VOCs 治理对工程机械涂装工艺与设备发展的影响研究

王春英^１ 刘勇² 张敬华² 于萍² 张瑞²

摘要：工程机械产品生产离不开涂料与涂装，VOCs 的治理必然会对工程机械涂装施工工艺与设备产生一定的影响。普通空气喷涂由于涂料利用率低，在工程机械涂装施工中的比例会下降。静电喷涂由于涂料的附着率较普通空气喷涂大幅提高，在工程机械行业的应用将会有一个明显增幅。随着粉末涂料应用的扩大，粉末静电喷涂工艺在工程机械行业应用会有所增加。由于水性涂料应用范围大幅增加，水性涂料专用喷枪也将在工程机械行业得到广泛应用。另外，在相关政策、文件的影响下，加上自动化技术本身的发展，自动化喷涂在工程机械行业的应用会有一个明显突破，一些大批量生产的产品将会采用自动化喷涂技术或机器人喷涂技术。涂料及其涂装工艺的变化，也将对工程机械喷漆线带来变化。

关键词：工程机械 VOCs 治理 水性涂料 粉末涂料 电泳涂料 喷漆室 烘干

工程机械作为机械行业的一个重要的分支，如今已经形成挖掘机械、铲土运输机械、起重机械、工业车辆、混凝土机械、压实机械、路面机械与养护机械、掘进机械、桩工机械、市政与环卫机械等 20 大类，共 109 组，450 种基型，1090 个系列，以及上万个型号产品设备。2019 年，国内工程机械销量超过 169 万台，其中挖掘机械销量创纪录的超过 23.5 万台，装载机销量超过 12 万台，工业车辆销量突破 60 万台。

工程机械生产离不开表面涂装工序，而表面涂装是VOCs 的重要来源之一。VOCs 是导致 PM2.5 和臭氧产生的主要污染物，减少 VOCs 的产生和排放已经成为全社会的共识。对涂装行业 VOCs 进行治理也已经成为 VOCs 治理的重点，工程机械涂装在国家、省市的 VOCs 治理文件中也被列为重点。在相关 VOCs 治理文件中，除了对涂料的选用提出了要求，对喷涂方式也提出了具体的要求。随着VOCs 治理的推进，不仅对工程机械涂料会产生较大的影响，对工程机械喷漆工艺及设备也将会产生重大的影响。

1 工程机械涂装的特点及现状

由于工程机械产品种类和型号多，而且工件材质、结构、外形尺寸等变化范围大等，形成了工程机械涂装自身的特点，主要有以下几个方面。

1.1 涂装生产线差异大

挖掘机、装载机、叉车等工程机械一年的市场需求量超过十万台，有的甚至超过 20 万台。但是像旋挖专机、平地机、摊铺机等每年的销量却只有几千台，单一型号的产品少的只有几十台甚至几台。就算是市场需求量大的产品，不同品牌的产销量差距也非常大。例如挖掘机，龙头企业年产五六万台，小的企业每年只有数百台。由于产品规模不同，工程机械涂装生产线规模差距巨大。由于规模不同，涂装生产线的工序流程、设备设施配置就各不相同。即使是生产的产品相同，在工程机械也很难有工艺流程、工艺方式完全相同的两条涂装生产线。不同产品的涂装生产线差异更大，同一家企业的多条涂装生产线也没有两条是完全相同的，一条涂装生产线一个样。由于涂装生产线差异大，新的喷涂技术、工艺大面积推广普及比较难。

1.2 涂装生产线建设水平总体不高

自 2000 年以来，由于市场需求的增长和客户对涂装外观质量要求的提高，工程机械行业在涂装方面加大了投入，新建了大量的涂装生产线。不过，由于生产规模等限制，涂装生产线的建设水平总体不高。行业龙头企业生产规模大，涂装生产线投入也较大，水平相对高。不过，与汽车行业涂装生产线相比，差距巨大。例如，在工程机械行业的涂装线，喷漆室几乎没有恒温恒湿的，很多喷漆室在冬季也没有送暖风，这也成为水性涂料及其工艺很难在工程机械行业大面积快速推广的原因。

