低碳环保型碱性镀锌自动生产线工艺设计

王朝铭

（贵阳表面工程行业协会，贵州 遵义 563002）

低碳环保型碱性镀锌自动生产线工艺设计

王朝铭

（贵阳表面工程行业协会，贵州 遵义 563002）

阐述了某军工企业无氰镀锌工艺设计秉持的原则和依据。介绍了 2699型碱性镀锌智能化生产线的工艺流程，其主要包括：化学除油，除锈，阳极电解除油，浸碱液，镀锌，硝酸出光，彩色钝化或三价铬厚膜钝化，热水洗，烘干，检验，装箱。给出了各工序的溶液组成及工艺条件。从槽液带出损失及废水处理方面，比较了该工艺与高氰镀锌工艺的运行成本。实践证明，2699型碱性镀锌工艺可确保镀层质量，槽液稳定，生产成本低，具有低碳、环保的优势。

无氰碱性镀锌；自动生产线；设计；成本；环保

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

1 前言

众所周知，氰化镀锌液具有分散能力和覆盖能力好，工艺范围宽，对杂质不太敏感，稳定，易操作，镀层结晶细致、与基体结合力好、耐蚀性高等优点，高浓度氰化镀锌在贵州省的一些企业(特别是军工企业)沿用至今。氰化镀锌不仅含有剧毒、严重污染环境、安全风险大、购买手续繁琐，而且生产运行成本较高，属于国家强制性淘汰的落后生产工艺。

为了落实《贵阳市禁止生产销售使用含磷洗涤剂规定》，贯彻执行国家HJ/T 314–2006《清洁生产标准电镀行业》，淘汰落后的氰化镀工艺，实行清洁生产、循环经济战略，达到 GB 21900–2008《电镀污染物排放标准》的要求，某军工企业以无氰镀锌取代高氰镀锌，通过低碳环保、规模化、智能化生产，提高了劳动生产效率，减轻了工人劳动强度，保证了产品质量和低成本运行。与高氰镀锌–高铬钝化工艺相比，其无氰镀锌工艺有以下优势：锌阳极材料占用率31.25%，每年节省资金1.9万元，并可得到100%的利用率；清洗节水40%，每年可省5.7万元；节电20% ～ 25%，每年节省2.7万元；化工固体材料减少60%用量，每年可节约34.96万元。另外，对电镀废水进行分质分流、分别处理以及经过膜反渗透处理后回用 70%，每年可节约用水49 896 t，约合12.474万元。

2 2699型碱性镀锌智能化生产线工艺

2. 1 设计原则

(1) 新颖成熟，易操作、维护，适于智能化大批量生产。

(2) 节能、节材、降污、减排，符合电镀行业清洁生产审核标准。

(3) 锌镀层和彩色钝化膜的质量符合或超越国家标准或ISO国际标准，包括：GB/T 9799–1997《金属覆盖层 钢铁上的锌电镀层》或ISO 2081:1986；GB/T 9800–1988《电镀锌和电镀镉层的铬酸盐转化膜》或ISO 4520:1981； GB/T 6458–1986《金属覆盖层 中性盐雾试验(NSS试验)》或ISO 3768:1976；GB/T 5270–2005《金属基体上的金属覆盖层 电沉积层和化学沉积层附着强度试验方法评述》或 ISO 2819:1980；GB/T 9791–2003《锌、镉、铝–锌合金和锌–铝合金的铬酸盐转化膜 试验方法》或 ISO 3613:2000；锌镀层氢脆性应符合超高强度钢延迟破坏试验要求。

2. 2 生产规模和设备产能

以产品铁基铰链零件镀锌为例，年生产设计规模2 340 t(按每件200 g、10 cm2计)，直线型智能化生产线每7 h的设计产能为32 000 ～ 36 000 dm2(按10 μm/件计)，设计镀锌槽液12 800 L(2 000 mm × 1 000 mm × 1 000 mm的镀槽8只)。

2. 3 工艺流程

上挂─化学除油─逆流水洗 2道─除锈─逆流水洗 2道─阳极电解除油─逆流水洗 2道─浸碱液─2699镀锌─逆流水洗2道─出光(0.5% HNO3)─纯水逆流清洗2道─CH彩色钝化(或144三价钝厚膜钝化)─纯水逆流清洗2道─热水清洗(60 ～ 70 °C)─下线─烘干─检验─装箱。

2. 3. 1 化学除油

选用 CH-903金属无磷化学除油粉取代传统的除油工艺(后者由氢氧化钠、碳酸钠、磷酸三钠、硅酸钠以及表面活剂组成)，维护简单、稳定，不但可节省固体化学品用量 60%，而且除油后零件的水洗性好，用水量少。该CH-903系列除油粉和后续的CBF-9105型酸洗添加剂是2010年5月国家环境保护产业协会推荐的无磷酸盐、生物降解高的绿色环保产品，具有强渗透、乳化、分散功能，脱脂除油效果好。

