潘佐
中集集装箱装备技术研究
摘要：根据微波在集装箱水性涂料干燥成膜过程中对水分挥发的特殊作用原理,研发了集装箱水性涂料的微波烘干设备,并开展了样机验证测试和能耗分析,确认了微波烘干工艺对降低集装箱水性涂料烘干能耗的效果,从而开发出一项针对集装箱水性涂料的新型节能烘干工艺.
关键词：集装箱 水性涂料 微波烘干
1 微波烘干工艺原理
1.1 传统烘干工艺
传统的加热方式都是通过热传导、对流、热辐射等手段将热量从表面传递给被加热体，再通过被加热体自身的热传递使中心温度逐步升高。如图1、图2所示，传统烘干工艺下的水性涂膜分子结构受热的过程是由表及里逐渐升温的。
1.2 微波烘干工艺
在集装箱水性涂料的干燥成膜过程中，微波主要作用于水性涂料中的水分子。水分子是极性分子，在微波的作用下，极性分子产生运动和相互摩擦，从而产生热量。由于不同波长的微波同时辐照，受能后的极性分子其旋转方向有极大不同，从广义统计上使热能的流动具有了方向性，如图3、图4所示。
随涂膜外空气动力的拉动作用，分子扩散的拉动效应得到极大增强。具有运动方向性的水分子将在内外力场的作用下均匀地向表层散逸。而风力循环将不停地把这些高温水分子带走，只留下逐渐交联的水性涂料成膜物质。这就是完整的微波烘干工艺模型。
1.3 工艺比较
传统烘干工艺与微波烘干工艺的特点比较如表1所示。
2 微波烘干房设计方案
2.1 方案描述
本方案将利用微波能量源，在一个封闭式的空间里(见图5)对集装箱箱体表面的水性涂料涂膜进行加热。设计了一个拖拽平台，将原生产线轨道上的集装箱拖拽至封闭空间内。当完成烘干后，将集装箱送出空间至指定位置，并自行复位。设计了一套闭环的冷凝除湿气化热再利用循环送风系统，无需原有风道，纯水排放，污染气体零排放。设计了基于上位机+PLC+控制器+继电器+伺服电机的自动化控制系统。设计了基于温度、湿度、风速、风量的传感器网络。
2.2 硬件结构
微波烘干房硬件明细可参考图6。
2.3 微波烘干房控制系统
微波烘干房控制系统原理可参考图7。
微波烘干房控制系统组成可参考表2。
3 技术验证
3.1 样板测实验证
3.1.1 实验参数
实验样板：1 m×1 m的四波板2块，75 mm×150mm的钢板8块，样板状态均为打砂Sa2.5级，无底漆。
喷涂工具：空气喷枪。
微波发生器：功率6 kW、移动速度70 mm/s。
水性涂料配套：水性环氧富锌底漆30 μm+水性环氧中间漆50 μm+水性环氧面漆50 μm。
3.1.2 实验机械及过程实录
具体实验过程中所用机械及过程数值结果实际见图8～图11。
3.1.3 实验结果
实测干燥时间：4.5～6.0 min/道漆。
实测干膜厚度：1 m×1 m的四波板100～110 μm，75 mm×150 mm的钢板130～140 μm。
3.1.4 实验结论
根据实际膜厚情况，微波烘干机可以在6 min内完成对水性涂料单层涂膜(湿膜厚度100 μm左右)的烘干。
经检测，该微波烘干设备对环境的辐射在安全范围内。
3.2 样件实测验证
3.2.1 测试目的
针对3.048 m(10 ft)集装箱底架结构(含鹅颈槽)进行微波烘干效果的验证测试。
3.2.2 测试条件
(1)微波烘干测试样机的工作波长为0.3～150mm。
(2)根据生产节拍，要求在150 s内达到烘干效果。
(3)水性涂料湿膜厚度分别为200 μm、400 μm、600 μm，材质为水性丙烯酸涂料。
(4)环境条件：温度18～25 ℃，湿度65%～85%。
3.2.3 测试方法及步骤
(1)对200 μm、400 μm、600 μm湿膜厚度的水性丙烯酸涂料(RAL7040，灰白色)涂层进行150 s烘干。
(2)含水率在原厂桶装涂料比例为1的基础上进行如下4组的配比加水稀释：A组为1∶1.2；B组为1∶1；C为组1∶0.5；D组为1∶0.1。
(3)分别通过空气喷枪对底架进行喷涂，并进行150 s烘干。
(4)如未干则继续以150 s为周期进行多次烘干，直至烘干为止(为理解方便，以下将150 s简称为“1周期”)。
(5)考虑喷涂工艺问题，允许涂膜厚度误差为50～100 μm。
3.2.4 测试记录
现象1：在实际喷涂中，发现A、B组的水性涂料均产生了大面积流挂。
现象2：C组有流挂现象，但只出现在400 μm和600 μm涂层厚度。
现象3：D组在200 μm、400 μm、600 μm3种厚度均无明显流挂。
200 μm涂层，在若干周期内烘干后，A、B、C、D 4组比例烘干结果如表3所示。
400 μm涂层，在若干周期内烘干后，A、B、C、D 4
组比例烘干结果如表4所示。
600 μm涂层，在若干周期内烘干后，A、B、C、D 4
组比例烘干结果如表5所示。
3.2.5 测试结果
通过上述实验数据，可知A、B组无参考意义，C组可能会出现涂膜，但概率较小，D组为正常，即含水率在原厂桶装涂料比例为1的基础上配比加水为1∶0.1。
