低碳環(huán)保型堿性鍍鋅自動生產(chǎn)線工藝設計

王朝銘

（貴陽表面工程行業(yè)協(xié)會，貴州 遵義 563002）

低碳環(huán)保型堿性鍍鋅自動生產(chǎn)線工藝設計

王朝銘

（貴陽表面工程行業(yè)協(xié)會，貴州 遵義 563002）

闡述了某軍工企業(yè)無氰鍍鋅工藝設計秉持的原則和依據(jù)。介紹了 2699型堿性鍍鋅智能化生產(chǎn)線的工藝流程，其主要包括：化學除油，除銹，陽極電解除油，浸堿液，鍍鋅，硝酸出光，彩色鈍化或三價鉻厚膜鈍化，熱水洗，烘干，檢驗，裝箱。給出了各工序的溶液組成及工藝條件。從槽液帶出損失及廢水處理方面，比較了該工藝與高氰鍍鋅工藝的運行成本。實踐證明，2699型堿性鍍鋅工藝可確保鍍層質(zhì)量，槽液穩(wěn)定，生產(chǎn)成本低，具有低碳、環(huán)保的優(yōu)勢。

無氰堿性鍍鋅；自動生產(chǎn)線；設計；成本；環(huán)保

Author’s address:Guiyang Surface Engineering Industry Association, Zunyi 563002, China

1 前言

眾所周知，氰化鍍鋅液具有分散能力和覆蓋能力好，工藝范圍寬，對雜質(zhì)不太敏感，穩(wěn)定，易操作，鍍層結(jié)晶細致、與基體結(jié)合力好、耐蝕性高等優(yōu)點，高濃度氰化鍍鋅在貴州省的一些企業(yè)(特別是軍工企業(yè))沿用至今。氰化鍍鋅不僅含有劇毒、嚴重污染環(huán)境、安全風險大、購買手續(xù)繁瑣，而且生產(chǎn)運行成本較高，屬于國家強制性淘汰的落后生產(chǎn)工藝。

為了落實《貴陽市禁止生產(chǎn)銷售使用含磷洗滌劑規(guī)定》，貫徹執(zhí)行國家HJ/T 314–2006《清潔生產(chǎn)標準電鍍行業(yè)》，淘汰落后的氰化鍍工藝，實行清潔生產(chǎn)、循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略，達到 GB 21900–2008《電鍍污染物排放標準》的要求，某軍工企業(yè)以無氰鍍鋅取代高氰鍍鋅，通過低碳環(huán)保、規(guī)?；?、智能化生產(chǎn)，提高了勞動生產(chǎn)效率，減輕了工人勞動強度，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和低成本運行。與高氰鍍鋅–高鉻鈍化工藝相比，其無氰鍍鋅工藝有以下優(yōu)勢：鋅陽極材料占用率31.25%，每年節(jié)省資金1.9萬元，并可得到100%的利用率；清洗節(jié)水40%，每年可省5.7萬元；節(jié)電20% ～ 25%，每年節(jié)省2.7萬元；化工固體材料減少60%用量，每年可節(jié)約34.96萬元。另外，對電鍍廢水進行分質(zhì)分流、分別處理以及經(jīng)過膜反滲透處理后回用 70%，每年可節(jié)約用水49 896 t，約合12.474萬元。

2 2699型堿性鍍鋅智能化生產(chǎn)線工藝

2. 1 設計原則

(1) 新穎成熟，易操作、維護，適于智能化大批量生產(chǎn)。

(2) 節(jié)能、節(jié)材、降污、減排，符合電鍍行業(yè)清潔生產(chǎn)審核標準。

(3) 鋅鍍層和彩色鈍化膜的質(zhì)量符合或超越國家標準或ISO國際標準，包括：GB/T 9799–1997《金屬覆蓋層 鋼鐵上的鋅電鍍層》或ISO 2081:1986；GB/T 9800–1988《電鍍鋅和電鍍鎘層的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜》或ISO 4520:1981； GB/T 6458–1986《金屬覆蓋層 中性鹽霧試驗(NSS試驗)》或ISO 3768:1976；GB/T 5270–2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積層和化學沉積層附著強度試驗方法評述》或 ISO 2819:1980；GB/T 9791–2003《鋅、鎘、鋁–鋅合金和鋅–鋁合金的鉻酸鹽轉(zhuǎn)化膜 試驗方法》或 ISO 3613:2000；鋅鍍層氫脆性應符合超高強度鋼延遲破壞試驗要求。