除油液组成及操作条件如下：

除油槽辅助设施：

(1) 阴极移动，用于提高除油效率，3 ～ 4 m/min。

(2) 除油过滤机，每小时循环2 ～ 3次，提高脱脂除油效果和延长使用寿命。

2. 3. 2 酸洗除锈

选用CBF-XY-9105A型酸洗除锈液取代传统的单一盐酸。该酸洗液能有效地抑制酸洗过程中产生的酸雾及氯化氢等有毒气体的逸出，其氯化氢的去除率为91%，使用寿命长，利用率高，酸洗速度快，有效避免了工件表面过腐蚀和氢脆现象的产生。

酸洗液组成及操作条件如下：

2. 3. 3 阳极电解除油

选用 CH-902无磷电解除油粉取代传统的“三钠盐”除油，工艺易维护，常温操作，可节省化学品用量60%，水洗性好，用水少。

阳极电解除油液的组成及操作条件如下：

2. 3. 4 浸碱液

增加浸碱工序是为了在零件表面附上一层导电的碱液膜，不仅避免了在下一道工序镀锌时冲稀镀液的碱含量，而且加快了零件进入镀槽时锌的瞬时沉积速度，从而细化晶粒，增强镀层与基体的附着力。

浸碱的槽液组成及操作条件如下：

2. 3. 5 无氰镀锌

根据零件结构特点和产品质量要求，选用2699新型无氰碱性镀锌工艺。与其他同类碱性镀锌工艺相比，该工艺在相同金属锌的浓度下能够保证获得较高的沉积速率(施镀20 min得镀层厚度8 mm)，在高、低电流密度区都有非常均匀的厚度，镀液具有很好的分散能力，镀层结晶细致、外观光亮、附着力好，氢脆试验以及耐蚀性试验结果可与高氰化物镀锌层媲美。因此，该工艺完全可以取代高氰镀锌传统工艺。

镀液组成及操作条件如下：

司托克斯尝试将象限引入科学研究的划分中,根据基础和应用两个标准,将科学研究划分至四个象限中。[注] [美]司托克斯:《基础科学与技术创新:巴斯德象限》,周春彦、谷春立译,北京:科学出版社, 1999年,第63页。然而,无论是线性的划分,还是四象限划分,研究动机的划分基础均是“追求基础原理”和“解决现实问题”。我们查阅调查报告,找到了日本高被引论文作者和普通论文作者对“追求基础原理”和“解决现实问题”两方面重要程度的认知情况,整理出“非常重要”这一选项的比例,如表1所示。

镀槽辅助设施：

(1) 加热和冷却设备，确保镀液的稳定性。

(2) 阴极移动装置，3 ～ 4 m/min，以消除浓差极化，提高电流密度，加速电沉积。

(3) 循环过滤装置，每小时循环2 ～ 3次，净化槽液，确保镀层质量。

(4) 开关电源，纹波系数≤1%，输出电压0 ～ 12 V，输出电流0 ～ 2 000 A，软启动，可提高镀液分散能力和覆盖能力。

(5) 溶锌槽(溶积2 000 L)，将锌锭装入铁篮后挂入其中，锌在氢氧化钠溶液的作用下发生化学和电化学溶解，使锌离子浓度增加，通过滤泵进入各镀槽中循环。同时在溶解槽中配置冷却装置，始终保持各镀槽溶液中锌离子浓度的一致。镀槽中不挂锌阳极板而只挂不锈钢或铁板作阳极，从而节省 60%的锌材料占用率，节省了固定资产，同时锌阳极材料可得到100%的利用，符合清洁生产审核标准要求，而且避免了因锌阳极直接挂在镀槽中时不断溶解，其表面积与阴极面积比缩小而引起镀液和镀层质量故障。

