工程機械粉末涂裝中固化爐冷卻段設計改善

王哲，楊飛周，朱明

（中機第一設計研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

隨著工程機械涂裝行業的不斷發展，以及國家對環保要求的不斷提高，粉末涂裝技術在工程機械行業中的環保節能優勢逐漸顯現，各個工程機械廠商都建立了粉末涂裝生產線。在實際應用中，粉末涂裝具有施工效率高、VOCs排放量少、涂層性能優良等優點，尤其是在減少VOCs排放上擁有很大優勢，可以避免建造大型的廢氣處理設備，從而極大地降低建設成本與運行成本。但是，由于工程機械噴涂工件的特點，粉末固化后冷卻方式成為制約生產線運行的突出問題。本文提出一種簡單且實用的粉末固化后冷卻方法，以提高工程機械粉末涂裝的效率。

2 粉末固化爐冷卻段設計要點

2.1 工程機械粉末固化特點

粉末涂裝在工程機械領域逐漸由薄板件、小型結構件向大型結構件發展，現在大型結構件的應用也越來越多。相較于薄板件與小件，大型結構件的特點更加顯著：大型結構件通常采用厚板、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，大型結構件在粉末固化上的時間更長，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），工件無法在短時間內降低至下件溫度，另一方面冷卻段通常采用冷風吹風的冷卻方式，只是加快工件表面的散熱，而大型結構件由于板件較厚，內部溫度只能依靠基材傳導散熱，從而導致“回熱”的現象出現，使得工件在冷卻至目標溫度之后，在緩存區再次升溫，導致無法下件。

2.2 固化爐冷卻段設計要求

烘干后冷卻段的設計一般要求經過冷卻后達到室溫，從緩存區到下件區，表面溫度回熱不超過10℃。冷卻時間的長短對冷卻效果有很大影響，一般工程機械涂裝線生產節拍較長，冷卻段的設置通常在2~3個工位，冷卻時間在30~45 min。

強冷冷卻段由室體、送排風裝置、送排風管以及吹風罩等組件組成。工程機械行業中，大多數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，經過送排風裝置內過濾器過濾，通過吹風罩直接吹至工件表面進行冷卻，不采用制冷裝置。

強冷室（冷卻段）室體一般采用型鋼骨架配合50 mm厚復合夾心巖棉板組成，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]。

強冷室吹風罩采用可調式高速出風吹嘴，通常吹嘴出口風速在15 m/s左右，送排風風管內風速在8~12 m/s，室體內空氣換氣次數通常為6次/min，若考慮強冷效果可適當增大[3]。

送排風裝置是強冷室的核心部件，一般由專業廠家定制。該種設備將室外空氣經過高效過濾器（過濾等級通常不低于F5）過濾后由送風機送入室內，同時排風機將室內的熱氣及時排空。裝置室體采用雙層鋼結構形式，內襯鍍鋅鋼板，外貼鍍鋅波紋板，中間填實保溫棉，外觀結構美觀。其結構如圖1所示。

圖1 送排風裝置主視圖

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計息息相關，各個工程機械產品不同，對冷卻段的需求也有很大區別，甚至同種產品之中，不同部件對冷卻段的需求也有區別，所以，需要改善冷卻段以提高生產效率。針對工程機械行業冷卻段效果提升，有如下幾種方法。

3.1 提升風量

強冷室設計一般為直接利用外界空氣冷卻，由于此種設計對外部溫度敏感性較高，所以，提高吹嘴風速以加快工件表面空氣流動速度對于提高冷卻效率、降低冷卻時間有很好的效果。比如，吹嘴設計風速為14 m/s，當加大送風量，提高至16 m/s時，冷卻速度就有很大提升。

對于部分改造設備，可更換風機皮帶輪，增加風機葉輪的轉速，利用冷卻段送風機的設計余量來提升送風風量，從而達到提高吹嘴風速的效果[4]。

3.2 合理利用緩存區

由于工程機械行業大型結構件板厚較厚、結構復雜的特點，回熱現象普遍存在，嚴重影響生產。所以，在工藝設計上，冷卻后通常會設計較長的緩存區，以便讓工件在回熱之后可以繼續散出剩余熱量，使其不影響后續作業。通常利用緩存區解決回熱問題的辦法，是讓工件自然散熱，熱量散入車間之內。如此方法會使車間相關區域內溫度升高，從而降低車間工作環境，同時由于缺乏有效散熱手段，工件散熱效率較低。

針對以上缺點，現如今在緩存區的利用上更多采用封閉式緩存區，配合排風風機（負壓風機或軸流風機），繼續保持工件表面空氣流速，同時，使得散出的熱量不至于影響工作生產環境。