2. 2 生產(chǎn)規(guī)模和設備產(chǎn)能

以產(chǎn)品鐵基鉸鏈零件鍍鋅為例，年生產(chǎn)設計規(guī)模2 340 t(按每件200 g、10 cm2計)，直線型智能化生產(chǎn)線每7 h的設計產(chǎn)能為32 000 ～ 36 000 dm2(按10 μm/件計)，設計鍍鋅槽液12 800 L(2 000 mm × 1 000 mm × 1 000 mm的鍍槽8只)。

2. 3 工藝流程

上掛─化學除油─逆流水洗 2道─除銹─逆流水洗 2道─陽極電解除油─逆流水洗 2道─浸堿液─2699鍍鋅─逆流水洗2道─出光(0.5% HNO3)─純水逆流清洗2道─CH彩色鈍化(或144三價鈍厚膜鈍化)─純水逆流清洗2道─熱水清洗(60 ～ 70 °C)─下線─烘干─檢驗─裝箱。

2. 3. 1 化學除油

選用 CH-903金屬無磷化學除油粉取代傳統(tǒng)的除油工藝(后者由氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸三鈉、硅酸鈉以及表面活劑組成)，維護簡單、穩(wěn)定，不但可節(jié)省固體化學品用量 60%，而且除油后零件的水洗性好，用水量少。該CH-903系列除油粉和后續(xù)的CBF-9105型酸洗添加劑是2010年5月國家環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會推薦的無磷酸鹽、生物降解高的綠色環(huán)保產(chǎn)品，具有強滲透、乳化、分散功能，脫脂除油效果好。

除油液組成及操作條件如下：

除油槽輔助設施：

(1) 陰極移動，用于提高除油效率，3 ～ 4 m/min。

(2) 除油過濾機，每小時循環(huán)2 ～ 3次，提高脫脂除油效果和延長使用壽命。

2. 3. 2 酸洗除銹

選用CBF-XY-9105A型酸洗除銹液取代傳統(tǒng)的單一鹽酸。該酸洗液能有效地抑制酸洗過程中產(chǎn)生的酸霧及氯化氫等有毒氣體的逸出，其氯化氫的去除率為91%，使用壽命長，利用率高，酸洗速度快，有效避免了工件表面過腐蝕和氫脆現(xiàn)象的產(chǎn)生。

酸洗液組成及操作條件如下：

2. 3. 3 陽極電解除油

選用 CH-902無磷電解除油粉取代傳統(tǒng)的“三鈉鹽”除油，工藝易維護，常溫操作，可節(jié)省化學品用量60%，水洗性好，用水少。

陽極電解除油液的組成及操作條件如下：

2. 3. 4 浸堿液

增加浸堿工序是為了在零件表面附上一層導電的堿液膜，不僅避免了在下一道工序鍍鋅時沖稀鍍液的堿含量，而且加快了零件進入鍍槽時鋅的瞬時沉積速度，從而細化晶粒，增強鍍層與基體的附著力。

浸堿的槽液組成及操作條件如下：

2. 3. 5 無氰鍍鋅

根據(jù)零件結(jié)構特點和產(chǎn)品質(zhì)量要求，選用2699新型無氰堿性鍍鋅工藝。與其他同類堿性鍍鋅工藝相比，該工藝在相同金屬鋅的濃度下能夠保證獲得較高的沉積速率(施鍍20 min得鍍層厚度8 mm)，在高、低電流密度區(qū)都有非常均勻的厚度，鍍液具有很好的分散能力，鍍層結(jié)晶細致、外觀光亮、附著力好，氫脆試驗以及耐蝕性試驗結(jié)果可與高氰化物鍍鋅層媲美。因此，該工藝完全可以取代高氰鍍鋅傳統(tǒng)工藝。

鍍液組成及操作條件如下：

司托克斯嘗試將象限引入科學研究的劃分中,根據(jù)基礎和應用兩個標準,將科學研究劃分至四個象限中。[注] [美]司托克斯:《基礎科學與技術創(chuàng)新:巴斯德象限》,周春彥、谷春立譯,北京:科學出版社, 1999年,第63頁。然而,無論是線性的劃分,還是四象限劃分,研究動機的劃分基礎均是“追求基礎原理”和“解決現(xiàn)實問題”。我們查閱調(diào)查報告,找到了日本高被引論文作者和普通論文作者對“追求基礎原理”和“解決現(xiàn)實問題”兩方面重要程度的認知情況,整理出“非常重要”這一選項的比例,如表1所示。