2. 3. 6 出光

2. 3. 7 钝化

2. 3. 7. 1 彩虹色钝化

CH低铬钝化液组成及操作条件如下：

钝化槽辅助设施：

(1) 加温装置：防止冬季槽液温度低而影响钝化效果。

(2) 机械移动装置，3 ～ 4 m/min。

(3) pH自动控制装置，用以稳定钝化液，确保钝化膜质量。

2. 3. 7. 2 三价铬厚膜彩色钝化工艺

选用 144三价铬彩色钝化工艺，所得钝化膜耐中性盐雾试验达到72 h以上，主要针对出口到欧盟国家的镀锌件，避免镀层中含有六价铬。

144三价铬钝化液组成及操作条件如下：

钝化槽辅助设施：

(1) 加温装置，自动控制在(55 ± 5) °C。

(2) 机械移动装置，3 ～ 4 m/min。

(3) pH自动检测和自动加料调整。

2. 4 废水治理与回用

每天一班制最大产能为54 000 dm2，即540 m2，按每平方米用水量 0.5 t计算，每天产生的废水量为270 t，其中含铬废水45 t，除油废水90 t，酸洗废水90 t，镀锌碱性废水45 t。通过分质分流和膜反渗透等技术处理，设计回用70%(每天只用新鲜水81 t)，主要回用于冲厕、浇花，前处理除油、酸洗以及镀锌出槽后的清洗等，每天可节水189 t，节省472.5元(按2.5元/t计)，每月节省10 395元(按22个工作日计)，每年节省约124 740元，大大降低了电镀废水处理成本。

2. 5 综合成本分析

2. 5. 1 带出损耗

以每天一班制(8 h)生产54 000 dm2镀锌件(厚度10 μm)为例，2699型无氰碱性镀锌工艺与传统高氰镀锌工艺相比较，零件表面从各槽中带出损耗和槽液直接材料成本估算见表1。

一班制镀锌零件从镀槽和钝化槽中带出损耗的氰化钠和铬酐的量，以及处理含氰、含铬废水所需材料的直接成本估算见表2。

从表1和表2可以看出，采用传统的高氰电镀锌和高铬彩色钝化工艺技术的直接带出损耗成本为1 443.20元，含铬、含氰废水处理的直接材料成本是563.04元，两项合计2 006.24元。而采用2699型无氰碱性镀锌和CH低铬彩色钝化工艺技术，按带出损耗计算的直接成本是675.22元，处理含铬废水的直接成本是6.77元，两项合计681.99元。2699型镀锌工艺的带出损失及由此产生的处理费用之和是传统氰化镀锌工艺的34%。如果一班制生产，每月(按22天计)可节省29 133.50元，每年可节省34.96万元。

表1 生产54 000 dm2零件时槽液带出损耗的估算Table 1 Estimation of drag-out loss in production of 54 000 dm2 of workpiece

表2 处理含氰、含铬废水的直接成本估算Table 2 Estimation of direct cost for treatment of cyanide and chromium-containing wastewater

2. 5. 2 阳极利用率

按传统工艺，8只镀槽需挂700 mm × 100 mm × 50 mm的锌阳极板128块，重1 280 kg。而采用新工艺，溶锌槽仅用锌锭400 kg，少用了880 kg，节省19 360元，并且锌阳极材料得到100%利用，达到了清洁生产审核的要求。

2. 5. 3 节水效果

采用无磷环保除油粉替代传统的除油材料，以及采用低铬钝化剂取代传统的高铬钝化材料，可减少化工材料固体物 60%。由于无磷除油粉的水洗性好，低铬钝化所用清洗水少，而且在工序上采用了逆流清洗，因此可节约水 40%。智能化生产线设计每天一班制产能为540 m2，用水量按0.5 t/m2计，每天为270 t，可节水108 t，每月(按22天工作日计)节水2 376 t，每年为28 512 t。工业用水按2元/t计，每年节省5.7万元，从而达到了清洁生产审核的用水标准。

2. 5. 4 节电效果

电镀锌电源采用高频逆变开关电源，可节电20% ～25%，生产实际用输出电流1 200 A、电压10 V，有效工作时间按6 h计，每天一班制，1台高频开关电源用电量72 kW·h，8台共用576 kW·h，平均每天可节约129.6 kW·h，1个月(按22天工作日计)是2 851.2 kW·h，1年可节约用电34 214.4 kW·h，按电价0.8元/(kW·h)计，约2.7万元。

3 结语

根据工厂镀锌零件的结构特点以及镀层质量指标，按照清洁生产、节能减排的要求，采用2699碱性镀锌工艺、CH-903系列无磷环保除油粉以及低铬钝化等替代工艺，并以溶锌槽挂锌阳极替代镀槽中挂锌阳极的传统方式，采用逆流清洗替代单槽清洗，使用高频逆变开关电镀电源，不但低碳环保，而且每年可节省45.26万元。

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

王朝铭（1952–），男，贵州绥阳县人，毕业于北京航空航天大学金属腐蚀与防腐专业，原长征电器电镀厂技术厂长，高级工程师，贵阳表面工程行业协会理事长，中国表面工程协会清洁生产指导委员会委员，长期从事表面处理新技术应用、环保新技术应用研究及工业园区建设等工作。

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

[ 编辑：温靖邦 ]