2 粉末固化爐冷卻段設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 工程機(jī)械粉末固化特點(diǎn)

粉末涂裝在工程機(jī)械領(lǐng)域逐漸由薄板件、小型結(jié)構(gòu)件向大型結(jié)構(gòu)件發(fā)展，現(xiàn)在大型結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用也越來越多。相較于薄板件與小件，大型結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)更加顯著：大型結(jié)構(gòu)件通常采用厚板、型鋼等焊接而成，工件鋼板厚度相對于小件增加很多，通常厚度會在10~20 mm，個(gè)別工件會在20 mm以上[1]。由于板材厚度較大，吸熱性增加，大型結(jié)構(gòu)件在粉末固化上的時(shí)間更長，所吸收的熱量更多，這就給之后的冷卻工藝帶來了難題。一方面粉末固化要求的溫度較高（通常為200℃以上），工件無法在短時(shí)間內(nèi)降低至下件溫度，另一方面冷卻段通常采用冷風(fēng)吹風(fēng)的冷卻方式，只是加快工件表面的散熱，而大型結(jié)構(gòu)件由于板件較厚，內(nèi)部溫度只能依靠基材傳導(dǎo)散熱，從而導(dǎo)致“回?zé)帷钡默F(xiàn)象出現(xiàn)，使得工件在冷卻至目標(biāo)溫度之后，在緩存區(qū)再次升溫，導(dǎo)致無法下件。

2.2 固化爐冷卻段設(shè)計(jì)要求

烘干后冷卻段的設(shè)計(jì)一般要求經(jīng)過冷卻后達(dá)到室溫，從緩存區(qū)到下件區(qū)，表面溫度回?zé)岵怀^10℃。冷卻時(shí)間的長短對冷卻效果有很大影響，一般工程機(jī)械涂裝線生產(chǎn)節(jié)拍較長，冷卻段的設(shè)置通常在2~3個(gè)工位，冷卻時(shí)間在30~45 min。

強(qiáng)冷冷卻段由室體、送排風(fēng)裝置、送排風(fēng)管以及吹風(fēng)罩等組件組成。工程機(jī)械行業(yè)中，大多數(shù)采用直接外界空氣冷卻的形式，這種形式主要是采集廠房外空氣，經(jīng)過送排風(fēng)裝置內(nèi)過濾器過濾，通過吹風(fēng)罩直接吹至工件表面進(jìn)行冷卻，不采用制冷裝置。

強(qiáng)冷室（冷卻段）室體一般采用型鋼骨架配合50 mm厚復(fù)合夾心巖棉板組成，采用巖棉板的目的一般是為了外觀與烘干室保持一致。若無須外觀一致，也可采用鍍鋅板、滲鋁板等材料制作[2]。

強(qiáng)冷室吹風(fēng)罩采用可調(diào)式高速出風(fēng)吹嘴，通常吹嘴出口風(fēng)速在15 m/s左右，送排風(fēng)風(fēng)管內(nèi)風(fēng)速在8~12 m/s，室體內(nèi)空氣換氣次數(shù)通常為6次/min，若考慮強(qiáng)冷效果可適當(dāng)增大[3]。

送排風(fēng)裝置是強(qiáng)冷室的核心部件，一般由專業(yè)廠家定制。該種設(shè)備將室外空氣經(jīng)過高效過濾器（過濾等級通常不低于F5）過濾后由送風(fēng)機(jī)送入室內(nèi)，同時(shí)排風(fēng)機(jī)將室內(nèi)的熱氣及時(shí)排空。裝置室體采用雙層鋼結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)襯鍍鋅鋼板，外貼鍍鋅波紋板，中間填實(shí)保溫棉，外觀結(jié)構(gòu)美觀。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 送排風(fēng)裝置主視圖

3 冷卻段冷卻效果提升方案探討

冷卻段的效果和冷卻段的設(shè)計(jì)息息相關(guān)，各個(gè)工程機(jī)械產(chǎn)品不同，對冷卻段的需求也有很大區(qū)別，甚至同種產(chǎn)品之中，不同部件對冷卻段的需求也有區(qū)別，所以，需要改善冷卻段以提高生產(chǎn)效率。針對工程機(jī)械行業(yè)冷卻段效果提升，有如下幾種方法。

3.1 提升風(fēng)量

強(qiáng)冷室設(shè)計(jì)一般為直接利用外界空氣冷卻，由于此種設(shè)計(jì)對外部溫度敏感性較高，所以，提高吹嘴風(fēng)速以加快工件表面空氣流動速度對于提高冷卻效率、降低冷卻時(shí)間有很好的效果。比如，吹嘴設(shè)計(jì)風(fēng)速為14 m/s，當(dāng)加大送風(fēng)量，提高至16 m/s時(shí)，冷卻速度就有很大提升。