鍍槽輔助設施：

(1) 加熱和冷卻設備，確保鍍液的穩(wěn)定性。

(2) 陰極移動裝置，3 ～ 4 m/min，以消除濃差極化，提高電流密度，加速電沉積。

(3) 循環(huán)過濾裝置，每小時循環(huán)2 ～ 3次，凈化槽液，確保鍍層質(zhì)量。

(4) 開關電源，紋波系數(shù)≤1%，輸出電壓0 ～ 12 V，輸出電流0 ～ 2 000 A，軟啟動，可提高鍍液分散能力和覆蓋能力。

(5) 溶鋅槽(溶積2 000 L)，將鋅錠裝入鐵籃后掛入其中，鋅在氫氧化鈉溶液的作用下發(fā)生化學和電化學溶解，使鋅離子濃度增加，通過濾泵進入各鍍槽中循環(huán)。同時在溶解槽中配置冷卻裝置，始終保持各鍍槽溶液中鋅離子濃度的一致。鍍槽中不掛鋅陽極板而只掛不銹鋼或鐵板作陽極，從而節(jié)省 60%的鋅材料占用率，節(jié)省了固定資產(chǎn)，同時鋅陽極材料可得到100%的利用，符合清潔生產(chǎn)審核標準要求，而且避免了因鋅陽極直接掛在鍍槽中時不斷溶解，其表面積與陰極面積比縮小而引起鍍液和鍍層質(zhì)量故障。

2. 3. 6 出光

2. 3. 7 鈍化

2. 3. 7. 1 彩虹色鈍化

CH低鉻鈍化液組成及操作條件如下：

鈍化槽輔助設施：

(1) 加溫裝置：防止冬季槽液溫度低而影響鈍化效果。

(2) 機械移動裝置，3 ～ 4 m/min。

(3) pH自動控制裝置，用以穩(wěn)定鈍化液，確保鈍化膜質(zhì)量。

2. 3. 7. 2 三價鉻厚膜彩色鈍化工藝

選用 144三價鉻彩色鈍化工藝，所得鈍化膜耐中性鹽霧試驗達到72 h以上，主要針對出口到歐盟國家的鍍鋅件，避免鍍層中含有六價鉻。

144三價鉻鈍化液組成及操作條件如下：

鈍化槽輔助設施：

(1) 加溫裝置，自動控制在(55 ± 5) °C。

(2) 機械移動裝置，3 ～ 4 m/min。

(3) pH自動檢測和自動加料調(diào)整。

2. 4 廢水治理與回用

每天一班制最大產(chǎn)能為54 000 dm2，即540 m2，按每平方米用水量 0.5 t計算，每天產(chǎn)生的廢水量為270 t，其中含鉻廢水45 t，除油廢水90 t，酸洗廢水90 t，鍍鋅堿性廢水45 t。通過分質(zhì)分流和膜反滲透等技術處理，設計回用70%(每天只用新鮮水81 t)，主要回用于沖廁、澆花，前處理除油、酸洗以及鍍鋅出槽后的清洗等，每天可節(jié)水189 t，節(jié)省472.5元(按2.5元/t計)，每月節(jié)省10 395元(按22個工作日計)，每年節(jié)省約124 740元，大大降低了電鍍廢水處理成本。

2. 5 綜合成本分析

2. 5. 1 帶出損耗

以每天一班制(8 h)生產(chǎn)54 000 dm2鍍鋅件(厚度10 μm)為例，2699型無氰堿性鍍鋅工藝與傳統(tǒng)高氰鍍鋅工藝相比較，零件表面從各槽中帶出損耗和槽液直接材料成本估算見表1。

一班制鍍鋅零件從鍍槽和鈍化槽中帶出損耗的氰化鈉和鉻酐的量，以及處理含氰、含鉻廢水所需材料的直接成本估算見表2。

從表1和表2可以看出，采用傳統(tǒng)的高氰電鍍鋅和高鉻彩色鈍化工藝技術的直接帶出損耗成本為1 443.20元，含鉻、含氰廢水處理的直接材料成本是563.04元，兩項合計2 006.24元。而采用2699型無氰堿性鍍鋅和CH低鉻彩色鈍化工藝技術，按帶出損耗計算的直接成本是675.22元，處理含鉻廢水的直接成本是6.77元，兩項合計681.99元。2699型鍍鋅工藝的帶出損失及由此產(chǎn)生的處理費用之和是傳統(tǒng)氰化鍍鋅工藝的34%。如果一班制生產(chǎn)，每月(按22天計)可節(jié)省29 133.50元，每年可節(jié)省34.96萬元。

