涂裝鋯化前處理生產線的設計，質量缺陷及產生原因

文/鄭福斌，蘇和，龍慶，陀家暉，李業紅

摘要：鋯化前處理作為一種新型的環保前處理材料，引領了涂裝行業的前處理變革。本文結合鋯化前處理的應用實績，對涂裝鋯化工藝設計過程中工藝設備的選擇提供了參考。關鍵詞：鋯化；磷化；前處理

0?引言

涂裝前處理工藝通常包括了預水洗、預脫脂、脫脂、水洗、化成（磷化、鋯化或硅烷等），水純水洗等，其中最重要的工藝為化成工藝，化成膜可以提高產品的漆面附著力和耐腐蝕性能。

在前處理化成工藝中，磷化處理已經廣泛使用近百年，經過了幾代產品的改進，具有結晶致密，與涂裝匹配抗腐蝕性好的特點，但也存在一些缺點：

1）環保性差。磷化主劑中成膜物質磷酸根和促進晶核生成的鎳離子均為廢水排放中第一類限制濃度排放污染物；同時大多數磷化工藝使用亞硝酸鈉促進劑，它被列為有毒物質，具有劇烈刺激性，且對水生物有害。

2）磷化渣難處理。磷化成膜過程中，產生較多的渣，通常需要投入大量的設備，如PS過濾器、FK過濾機等進行處理，如果未及時處理掛附在產品表面，影響涂裝品質。為適應環保和行業的發展，無磷前處理（硅烷或鋯化等）的應用是發展趨勢。2000年左右硅烷或鋯化材料開始在歐美企業使用，國內企業2010年左右開始試用，2015年開始生產使用，目前已經是涂裝前處理工藝的首選。本文結合鋯化前處理生產線的建設及生產應用實績，為涂裝前處理生產線設計提供一定的參考。

1?鋯化生產線工藝設計

表1 鋯化前處理生產線工藝流程

1.1?脫脂工藝設計

脫脂的主要目的是消除產品內外表面上各種油污（如拉伸油、防銹油等）和塵埃，達到產品表面水膜完整的狀態。鋯化前處理工藝與磷化前處理工藝不同在于：三元系磷化膜厚度在2-3微米，鋯鹽轉化膜膜厚在20-50微米，如果脫脂不干凈，鋯化將無法成膜且產品更容易生銹，即使后續有砘化膜，未上鋯化膜處也無附著力，存在品質風險。為了使產品有更好的脫脂效果，前處理生產設計時，應從以下幾個方面考慮：

1）選擇脫脂效果更好的脫脂材料；

2）通過對預水洗加熱至35-40度，增加產品表面的溫度，使得產品進入涂裝工序后提升脫脂效果；3）預脫脂增加大流量噴淋、沖洗產品內外油污；

4）脫脂槽增加循環次數，通常設計2-3次/h；

5）脫脂處理時間延長，通常脫脂和處理時間為120s，鋯化處理線設計時可以延長至150-180s；

6）槽體內增加微發泡脫脂裝置或超聲波處理裝置，增加脫脂槽的除油效果，具體工藝對比見表2。

表2 傳統磷化與鋯化前脫脂工藝比較

1.2?鋯化工藝設計

鋯化工藝與磷化工藝不同，鋯化處理反應速度較磷化快，沉渣量少，因此在生產線設計時設備選型與磷化不同。

1.2.1?處理時間設計

通常鋯化生產線設計時，考慮鋯化的耐腐蝕性能要求，通常要求冷軋板鋯化膜重大于20mg/m2，經過試驗數據，滿足鋯化膜重要求，鋯化處理時間僅需60s以上，考慮產品內腔液體流動性差，通常為保證鋯化膜品質，鋯化槽設計時全浸泡時間取90-120s比較合理。

1.2.2?鋯化處理溫度設計

不同廠家的產品，鋯化工藝對溫度要求不同，常見的產品有加熱（約38-42度）與常溫（15-35度）兩種產品。通過試驗數據對比，常溫產品在相同的濃度和不同的處理時間下對比，120s的處理時間，溫度在10度以上，滿足鋯化膜生的品質要求。從生產線的設計及后期運行成本考慮，為節約熱交換設備、鍋爐加熱設備投入、后期燃氣的使用，鋯化槽的設計時考慮處理條件為常溫，選用不加熱材料。

