一、研究的背景与问题
彩色涂层板生产技术于上世纪80年代从国外引进到中国，已经伴随中国经济高速发展了三十多年，彩涂板用途已经渗透到建筑、家电、家居、交通、医疗器械等各个领域。传统彩涂板生产工艺是利用辊涂方法将溶剂涂料连续涂敷在金属带材表面，经加热固化形成彩色涂层。溶剂彩涂属于污染型生产工艺，溶剂涂料所含固体成分仅为55%，其余45%为有机溶剂，这些有机溶剂在涂料的制作合成、运输、储存、稀释搅拌、涂装、固化等过程中释放大量VOCs(Volatile organic Compounds,挥发性有机化合物)，对环境造成严重污染。据统计，目前全国有400多条溶剂彩涂生产线，每年共释放50多万吨VOCs有害气体，若通过焚烧炉焚烧处理这些有害气体则需要消耗天然气4亿多立方米，向大气排放20多万吨CO2。
工业发展带来的环境污染已经严重影响到民生，绿色环保已经被确定为国家经济工作的重中之重。我国在2008年明确提出要大力发展环保型涂料，并出台了多项涂料转型规定。2020年9月，习近平主席在联合国一般性辩论时提出碳达峰、碳中和的宏伟目标，其本质是更高质量地可持续发展。按照国家政策导引，涂料行业计划在未来10年，将大幅削减传统溶剂型涂料的比例，使其所占市场份额由目前的50% 锐减至5%。
要改变这种沿用了三十多年的污染型溶剂彩涂工艺，首先要从涂层介质的原材料入手，将溶剂涂料改为环保型涂料。粉末涂料100%为固体成分，不含溶剂，可彻底杜绝有机溶剂释放的可能性（图1）。与溶剂彩涂相比，粉末彩涂最突出的特点就是绿色环保，采用粉末彩涂技术生产及使用彩涂板能达到VOCs零排放的环保效果。
图1 溶剂涂料与粉末涂料成分对比
粉末彩涂技术起始于法国，1962年法国工程师发现了利用正负电荷相吸的方法将带有高压静电的粉末牢固吸附在钢板表面。在随后的20年时间里，粉末静电喷涂技术发展比较缓慢，始终停留在单件吊挂喷涂、速度只有2～4米/分钟的低效率生产状态。上世纪70年代，德国、英国、美国、日本等国家相继推出了金属卷材粉末喷涂技术，将单件吊挂喷涂工艺提升为连续卷材喷涂，生产效率得到很大提升，但机组速度仍然较低，最高生产速度也仅在30米/分钟左右。
长期以来，国内粉末彩涂技术一直滞后于欧美，绝大部分粉末彩涂板生产仍停留在低效率的单件吊挂喷涂状态。2010年后国内新建的几条金属卷材粉末彩涂机组最高生产速度仅为10米/分钟，且只能进行单面喷涂。
二、解决问题的思路与技术方案
难题1：喷枪与带钢之间电场强度低，涂层形成能力差，严重制约粉末彩涂板的生产速度。目前粉末喷涂机组无论是单板喷涂还是带钢连续喷涂，都采用非接触式静电喷涂方法，即利用荷电系统将喷枪的喷嘴荷上负电，带钢随机组设备接地处于零电位，喷枪与带钢之间形成电场。传统喷枪的喷嘴采用针式放电，即点源放电。这种点源放电形式加上传统微安级电流荷电系统，使得喷枪与带钢之间形成的电场强度低，粉末的吸附速度慢，涂层形成能力差，从而严重制约了生产速度。
难题2：粉末涂料更致密，采用传统热风炉对涂层进行加热固化，时间长，能耗高，生产运行成本居高不下，严重制约粉末彩涂板的生产速度。溶剂彩涂板生产线均采用热风炉对涂层进行固化，这种固化方式适用于溶剂涂料的固化，是因为溶剂涂料在固化初段就可将溶剂全部蒸发，使得涂层的固体成份中出现大量空隙，便于热能快速到达钢板基材，通过加热基材再从里往外传导到涂层各点，从而达到快速固化的目的，通常溶剂彩涂板涂层固化仅需28秒。与溶剂涂料不同，粉末涂料属于固体涂料，在带钢表面形成涂层后非常致密，粒子间空隙很小，采用热风炉进行固化用时很长，通常不少于120秒，为了提高生产速度就不得不加长热风炉长度，从而增加了能耗和生产运行成本。
2010年中冶京诚率先提出金属卷材高速连续粉末喷涂的创新思路，针对严重影响和制约粉末彩涂生产速度及产品质量的关键性技术难题开展一系列研发工作。中冶京诚粉末喷涂研发团队历时5年时间，开展数千次试验，分析上万件试样，申报几十项专利，成功解决了制约粉末喷涂生产速度的技术难题，研发出了环保型高速连续粉末喷涂生产工艺技术及装备。
三、主要创新性成果
1、研发出线源放电喷枪（图2），荷电系统输出电流从微安级提升至毫安级，使得喷枪与带钢之间的电场强度大大增强，带钢对粉末的吸附能力大大提高，为实现高速喷涂提供可能性。
图2 点源放电喷枪与线源放电喷枪电场强度对比