對于部分改造設(shè)備，可更換風(fēng)機(jī)皮帶輪，增加風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速，利用冷卻段送風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)余量來提升送風(fēng)風(fēng)量，從而達(dá)到提高吹嘴風(fēng)速的效果[4]。

3.2 合理利用緩存區(qū)

由于工程機(jī)械行業(yè)大型結(jié)構(gòu)件板厚較厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，回?zé)岈F(xiàn)象普遍存在，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。所以，在工藝設(shè)計(jì)上，冷卻后通常會設(shè)計(jì)較長的緩存區(qū)，以便讓工件在回?zé)嶂罂梢岳^續(xù)散出剩余熱量，使其不影響后續(xù)作業(yè)。通常利用緩存區(qū)解決回?zé)釂栴}的辦法，是讓工件自然散熱，熱量散入車間之內(nèi)。如此方法會使車間相關(guān)區(qū)域內(nèi)溫度升高，從而降低車間工作環(huán)境，同時(shí)由于缺乏有效散熱手段，工件散熱效率較低。

針對以上缺點(diǎn)，現(xiàn)如今在緩存區(qū)的利用上更多采用封閉式緩存區(qū)，配合排風(fēng)風(fēng)機(jī)（負(fù)壓風(fēng)機(jī)或軸流風(fēng)機(jī)），繼續(xù)保持工件表面空氣流速，同時(shí)，使得散出的熱量不至于影響工作生產(chǎn)環(huán)境。

3.2.1 封閉式緩存區(qū)的一般組成

封閉式緩存區(qū)的設(shè)計(jì)一般由室體、吹風(fēng)系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)3部分組成。

1）室體設(shè)計(jì)：室體設(shè)計(jì)一般和強(qiáng)冷室保持一致，結(jié)構(gòu)、外觀、形式保持相同。

2）吹風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：吹風(fēng)系統(tǒng)一般采用負(fù)壓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)，進(jìn)風(fēng)采用被動進(jìn)風(fēng)形式，利用負(fù)壓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)保持工件表面一定的空氣流速，加快工件散熱。

3）排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：排風(fēng)系統(tǒng)通常分主動排風(fēng)和被動排風(fēng)2種。被動排風(fēng)通常為室體不設(shè)頂，通過熱量向上流動的原理由室體頂部排至車間內(nèi)。主動排風(fēng)系統(tǒng)則采用離心風(fēng)機(jī)或者軸流風(fēng)機(jī)，將工件散至室體內(nèi)熱量排至室外，以此降低室體內(nèi)部環(huán)境溫度，從而加快工件與空氣的換熱，以提高散熱效率。

3.2.2 封閉式緩存區(qū)設(shè)計(jì)的優(yōu)化改善

對于涂裝線建設(shè)而言，在總體投資一定的情況下，能夠給予冷卻段的投資金額非常有限，所以，在封閉式緩存區(qū)設(shè)計(jì)之時(shí)就需要考慮成本問題，在保證效果的前提下，盡可能地減小投資。一般設(shè)計(jì)時(shí)有如下幾個(gè)優(yōu)化方向：

1）吹風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化：負(fù)壓風(fēng)機(jī)是現(xiàn)在廠房排風(fēng)常用的一種風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)是低風(fēng)壓、高風(fēng)量、造價(jià)便宜、能耗較低，在設(shè)計(jì)吹風(fēng)系統(tǒng)時(shí)，可考慮采用多臺負(fù)壓風(fēng)機(jī)。由于熱空氣向上流動的特性，負(fù)壓風(fēng)機(jī)可放置于工件下部，由下至上吹風(fēng)，同時(shí)，在室體側(cè)邊或底邊設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，被動抽車間風(fēng)用以進(jìn)風(fēng)。進(jìn)風(fēng)口需配置鋼板網(wǎng)或百葉窗防止異物進(jìn)入。其具體做法如圖2所示。

圖2 緩存區(qū)優(yōu)化截面圖

2）排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化：排風(fēng)風(fēng)機(jī)可采用軸流風(fēng)機(jī)或者離心風(fēng)機(jī)，排風(fēng)風(fēng)機(jī)的選取不必完全與吹風(fēng)風(fēng)機(jī)匹配，只需排出一定風(fēng)量，將熱量帶出室體之外，不使室體內(nèi)溫度過高即可。如此可減小風(fēng)機(jī)大小，從而降低能耗。由于緩存區(qū)熱量相較于強(qiáng)冷室更低，故排風(fēng)可排至車間外或者可以排至車間內(nèi)的高點(diǎn)（通常為高出室體2 000 mm以上）。

3.3 提高換熱介質(zhì)的性能

冷卻段的設(shè)計(jì)理念通常是將空氣吹到工件表面，帶走工件的熱量以達(dá)到冷卻的目的。在如此過程之中，工件表面空氣流速增加，帶出熱量，由于空氣的比熱容較低，單位體積內(nèi)空氣帶走的熱量很有限，同時(shí)又由于空氣溫度升高，進(jìn)一步降低空氣帶走熱量的能力[5]。所以，更換換熱介質(zhì)，提高比熱容，使得單位體積內(nèi)的介質(zhì)可帶走的熱量增加，從而提高冷卻段的效果。