1.2.3?鋯化后的處理設計

鋯化反應與磷化反應不同，磷化膜在成膜曬太陽隨時間的延長，磷化膜成膜后增長的速率很慢，鋯化則增長的速率很快。同樣的板材90s處理時間后，磷化的成膜每分鐘增長速率為0.19g/m2，鋯化的成膜每分鐘增長速率為16.15mg/m2，鋯化槽反應增長速率快于磷化，因此在鋯化槽設計時出槽后不能留有過長的瀝水時間，防止瀝水時間過長，產品表面繼續成膜，導致表面成膜不均勻形成鋯化條紋。鋯化出槽設計時應該按照以下設計：

1）出槽端設置鋯鋯化液霧化噴淋，保證產品表面鋯化膜均勻，同時又能夠使產品腔體里面的液體瀝干；

2）產品腔體的液體瀝干后，增加大流量水洗噴淋，快速沖洗產品表面，使產品表面殘留鋯化液清洗干凈，不再繼續成膜。

1.2.4?鋯化除渣設備的選型

傳統三元磷化反應，冷軋板產渣量約為2.7g/m2；鋯化反應，冷軋板產生渣量為0.2g/m2，為磷化沉渣的1/10。

磷化槽槽液渣含量一般控制在3.0×10*-8以下，通常會通過FK過濾機、PS過濾器、斜板沉降等來處理磷化渣。鋯化槽如果渣含量較多，沉渣懸浮在槽液呈泥黃色，影響鋯化的品質，因此鋯化槽通常控制在5.0×10*-6~1.0×10*-6以下，考慮至鋯化渣含量及存在狀態，在鋯化除渣設備設計時，應注意：

1）鋯化槽底部去除漏沉降，采用平板0.1%~0.2%斜波設計；

2）鋯化槽采用全流量過濾罐過濾及板框除渣機輔助設計，過濾精度控制在5微米以下，常見設計見圖7。

1.2.5?鋯化加藥管路的布局

鋯化反應與磷化反應有所不同，鋯化反應速率較快，且槽液濃度對鋯化反應有較大的影響，因此，為避免鋯化加藥后產品表面反應不均勻，造成條紋及藥劑的浪費，在鋯化槽設計時，需要考慮加藥管路的布置，通常在圖7示意中：

1）3個加藥管路均勻布置在槽的前、中、后位置；

2）加藥管路需深入槽體底部，充分保證槽液循環，同時要防止加藥管路虹吸槽液。

1.2.6?鋯化后水洗槽防銹設計

鋯化成膜較薄，在冷軋板的產品上，鋯化部位易生銹，為保證鋯化后水洗不生銹，通常設計時的鋯化后的第4水洗、第5水洗設計獨立的防銹劑滴回管路。

1.2.7?涂裝前U段的設計

為保證涂裝前產品瀝水干凈，通常生產線會有U段瀝水或轉載設計。通常U段一般2~3個產品位，產品通過時表面會有部分表干，出現干濕不均情況。磷化膜干濕不均后，涂裝無明顯的缺陷，但鋯化膜干濕不均，涂裝后會出現條紋等缺陷。鋯化工藝在設計時，通常會在U段增加高壓霧化噴淋設計。

1.2.8?鋯化渣定期清洗設備設計

鋯化渣長期會殘留在管路、槽壁、輸送等設備上，因此鋯化槽每隔1~2天需對槽體進行清洗一次。由于鋯化渣硬且不易清除，通常需要采用特殊的酸（常用硝酸混合物）進行清洗，因此在鋯化槽設計時，需配置耐酸清洗泵及管路。

1.2.9?鋯化槽體材質選擇

鋯化液作為一種酸洗表面處理藥劑，pH一般在4.0~4.8左右，且槽液中含有F離子，對設備腐蝕性能較傳統三元磷化高，因此，在鋯化槽壁設計時，一般選擇規格較高的216不銹鋼板材，輸送件至少也應該選擇304或更高規格的不銹鋼材質。

2 結語

鋯化處理工藝無磷、無鎳排放，同時在常溫下反應，作為一種低碳、環保的前處理材料，目前在涂裝行業內迅速推廣應用，但前處理設計仍保留在傳統磷化的理念上，本文通過對比磷化處理工藝，為新建鋯化前處理生產線脫脂設備、鋯化處理時間、溫度、加藥設備、防銹處理、除渣設備、槽體板材選擇提供了依據。通過實踐，新建的涂裝鋯化生產線，運行3年產品品質穩定，無鋯化導致的品質不良，為涂裝鋯化前處理工藝設備選型設計提供了一定參考。