2、研发出燃气红外辐射固化炉，改变粉末涂层固化机理（图3），大大缩短涂层固化时间。不同于热风炉从里（基材）到外（涂层）的热传导方式，红外线的热穿透力极强，热传导效率极高，在涂层固化时热量迅速穿透涂层进入基材，涂层与基材几乎同时加热，这使得粉末涂层的固化时间缩短至30秒以下，为实现高速喷涂提供了可能性。
红外线加热涂层 红外线穿透涂层 红外线同时加热涂层和基材
图3 红外辐射固化机理
3、采用背面涂层预热工艺，保证背面涂层质量。粉末涂层的固化过程包括软化、熔融、流平、固化四个阶段，为避免背面涂层二次固化产生脆裂，保证带钢背面涂层的机械性能及表面质量，中冶京诚自主研发的高速连续粉末喷涂技术采用背面涂层预热工艺，将背面涂层快速预热至流平段，然后迅速冷却至常温，使涂层表面硬化，最后正、背面涂层一起进入固化炉加热固化。这种预热工艺在保证背面涂层质量的同时，也达到了节能降耗的效果。
（1）涂层均匀技术。自主研发的喷枪及高精度气控系统保证了涂层的均匀性，膜厚偏差可控制在±5um 以内，远超彩涂板国家标准，为高端粉末彩涂板的生产提供了技术保证。
（2）高着粉率技术。目前国内外粉末喷涂生产线首次着粉率最高可达60%，中冶京诚将喷枪、供粉系统、荷电系统和粉末进行组合研发，首次着粉率提高到了70%～90%，大大减少了过喷粉末，从而降低了生产运行成本，提高了生产安全性。
（3）快速固化技术。自主研发热传导效率极高的红外辐射固化炉，固化时间比传统热风炉大大缩短。
（4）双色双面喷涂技术.目前国外卷材粉末喷涂板生产通常采用单面喷涂或双面单色喷涂工艺，而国内仅有的几条低速喷涂生产线均为单面喷涂。中冶京诚自主研发的高速连续粉末喷涂技术采用双面双色全粉末喷涂，即带钢正、背面均为粉末喷涂且不同颜色，符合我国彩涂板客户的外观要求，属于真正意义上的环保型生产工艺。
（5）快速换色技术。更换颜色时，整个喷涂系统可自动冲洗，降低操作人员的劳动强度，有效减少粉末循环系统的清洗时间。
（6）在线质量控制技术。自主研发的在线去除包边技术、去除厚边技术、去除积粉、掉粉技术为高端粉末彩涂板的生产提供了技术保证。
（7）高安全性技术。自主研发的高速连续粉末喷涂技术配有高压电流自动监控系统和火焰探测系统，为生产的高安全性提供了技术保证。
四、应用情况与效果
2016年11月中冶京诚在山东科瑞成功热试国内首条年产10万吨高速连续粉末彩涂机组（图4），实现了VOCs零排放的环保目标，开创了国内粉末彩涂技术的第一品牌CERIPOWDER®, 标志着金属卷材高速连续粉末彩涂技术由实验室阶段正式进入商业化生产阶段。该机组生产线速度高达80米/分钟，远超国外同类机组生产速度，并且完全拥有自主知识产权，填补了国内金属卷材高速连续粉末喷涂技术的空白，被《世界金属导报》评为“2016年世界钢铁工业十大技术之一”。
图4 山东科瑞粉末彩涂机组
该机组生产的粉末彩涂板各项检验指标均达到国家彩涂板标准，其加工性能（折弯、硬度、柔韧性、耐刮等）更优于溶剂彩涂板，由于粉末喷涂可实现厚涂，粉末彩涂板的耐候性能超出溶剂彩涂板，表1为粉末彩涂板性能测试指标。
表1 粉末彩涂板性能测试指标
另外，该机组的一次上粉率可达80%以上，过喷的粉末经回收系统回收重新使用，其综合利用率超过98%。剩余的2%废粉，也可由粉末生产企业回收，重新加工后再使用，从而真正意义上实现涂装“三废”零排放，创造出极大的经济效益和社会效益。
粉末彩涂机组与溶剂彩涂机组入口段及出口段设备布置及生产成本基本一致，吨钢成本的差别集中体现在工艺段的涂敷及固化上，主要涉及到电力、天然气、涂料、压缩空气、水等几个重要指标。表2为年产10万吨彩涂板吨钢涂敷固化段综合成本对照表（钢板厚度0.35mm），溶剂彩涂吨钢成本约672元，粉末彩涂吨钢成本约623元，两种彩涂工艺成本基本持平。随着粉末涂料生产技术的发展粉末涂料的生产成本将会大幅降低，粉末彩涂板生产成本也将随之大幅降低。
与溶剂彩涂板相比，粉末彩涂板的售价更高，欧洲地区彩铝粉末卷板平均价格比溶剂卷板高出30%以上，国内目前已建成的金属卷材粉末彩涂生产线，粉末彩涂卷板吨钢销售价格比溶剂彩涂卷板高出600～2000元。
表2 年产10万吨彩涂板吨钢涂敷固化段综合成本对照表
根据客户的产品需求和市场定位，可在满足高端家电板、高端建材板，以及小家电板、防火门防盗门板等中低端建材板的产品质量要求前提下灵活选择卧式、立式、立卧结合工艺技术，为客户最大限度降低一次性投资和生产运营成本，提高产线经济效益。
中冶京诚高速连续粉末喷涂技术的问世及生产线的成功应用，为彩涂板行业解决VOCs排放问题找到了新办法，为彩涂板转型升级提供了新途径。
