表面处理厂房的清洁生产设计

庄宏波， 付 明， 马宇洛

(1.中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120;2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009)

表面处理厂房的清洁生产设计

庄宏波1， 付 明2， 马宇洛2

(1.中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120;2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳471009)

结合目前国内外表面处理行业发展的现状及国家有关最新行业标准发展动态，介绍了表面处理厂房设计建设过程中清洁生产实践的一些最新应用动态，分析论述了生产装备、生产环境及生产工艺改进的最新设备和技术，并对表面处理行业发展方向进行了展望。

表面处理厂房;清洁生产;电镀污染物排放标准;生产工艺

引 言

表面处理行业可为产品工件提供不同的表面性能，如装饰性、耐腐蚀性、功能性及耐磨性，同时还可以制造复杂的异型零、组件等，这是其他行业加工工艺所不能达到的。因此，表面处理产业在整个工业体系中具有不可取代的地位，特别是在航空、航天及军工行业，由于产品功能性的特殊需求，表面处理所占的比重非常明显。在我国，由于传统的表面处理工艺存在“高污染、高能耗、低效率”，设备系统属非标性质，相对其他行业比较落后，导致了国内表面处理行业技术的发展速度比国外同行要相对慢一些［1］。

随着环境保护形势的日益严峻和国家对环保工作的日益重视，新一轮国家环境保护标准相继出台。《清洁生产标准 电镀行业》(HJ/T314-2006)，于2006年11月22日由国家环境保护总局发布，2007年2月1日起实施。同时，对于许多搬迁、新建及扩建的电镀企业，地方电镀协会配合环保部门进行了清洁生产审核前置，就是利用清洁生产的标准去衡量搬迁、新建及扩建的企业在场地、建筑、工艺、设备及环保设施设计方案是否符合清洁生产的要求。

HJ/T314-2006标准给出了电镀行业生产过程清洁生产水平的三级技术指标:一级为国际清洁生产先进水平;二级为国内清洁生产先进水平;三级为国内清洁生产基本水平［2］。航空、航天及军工行业表面处理生产线的设计和建设目前多按二级清洁生产水平指标(即国内清洁生产先进水平)进行设计，同时积极向一级水平(国际清洁生产先进水平)靠拢。从生产装备、生产工艺、资源利用指标、镀件带出液污染物产生指标和环境管理要求等多方面采取改进措施。

1 生产装备升级换代

表面处理行业生产装备由于具有非标设备性质，结构比较复杂。根据生产特点可分为自动生产线和手动生产线两种。自动生产线在采用新技术方面具有较大优势。但由于航空、航天及军工行业产品表面处理存在多品种、小批量及性能要求高的特点，手动生产线被大量采用。近年来，手动生产线采用新技术，新工艺，封闭式一体化，电流、温度及时间等工艺参数自动监控等措施，提高了生产效率与加工中的过程控制与质量的可追溯性。

1.1 手工生产线一体化设计应用

传统的表面处理生产线都是单个独立的子体系机械连接而成，存在生产线零乱、不美观及系统内部浪费较大等问题。目前一种较先进的封闭式一体化生产线在航空航天制造业得到广泛应用，减少污染物挥发量，整体美观大方。

这种生产线要求槽体安装槽盖，有效控制污染物挥发。槽盖可手工或自动开启，采用PP塑料经注塑方法成型，拼装式结构，各部分可设计成不同颜色，提高表面处理生产线的感观度。槽盖轴和轴承座采用尼龙材料，提高防腐功能。生产线辅助设备如过滤机采用固定式安装、采用电加热，电控系统集中设置在一层，现场只有显示与调解部分便于参数控制与现场管理。

槽侧安装护板，用于统一生产线外型，安装控制显示终端和控制线路，并可防止意外撞击槽体。生产线上的镀槽布置整齐有序，让杂乱无章的散放状态的镀槽组成一个有机的系统和整体，通过加装装饰板和综合控制柜等整体式设计，使电镀车间的设备更加符合清洁生产的要求。手动生产线设备示意图如图1所示。

图1 手动生产线实例

较多表面处理厂房采用二层建筑结构形式，便于及时排除污染物泄漏隐患，并能节省用地。该结构形式改变了传统的平面布置为立体垂直布置。表面处理生产线主体布置在第二层，相关管线(抽风、给排水、压缩空气、蒸汽管路和电路等)及配套设施布置在第一层，与第二层的槽体相连接。从第二层看这部分设施为暗辅设，美观大方;从第一层看为明辅设，便于检修，可及时排除管线中污染物泄漏隐患，较好地满足清洁生产的要求。二层建筑形式表面处理厂房一层实例如图2所示。