在8 kW功率下：200 μm涂层能在1周期内得到完美烘干成膜。400 μm涂层在D比例下1周期内能达到表干成膜。600 μm涂层在1周期内无法干燥成膜。
水分子直径为0.32 nm，也就是说在600 μm厚度中存在着至少180万层水分子。基于本设备，暂定以200 μm厚度涂层烘干效率为基准，就是说在1周期内(150 s)能让60万层水分子绝大部分释放逃逸，达到涂膜表干。那么600 μm厚度就至少需要3周期。
实验结果证明，标准600 μm(实际D比例涂膜湿膜厚度为600～800 μm)确实需要3周期，才能达到表干。水分子需要穿越到表层逃逸的距离越远，它在初始需要获得的能量越大，否则只能造成水分子在涂层中的向上运动(因为基材反射导致波的行进方向是向上的，当然也可能向左或右)，并不足以让其逃逸，这就和涂层厚度、含水率、功率密度产生了函数关系。在功率密度均匀的前提下，干燥时间和涂层厚度、含水率成反比(注：含水率与干燥时间呈非线性关系，主要是因为水分间作用力)，和功率密度成正比。
3.2.6 测试分析
欲在1周期内，使得D组比例600 μm以上的水性涂料湿膜得到表干成膜，只能是增加功率密度，同期调整烘干设备的风能和热能比例关系。其中增加针对水分子能吸收的特效波长电磁波和类光波的功率密度尤为关键。
通过现场测试结果，在目前箱体结构下，3.048 m(10 ft)底箱表面干燥情况非常均匀，说明功率密度分布很理想，设备的加热腔体设计很合理。
在3周期后木地板的温度可达到体感50～60 ℃，由于木地板的自身吸波与蓄热，更能说明是当前功率密度在1周期内无法满足600 μm的表干加热效率。本组测试后，如需改善微波烘干测试样机的烘干效果，则须提高设备的功率密度，适当改变风能及热能参数，预测能达到1周期烘干600 μmD组比例湿膜的工艺要求。
3.2.7 样件测试(见图12)
4 安装调试
4.1 场地准备
(1)拆除原有热风烘房；
(2)原烘房中心处设为基准点；
(3)沿原地轨以基准点为中心向两侧各15 m处实施断轨；
(4)断轨长度是以所加热集装箱型号计算的；
(5)30 m为最大值；
(6)断轨区域垂直于轨道方向对地面进行开槽，水泥抹平强化，厚度不低于50 mm；
(7)地面硬化检查；
(8)开槽共计2条，安装门封用，槽净长4 200 mm，槽净深450 mm；
(9)提供380 V电力接入配电柜。
具体场地平面布置见图13。
4.2 设备装配(参考图14)
4.3 安装调试步骤
安装调试步骤参考表6。
5 经济性分析
5.1 各机型方案功率设计
各机型方案的功率设计数据如表7。
5.2 各机型方案工作寿命估算
各机型方案的工作寿命估算数据如表8。
5.3 各机型方案设计能耗数据分析
各机型方案的设计能耗数据如表9。
5.4 能耗核算
综合上述分析，从设计工作寿命和能耗的角度分析，Ⅰ型机组是最优方案。现根据水性涂料的烘干能耗计算结果来核算Ⅰ型机组的能耗数据：
水性涂料烘干工艺为：1涂1烘，即底漆、中间漆、内面漆、外面漆工序各烘干1遍。
估算各烘干工序需烘干的水分为：
(1)底漆：7.2 kg/TEU；
(2)中间漆：4.7 kg/TEU；
(3)内面漆：5.4 kg/TEU；
(4)外面漆：4.3 kg/TEU。
根据实验结果，烘干1 kg水约需0.9 kW的功率。
则当总含水量=7.2+4.7+5.4+4.3=21.6 kg/TEU时，烘干21.6 kg/TEU水所需功率为21.6×0.9=19.44kW。
由此，Ⅰ型机组的加热系统核算功率定可为48kW(19.44 kW×2台×1.25损耗系数≈48 kW)，同时加上送风系统的电机功率12 kW，再加上传送系统的功率10 kW，控制系统2 kW，总装机功率核算为72 kW。
能耗核算如表10。其中电价为0.75元/(kW · h)，根据表10用功总量为37 kW · h，则电费合计为37×0.75=27.75元，单台成本27.75÷6=4.625元。
5.5 节能分析
根据某集装箱工厂的实测能耗数据，采用“空压机余热利用+天然气”的热风烘干工艺的单台平均能耗成本在6.5元/TEU。采用微波烘干体系后单台平均能耗成本在4.625元/TEU。
单位成本下降：(6.5-4.625)÷6.5×100%=28.85%
6 结 语
本文研究了一种新型的集装箱水性涂料微波烘干工艺。针对集装箱水性涂料的涂装工艺流程，设计了一套集装箱水性涂料微波烘干设备，并通过样机实验，验证了微波在集装箱水性涂料烘干工艺的应用可行性。通过理论设计、样机测试、经济性分析，可以确认微波烘干工艺是一种节能的水性涂料烘干工艺，相比现有集装箱烘干工艺，微波烘干工艺的能耗可节省约28.85%，具有极为可观的市场应用前景。
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