1.3 不同的工程机械产品零件喷漆工艺不同

工程机械工件板材厚度从几毫米到几十毫米甚至超过100mm 都有，工件的外型尺寸则从几毫米到十几米，重量则从不到 1 公斤到十几吨。由于工件上的差异巨大，工程机械零件喷漆很难统一完全采用相同的涂料和施工工艺。比如粉末涂装，不仅环保，而且利用率高，在工程机械行业应用比较早。但是，由于粉末涂料需要高温烘烤，而工程机械零件板材厚度的差异大，目前还主要局限于薄板类工件。目前，工程机械行业使用的涂料有传统溶剂型涂料、高固体份涂料、水性涂料、粉末涂料、电泳涂料等，施工工艺包括浸涂、空气喷涂、手工静电喷涂、旋碟静电喷涂、静电粉末喷涂、电泳等，一家企业一般拥有多条涂装生产线，采用多种涂料和多种施工方法。

1.4 涂料施工工艺总体落后

由于工件结构尺寸差异大，批量较小、种类多、结构复杂等特点，决定了工程机械不易实现自动化喷涂，而以手工喷涂为主。由于零件结构上存在腔、缝、孔等结构，也影响了静电喷涂工艺的应用。因此，工程机械的喷涂以空气喷涂为主，底漆喷涂上部分采用了高压无气喷涂。虽然手工静电喷涂、旋碟静电喷涂方法在工程机械也都有应用，但所占比例很低。

2 VOCs 治理对工程机械涂装工艺技术的要求及导向

2.1 VOCs 治理文件对涂装施工工艺的直接要求

工业和信息化部、财政部《关于印发重点行业挥发性有机物削减行动计划的通知》（工信部联节〔2016〕217 号）要求汽车涂装推广静电喷涂、淋涂、辊涂、浸涂等高效涂装工艺和先进智能化涂装设备。这一要求在之后的相关文件中扩大到整个表面涂装行业及细分行业。《重点行业挥发性有机物综合治理方案》（环大气〔2019〕53 号）要求加快推广紧凑式涂装工艺、先进涂装技术和设备。工业涂装行业重点推进使用紧凑式涂装工艺，推广采用辊涂、静电喷涂、高压无气喷涂、空气辅助无气喷涂、热喷涂等涂装技术，鼓励企业采用自动化、智能化喷涂设备替代人工喷涂，减少使用空气喷涂技术。工程机械制造业要提高室内涂装比例，鼓励采用自动喷涂、静电喷涂等技术。涂料、稀释剂、清洗剂等原辅材料应密闭存储，调配、使用、回收等过程应采用密闭设备或在密闭空间内操作，采用密闭管道或密闭容器等输送。除大型工件外，禁止敞开式喷涂、晾（风）干作业。除工艺限制外，原则上实行集中调配。文件对涂装工艺方法、设备工具等提出了明确的方向性要求。

《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南（2020 年修订版）》（环办大气函〔2020〕340 号）将工程机械作为 VOCs 重点行业制定了绩效分级指标，对于参评 A、B 级的企业，要求采用静电喷涂、自动喷涂、高压无气喷涂或高流低压（HVLP）喷枪等高效涂装技术，不可使用手动空气喷涂技术。对于参评 A、B 级的企业，还要求建设干式喷漆房，使用湿式喷漆房时，则需要循环水泵间和刮渣间应密闭，安装废气收集设施。虽然分级评价不是强制性的，但是评价结果的应用是强制性的。通过不同评价等级的企业，在重污染天气的生产豁免权不一样，B 级企业在黄色预警期间涂装不限产，但 C 级企业在黄色预警期间采用溶剂型涂料涂装的要限产 30%。

2.2 VOCs 治理文件对涂装施工工艺的间接要求

国家及省市 VOCs 治理相关文件中不仅对涂料的喷涂工艺方式直接提出了要求，还通过对涂料的要求间接地对涂料的喷涂工艺方式提出了要求。工业和信息化部、《财政部关于印发重点行业挥发性有机物削减行动计划的通知》（工信部联节〔2016〕217 号）指出，涂料行业要重点推广水性涂料、粉末涂料、高固体份涂料、无溶剂涂料、辐射固化涂料（UV 涂料）等绿色涂料产品。《重点行业挥发性有机物综合治理方案》（环大气〔2019〕53 号）要求大力推进源头替代，通过使用水性、粉末、高固体份、无溶剂、辐射固化等低 VOCs 含量的涂料，从源头减少 VOCs 产生。《重点行业挥发性有机物综合治理方案》（环大气〔2019〕53 号）要求工业涂装要强化源头控制，加快使用粉末、水性、高固体份、辐射固化等低 VOCs 含量的涂料替代溶剂型涂料。从以上几个文件及对涂料的要求可以看出，水性涂料、粉末涂料、高固体份涂料、无溶剂涂料、辐射固化涂料（UV 涂料）等作为绿色涂料产品被倡导扩大推广应用。《山东省涉挥发性有机物企业分行业治理指导意见》（鲁环发〔2019〕146 号）要求推进源头替代，通过使用水性、粉末、高固体分、无溶剂、辐射固化等低 VOCs 含量的涂料，替代溶剂型涂料，从源头减少 VOCs 产生。《山东省工业企业无组织排放分行业管控指导意见》（鲁环发〔2020〕30 号）也明确要求，通过使用水性、粉末、高固体份、无溶剂、辐射固化等低 VOCs 含量的涂料替代溶剂型涂料，从源头减少 VOCs产生。源头替代是实现涂装 VOCs 减排的首要途径。替代就是变化，即涂料的变化。