表1 生產(chǎn)54 000 dm2零件時槽液帶出損耗的估算Table 1 Estimation of drag-out loss in production of 54 000 dm2 of workpiece

表2 處理含氰、含鉻廢水的直接成本估算Table 2 Estimation of direct cost for treatment of cyanide and chromium-containing wastewater

2. 5. 2 陽極利用率

按傳統(tǒng)工藝，8只鍍槽需掛700 mm × 100 mm × 50 mm的鋅陽極板128塊，重1 280 kg。而采用新工藝，溶鋅槽僅用鋅錠400 kg，少用了880 kg，節(jié)省19 360元，并且鋅陽極材料得到100%利用，達到了清潔生產(chǎn)審核的要求。

2. 5. 3 節(jié)水效果

采用無磷環(huán)保除油粉替代傳統(tǒng)的除油材料，以及采用低鉻鈍化劑取代傳統(tǒng)的高鉻鈍化材料，可減少化工材料固體物 60%。由于無磷除油粉的水洗性好，低鉻鈍化所用清洗水少，而且在工序上采用了逆流清洗，因此可節(jié)約水 40%。智能化生產(chǎn)線設計每天一班制產(chǎn)能為540 m2，用水量按0.5 t/m2計，每天為270 t，可節(jié)水108 t，每月(按22天工作日計)節(jié)水2 376 t，每年為28 512 t。工業(yè)用水按2元/t計，每年節(jié)省5.7萬元，從而達到了清潔生產(chǎn)審核的用水標準。

2. 5. 4 節(jié)電效果

電鍍鋅電源采用高頻逆變開關電源，可節(jié)電20% ～25%，生產(chǎn)實際用輸出電流1 200 A、電壓10 V，有效工作時間按6 h計，每天一班制，1臺高頻開關電源用電量72 kW·h，8臺共用576 kW·h，平均每天可節(jié)約129.6 kW·h，1個月(按22天工作日計)是2 851.2 kW·h，1年可節(jié)約用電34 214.4 kW·h，按電價0.8元/(kW·h)計，約2.7萬元。

3 結(jié)語

根據(jù)工廠鍍鋅零件的結(jié)構特點以及鍍層質(zhì)量指標，按照清潔生產(chǎn)、節(jié)能減排的要求，采用2699堿性鍍鋅工藝、CH-903系列無磷環(huán)保除油粉以及低鉻鈍化等替代工藝，并以溶鋅槽掛鋅陽極替代鍍槽中掛鋅陽極的傳統(tǒng)方式，采用逆流清洗替代單槽清洗，使用高頻逆變開關電鍍電源，不但低碳環(huán)保，而且每年可節(jié)省45.26萬元。

Design of automatic production line for low-carbon and environmentally-friendly alkaline zinc plating process //

WANG Chao-ming

The principle and foundation of cyanide-free zinc plating process design for military industry were described. The process flow of Type-2699 intellectualized alkaline zinc plating production line was introduced, including chemical degreasing, pickling, anodic electrodegreasing, alkaline immersion, zinc plating, bright dipping with nitric acid, iridescent passivation or thick-layer trivalent chromium passivation, hot water rinsing, drying, inspection and packaging. The bath composition and technological conditions of individual procedure were presented. The running cost of the process and a high-cyanide one were compared from the aspects of bath drag-out and wastewater treatment. The practice proved that the Type-2699 alkaline zinc plating process features high deposit quality, good bath stability, and low production cost, having advantages of low carbon and environmental friendliness.

cyanide-free alkaline zinc plating; automatic production line; design; cost; environmental protection

TQ153.15

A

1004 – 227X (2011) 09 – 0016 – 05

2011–01–10

王朝銘（1952–），男，貴州綏陽縣人，畢業(yè)于北京航空航天大學金屬腐蝕與防腐專業(yè)，原長征電器電鍍廠技術廠長，高級工程師，貴陽表面工程行業(yè)協(xié)會理事長，中國表面工程協(xié)會清潔生產(chǎn)指導委員會委員，長期從事表面處理新技術應用、環(huán)保新技術應用研究及工業(yè)園區(qū)建設等工作。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) htddcl@qq.com；(Tel) 13984278788。

[ 編輯：溫靖邦 ]