水是一種比熱容高且經(jīng)濟(jì)的介質(zhì)，故可以在送排風(fēng)裝置內(nèi)增加霧化裝置，將水霧化后，配合送風(fēng)機(jī)將空氣和水霧的混合介質(zhì)均勻吹至工件表面對工件進(jìn)行冷卻。水霧蒸發(fā)帶走大量熱量，從而達(dá)到更好的冷卻效果。

此種方法一般會提高造價(jià)，同時(shí)也增加使用成本，在工程機(jī)械行業(yè)使用較少，通常用于冷卻后無緩存區(qū)，需要以較短時(shí)間下件的情況。

4 實(shí)際案例

以長沙某工程機(jī)械企業(yè)新建噴粉涂裝線為例，解析其冷卻段的設(shè)計(jì)。

4.1 項(xiàng)目情況簡介

本項(xiàng)目噴粉涂裝線采用拋丸—前處理清洗—烘干—噴粉—粉末固化—冷卻的工藝。被涂工件為大型結(jié)構(gòu)件，最大尺寸7 500 mm×1 500 mm×2 000 mm，工件板厚8~25 mm，生產(chǎn)節(jié)拍20 min/工位，環(huán)境溫度范圍-5~35℃，輸送方式為積放鏈。

冷卻段設(shè)計(jì)為2工位的強(qiáng)冷室以及3工位的封閉式緩存區(qū)，強(qiáng)冷時(shí)間40 min，加上緩存區(qū)冷卻時(shí)間60 min，總冷卻時(shí)間為100 min。

4.2 冷卻段設(shè)計(jì)情況

強(qiáng)冷室、封閉區(qū)室體設(shè)計(jì)2部分室體與涂裝線其他設(shè)備保持一致，強(qiáng)冷室室體長度為16 000 mm，封閉式緩存區(qū)室體長度為24 000 mm。外壁采用50 mm復(fù)合巖棉夾芯板，兩端敞開不設(shè)開閉門。

4.2.1 強(qiáng)冷室送排風(fēng)設(shè)計(jì)

送風(fēng)風(fēng)量按照換氣6次/min計(jì)算，得出送風(fēng)風(fēng)量為61 000 m3/h。吹風(fēng)罩吹嘴為交錯布置，吹嘴橫向間隔為400 mm，縱向間隔為500 mm，總吹嘴數(shù)為350個(gè)，核算吹嘴出口風(fēng)速為14.8 m/s，基本符合設(shè)計(jì)要求。排風(fēng)風(fēng)量與送風(fēng)保持相同。

送排風(fēng)系統(tǒng)采用送排風(fēng)一體機(jī)，放置于室體側(cè)部，送風(fēng)與排風(fēng)管采用鍍鋅鋼板分段折制，各段采用法蘭連接。送風(fēng)直接采用車間風(fēng)，排風(fēng)排至車間外。

4.2.2 封閉式緩存區(qū)送排風(fēng)設(shè)計(jì)

送風(fēng)采用負(fù)壓風(fēng)機(jī)，用角鋼制作風(fēng)機(jī)支架放置于工件下部，風(fēng)機(jī)放置于風(fēng)機(jī)支架上，由下至上吹風(fēng)，室體側(cè)下部均勻布置被動進(jìn)風(fēng)口，并且配置百葉窗。單個(gè)負(fù)壓風(fēng)機(jī)送風(fēng)量為30 000 m3/h，共采用7臺風(fēng)機(jī)，均布于室體內(nèi)。

排風(fēng)采用被動排風(fēng)，在室體頂部開洞并設(shè)置鋼板網(wǎng)，由室體頂部自然排至廠房內(nèi)部。其現(xiàn)場實(shí)際情況如圖3所示。

圖3 封閉式緩存區(qū)冷卻段

4.3 實(shí)際使用效果

工件自粉末固化爐進(jìn)入強(qiáng)冷室，溫度220℃，經(jīng)過2工位的吹風(fēng)式冷卻段冷卻后，工件表面溫度降至85℃。經(jīng)過3工位緩存區(qū)冷卻段后，工件表面溫度降至40℃，且未出現(xiàn)回?zé)?/p>

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)涂裝設(shè)備的設(shè)計(jì)更多專注于烘干設(shè)備的設(shè)計(jì)，而對冷卻段的設(shè)計(jì)缺乏足夠的關(guān)注度。本文給出一種經(jīng)濟(jì)有效的冷卻段設(shè)計(jì)方法，旨在提高涂裝行業(yè)冷卻段設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)水平和理念。后期依然需要更多專業(yè)人士對冷卻段的設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化和提高，共同探討研究。