涂料的变化，必然导致涂装工艺的变化。水性涂料的使用环境条件要求较高，在冬季需要进行预热，这就需要在喷漆前增加工件预热工序，改造涂装生产线，增加工件预热室。粉末涂料的涂覆工艺与干燥条件与溶剂型涂料差别较大，喷涂室体、烘干炉无法借用，都需要新增专有设备或生产线。电泳涂料作为一类水性涂料，其涂装工艺与溶剂型涂料涂装完全不同。如果需要将溶剂型涂料替换为电泳涂料，必须新增专门的电泳涂装生产线。

3 VOCs 治理对工程机械喷涂工艺发展的影响

3.1 普通手动空气喷涂

普通手动空气喷涂设备便宜，操作人员容易掌握，是目前工程机械采用的主要喷漆工艺。但是手动空气喷涂漆雾反弹率高，涂料的有效利用率低，一般只有 20%-30%，导致涂料的消耗较大，产生的 VOCs 也就多。因此，手动空气喷涂与 VOCs 治理和减排目标不一致。在相关VOCs 治理文件的引导和限制下，手动空气喷涂会逐步减少，被其他高效的喷涂技术取代。当然，手动空气喷涂有其他喷涂技术不可取代的一些优点，因此也不会被完全取代。

3.2 高传递效率喷涂技术

与普通手动空气喷涂相比，高压无气喷涂、高流量低压喷涂（HVLP）、静电喷涂等喷涂工艺具有更高的涂料传输效率，能减少涂料的消耗量，从而减少VOCs的产生，符合 VOCs 治理政策需要。高压无气喷涂虽然效率高，但是喷涂的漆膜外观相对较差，因此局限于底漆的喷涂，今后将部分取代普通手动空气喷涂。高流量低压喷涂HVLP）由于雾化压力低，涂料反弹大幅减少，涂料传递效率较手动空气喷涂提高 50% 以上，而且底漆面漆都适用。因此，HVLP 喷涂将是工程机械喷涂发展的主要方向，短内的应用会大幅增加。由于施加电场作用，静电喷涂使漆雾颗粒在电场力作用下能够更多地传递到工件表面，涂料利用率可达到 70% 以上，涂料节省和 VOCs 减少优势十分明显。但是，对于沟槽、孔、缝等部位，由于存在电场屏蔽效应，导致局部漏喷或漆膜厚度较薄，对于一些结构复杂的工程机械结构件不是很适用。所以，在 VOCs 治理推动下，静电喷涂工艺在工程机械行业的应用会有所增加，但增加有限。特别是粉末静电喷涂，在工程机械行业应用已经接近 20 年，但主要集中在驾驶室、机罩等薄板件，近年来混凝土搅拌罐也开始采用粉末静电喷涂，今后会扩大到一些板材较厚的结构件。

3.3 水性涂料专用喷枪

由于水性涂料采用水作为溶剂，导电性提高，对腔体的腐蚀性也增强。虽然现有的溶剂型涂料喷枪也能喷涂水性涂料，但是喷枪厂家还是开发了水性涂料专用喷枪。由于水性涂料 VOCs 含量低，使用不受工件外形尺寸、结构等影响，未来会大面积替代现有的溶剂型涂料。因此，水性涂料喷枪会伴随水性涂料的大面积应用而快速增长。