图2 二层建筑表面处理厂房一层实例

1.2 手动生产线计算机系统应用

长期以来，航空、航天行业手动生产线的温度、时间及整流器参数控制不规范，无法追溯并监控。近年来，新建表面处理厂房单独设远程控制装置。采用中央监控系统对电镀生产全过程进行集中控制，计算机输入温度、时间及整流电源参数。控制器为数字触摸式、防腐型。工作温度、时间、整流器及除氢炉参数由计算机系统自动记录、存储和打印，并可与中央计算机网络控制系统相连接。同时，手动生产线控制手段积极向自动控制靠拢。操作计算机可实现对工作现场的控制，对工艺进行选择，控制输送设备自动运行、设定，输入重要工艺参数，如槽液温度、电流、电压及时间，并进行自动控制。表面处理生产线中央监控系统如图3所示。

图3 表面处理生产线中央监控系统

1.3 电镀零件清洗方式改进

新建表面处理厂房，根据工艺采用多级逆流漂洗、喷淋及喷雾清洗等多种节水措施，取消单槽清洗方式。采用回收清洗减少镀件带出液，有效减少污染。据测定，采用三级逆流清洗是单槽清洗用水量的10% ～20%;喷淋清洗可减少60% ～70%的用水量。

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实践中，较多采用高效清洗装置如增加喷雾、喷淋清洗及空气搅拌清洗等;镀槽上方增加喷淋回收装置;用电导传感器控制清洗水水质;安装节流阀和流量计;自动清洗节水装置(如脚踏开关或光敏电触点开关控制水流);自动控制装置(如设置溶液循环装置、pH自动控制、添加剂和镀液成分自动分析补加装置等)。同时，弱酸浸后的清洗水可用于碱洗后的清洗。

1.4 整流电源

整流电源大部分采用高频开关电源及脉冲电源，淘汰高能耗装备，符合节能要求。高频开关电源用量在逐步扩大，其主要原因是高频开关电源具有节能和可靠性高等优点。采用脉冲电源，如镀金、镀银等贵金属电镀，有利于提高镀层质量，节省金属材料。在普通阳极氧化方面，采用脉冲电源可提高电流密度，缩短氧化时间(可节电5%);硬质阳极化工艺采用脉冲叠加专用电源，获得的氧化膜硬度高，均匀性好，成膜速度快，合格率高等优点，且可获得厚膜及可实现选定最佳工艺参数的全过程自动控制。故脉冲电源已得到广泛应用。

2 生产环境和管理符合清洁生产要求

新建表面处理厂房，生产环境和管理要求符合国家和地方有关环境法律、法规，污染物排放按照国家最新颁布的强制标准《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)执行，满足清洁生产要求。

2.1 电镀车间采用封闭式环境

近年来，新建表面处理厂房开始采用封闭式环境的形式。部分电镀车间屋顶采用较新颖的封闭罩形式，替代传统的天窗形式。同时为保证排风效果，屋顶加设一定数量防腐风机。如华东地区某厂新建的表面处理厂房，电镀区敷设吊顶，冬天设置加温系统，吹送暖风，并预留夏天制冷系统，极大地改善了工人的劳动环境，对保证生产质量也起到较好的作用。电镀厂房屋顶形式如图4所示。

图4 电镀厂房屋顶封闭罩及防腐风机实例

2.2 完善废水、废气净化处理

清洁生产明确提出，要求设计完善的废水和废气净化处理设施且有效运行。废气净化方面，除含铬废气、强酸(如浓硝酸)废气等严格要求在排出前净化处理外，碱性废气、低浓度酸性废气及含氰废气等所有污染气体均要求设计完善的废气净化处理设施。要求产生空气污染物的生产工艺装置必须设立局部气体收集系统和集中净化处理装置，净化后的气体由排气筒排放。排气筒高度不低于15m，排放含氰气体的排气筒高度不低于25m。排气筒高度应高出周围200m半径范围的建筑5m以上;不能达到该要求高度的排气筒，应按国家允许的排放浓度限值的50%执行。同时，实践中要求在排气筒顶端设检测口及检测平台。废气净化设施如图5所示。

图5 废气净化设施实例

废水净化方面，《电镀污染物排放标准》(GB21900-2008)提出单位产品基准排水量，对每平方米镀件镀层的基准排水量作出规定。若单位产品实际排水量超过单位产品基准排水量，则按相应公式执行更严格的国家允许排放浓度限值。目前，一般按含氰、铬、氟、镍和酸碱以及地面废水等进行分类分别处理，处理方法多种多样，其中又以比较成熟的化学法居多，简单易行。目前多数新建表面处理生产线废水回用比例控制在50%左右，用途多为表面处理生产线前处理工序清洗用水、表面处理厂房地面冲洗及景观用水等。