3.2.1 封閉式緩存區的一般組成

封閉式緩存區的設計一般由室體、吹風系統和排風系統3部分組成。

1）室體設計：室體設計一般和強冷室保持一致，結構、外觀、形式保持相同。

2）吹風系統設計：吹風系統一般采用負壓風機吹風，進風采用被動進風形式，利用負壓風機吹風保持工件表面一定的空氣流速，加快工件散熱。

3）排風系統設計：排風系統通常分主動排風和被動排風2種。被動排風通常為室體不設頂，通過熱量向上流動的原理由室體頂部排至車間內。主動排風系統則采用離心風機或者軸流風機，將工件散至室體內熱量排至室外，以此降低室體內部環境溫度，從而加快工件與空氣的換熱，以提高散熱效率。

3.2.2 封閉式緩存區設計的優化改善

對于涂裝線建設而言，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，在封閉式緩存區設計之時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。一般設計時有如下幾個優化方向：

1）吹風系統的設計優化：負壓風機是現在廠房排風常用的一種風機，其特點是低風壓、高風量、造價便宜、能耗較低，在設計吹風系統時，可考慮采用多臺負壓風機。由于熱空氣向上流動的特性，負壓風機可放置于工件下部，由下至上吹風，同時，在室體側邊或底邊設置進風口，被動抽車間風用以進風。進風口需配置鋼板網或百葉窗防止異物進入。其具體做法如圖2所示。

圖2 緩存區優化截面圖

2）排風系統的設計優化：排風風機可采用軸流風機或者離心風機，排風風機的選取不必完全與吹風風機匹配，只需排出一定風量，將熱量帶出室體之外，不使室體內溫度過高即可。如此可減小風機大小，從而降低能耗。由于緩存區熱量相較于強冷室更低，故排風可排至車間外或者可以排至車間內的高點（通常為高出室體2 000 mm以上）。

3.3 提高換熱介質的性能

冷卻段的設計理念通常是將空氣吹到工件表面，帶走工件的熱量以達到冷卻的目的。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，單位體積內空氣帶走的熱量很有限，同時又由于空氣溫度升高，進一步降低空氣帶走熱量的能力[5]。所以，更換換熱介質，提高比熱容，使得單位體積內的介質可帶走的熱量增加，從而提高冷卻段的效果。

水是一種比熱容高且經濟的介質，故可以在送排風裝置內增加霧化裝置，將水霧化后，配合送風機將空氣和水霧的混合介質均勻吹至工件表面對工件進行冷卻。水霧蒸發帶走大量熱量，從而達到更好的冷卻效果。

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

4 實際案例

以長沙某工程機械企業新建噴粉涂裝線為例，解析其冷卻段的設計。

4.1 項目情況簡介

本項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。被涂工件為大型結構件，最大尺寸7 500 mm×1 500 mm×2 000 mm，工件板厚8~25 mm，生產節拍20 min/工位，環境溫度范圍-5~35℃，輸送方式為積放鏈。

冷卻段設計為2工位的強冷室以及3工位的封閉式緩存區，強冷時間40 min，加上緩存區冷卻時間60 min，總冷卻時間為100 min。

4.2 冷卻段設計情況

強冷室、封閉區室體設計2部分室體與涂裝線其他設備保持一致，強冷室室體長度為16 000 mm，封閉式緩存區室體長度為24 000 mm。外壁采用50 mm復合巖棉夾芯板，兩端敞開不設開閉門。

4.2.1 強冷室送排風設計

送風風量按照換氣6次/min計算，得出送風風量為61 000 m3/h。吹風罩吹嘴為交錯布置，吹嘴橫向間隔為400 mm，縱向間隔為500 mm，總吹嘴數為350個，核算吹嘴出口風速為14.8 m/s，基本符合設計要求。排風風量與送風保持相同。

送排風系統采用送排風一體機，放置于室體側部，送風與排風管采用鍍鋅鋼板分段折制，各段采用法蘭連接。送風直接采用車間風，排風排至車間外。

4.2.2 封閉式緩存區送排風設計

送風采用負壓風機，用角鋼制作風機支架放置于工件下部，風機放置于風機支架上，由下至上吹風，室體側下部均勻布置被動進風口，并且配置百葉窗。單個負壓風機送風量為30 000 m3/h，共采用7臺風機，均布于室體內。

排風采用被動排風，在室體頂部開洞并設置鋼板網，由室體頂部自然排至廠房內部。其現場實際情況如圖3所示。

圖3 封閉式緩存區冷卻段

4.3 實際使用效果

工件自粉末固化爐進入強冷室，溫度220℃，經過2工位的吹風式冷卻段冷卻后，工件表面溫度降至85℃。經過3工位緩存區冷卻段后，工件表面溫度降至40℃，且未出現回熱

5 結語

目前，國內涂裝設備的設計更多專注于烘干設備的設計，而對冷卻段的設計缺乏足夠的關注度。本文給出一種經濟有效的冷卻段設計方法，旨在提高涂裝行業冷卻段設計的設計水平和理念。后期依然需要更多專業人士對冷卻段的設計進一步優化和提高，共同探討研究。