3.4 自动化喷涂技术

人工喷涂柔性大，能满足不同规模、不同外形尺寸、结构的工件。但是，人工喷涂随意性也很大，造成涂料的浪费较多，VOCs 产生的也多。采用自动喷涂或机器人喷涂可避免人工喷涂随意性问题，减少涂料消耗和 VOCs的产生。但是，对于多品种、小批量的工程机械涂装，自动化喷涂或机器人喷涂受到限制，因此一直没有明显进步。当然，在 VOCs 治理政策倡导和推动下，一些批量较大的产品将会逐步采用自动喷涂或机器人喷涂。在未来几年，自动喷涂在工程机械行业将会有较大突破。

4 VOCs 治理对工程机械涂装生产线发展的影响

4.1 喷漆室类型

按照对过喷漆雾的捕捉方式，可分为干式喷漆室和湿式喷漆室两大类。对于喷漆量较大的工程机械喷漆室，目前采用湿式的较多，主要有水旋式和水帘式两种。湿式喷漆室对漆雾的捕捉效率高，但是会产生涂装废水。由于水性涂料中物质溶于水，随着水性涂料应用的扩大，水性涂料涂装的废水对环境污染的风险提高。避免水性涂料涂装废水的方法就是采用干式喷漆室。另外，《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南（2020 年修订版）》中工程机械绩效评级 A、B 的，也首先倡导使用干式喷漆室。因此，未来新建的喷漆线，将会以干式喷漆室为主。一些切换使用水性涂料的水帘式喷漆室，也会改造为干式喷漆室。当然，由于喷漆线投入大，而且水旋式喷漆室改造干式喷漆室难度较大，因而老的湿式喷漆室尤其是水旋式喷漆室仍将长期存在和运行。

4.2 喷漆线工位与室体

由于涂料与涂装工艺的变化，必然导致喷漆线的变化。水性涂料由于对温度、湿度条件要求较为严格，在工艺设备上与溶剂型涂料存在差异。如果工件表面温度过低，喷涂水性涂料容易产生流挂。因此，对于冬季温度较低的地区，采用水性涂料就需要对工件进行预热。近几年，随着水性涂料的推广，新建喷漆线将会设计工件预热工及室体，一些老的喷漆线也会进行水性化改造，增加预热工位和预热室。底面合一涂料可满足工程机械一部分工件的涂装。底面合一涂料的应用，减少了喷漆、流平、烘干的次数，缩短涂装生产周期，同时实现大幅节能降耗。新建的喷漆线如果规划采用底面合一涂料，设计时就可以减少喷漆室、流平室、烘干室，缩短喷漆线长度，减少喷漆线占地面积。

“湿碰湿”喷漆工艺是一种紧凑型工艺，底漆、面漆喷涂后进行一次烘烤，同样可缩短涂装生产周期，实现大幅节能降耗。新建的喷漆线会越来越多地考虑采用“湿碰湿”工艺，设计时就可以减少烘干室，但需要增加底漆与面漆喷涂之间的流平工位。

4.3 专用涂装线

电泳涂料的涂装、粉末涂料的涂装与溶剂型涂料涂装的工艺方式完全不同，必须是专门的涂装生产线。由于电泳涂料、粉末涂料都属于绿色环保涂料，在 VOCs 治理文件中属于倡导使用的涂料。在 VOCs 治理的推动下，电泳涂料、粉末涂料在工程机械的应用会有所增加。因此，工程机械行业电泳涂装线、粉末涂装线也会有所增加。

5 结语

普通空气喷涂，受影响较大，被取代范围加大，被取代速度加快。HVLP 喷涂、静电喷涂等高效率喷涂工艺，推广应用范围都会有所扩大，推广应用速度加快，一定范围取代现有普通空气喷涂工艺。水性涂料喷涂工艺，得益于水性涂料应用的大范围推广，水性涂料专用喷枪的应用将明显增加，水性喷涂将成为工程机械涂装的主要工艺。自动化喷涂，在工程机械行业的关注度大幅提高，无论是自动化喷涂还是机器人喷涂都将在工程机械行业获得突破性的实际应用。

由于水性涂料的应用，新建喷漆线会设计预热工位和预热室，已有的喷漆线会进行改造，增加工件预热工位和预热室。底面合一涂料的推广应用，减少了一次喷涂和烘烤，对喷漆线工位数量和长度减少。“湿碰湿”喷漆工艺的应用增加，涂装线烘干工位减少。电泳涂料、粉末涂料应用的增加，电泳涂装线、粉末涂装线的数量会有所增加。

参考文献：

[1] 改革开放 40 周年工程机械行业发展成就与展望——献给改革开放 40 周年 [J]. 建筑机械化 ,2018,39(10):10-12.