2.3 严格控制资源利用指标

严格控制锌、装饰铬和硬铬中铬酐的利用率;严格控制新鲜水用量≤0.1～0.5t/m2。以前大部分企业采取的是车间采购和管理的粗放型生产模式，对车间的考核主要集中在生产任务的完成或经济效益的提高与否上面，原材料和辅材等的采购和使用没有得到有效控制，于是造成浪费及对环境的过度污染。为此，一些企业采用物流中心的概念，对原材料实行统一采购和分配使用的原则，取得较好的效果。清洁生产标准中规定了各镀种(含后处理工艺)镀件带出液污染物产生的指标(末端处理前)，并明确提出为减少镀件带出液，要求采用两种以上减少带出液的措施。

新建表面处理厂房，采用槽液回收、多级逆流漂洗及喷淋清洗等措施，严格限制镀件带出液污染物指标。设置带出液回收工序。实践中各企业采取各种措施，如:1)适用镀种的镀槽后设回收槽，有的设二级或多级回收;2)镀件出槽停留时间要求规范，普遍偏短;可设槽侧回收斗、镀槽上方加气吹装置或设计自由伸缩型悬挂支架来延长停留时间，以充分回收槽液，否则致使槽液带出量明显增多。3)工艺槽之间设挡液板(也称过桥)或滴液槽，以免造成槽液大量流失。

2.4 厂房环境

新建表面处理厂房多将排风风机及废气净化系统布置在天井内，且用装饰隔断封闭，整体美观。表面处理厂房外侧如图6所示。

图6 表面处理厂房外立面实例

近年来出现风机及净化系统设在表面处理厂房内的形式，处理后的空气集中通过“井”式通道在厂房顶部排出;在厂房内设置废气处理装置，并与抽风机组和送风机组连锁联动。装挂工作台、吹干工作台、烘箱和直流电源等配套设备不在电镀区随意排布，而是通过专设房间的方式加以解决，保证厂房内整齐、美观、有序。设专用准备装挂间和烘箱间，中间过程上挂具工位和吹干工位合并在生产线上解决，采用整体式生产线，电镀用槽不再散放，整齐美观。设整流电源间，整流电源相对集中布置在无腐蚀气体侵入的专用房间，有利于延长直流电源设备的使用寿命，并可选用价格较低，体积较小，维护较方便的空气冷却电源。

3 生产工艺改进

清洁生产强调从源头减少污染，而电镀生产的源头就是工艺方法。我国电镀工作者进行了大量研究工作，已有不少行之有效的电镀新工艺、新技术应用于生产。如镀前处理及化学处理工艺中的中温和常温除油、无黄烟铝件和铜件化学抛光、钢件中温和常温磷化、钢件常温氧化及铝件常温阳极氧化等［3］。

航空、航天等行业新建表面处理厂房基本采用低毒、低浓度及低能耗工艺，部分生产工艺由于军工工艺特殊要求采用低氰工艺(其中电镀金、银、铜基合金及予镀铜工艺，根据发改委40号令，暂缓淘汰)，无高污染工艺。采用氯化钾镀锌工艺替代氰化镀锌工艺，采用镀锌-镍合金替代高污染的镀镉工艺。工艺趋向低毒、低浓度、低能耗及少用络合剂;淘汰重污染化学品，如铅、镉及汞等。取消高氰镀锌、高Cr(Ⅵ)钝化等高污染工艺，采用低氰电镀工艺，同时无氰镀锌等清洁生产工艺的调研和工艺实验已经陆续展开。航空、航天及军工行业应改变传统思路，通过调研和不断实验，积极采用先进清洁生产工艺，以提高表面处理行业清洁生产技术水平。

总之，表面处理车间将通过不断改进设计、使用清洁的能源和原料、采用先进的工艺技术与设备、改善管理及综合利用等措施，从源头削减污染，提高资源利用效率，减少或避免生产、服务和产品使用过程中污染物的产生和排放，以减轻或者消除对人类健康和环境的危害。

4 结果与讨论

经济发展对环境带来的负面影响已为世界所认知。许多国家因而制定了相应的法律法规以限制或禁止有毒有害物质的使用、强化报废产品的回收利用，推行循环经济，减少污染物排放，并改善空气、水资源以及土壤质量。下一个工业革命将会是“绿色革命”，这给表面处理行业的可持续发展提出了更高的技术要求。

随着人们对产品表面性能要求的不断提高，表面处理行业必须不断提高镀层质量及其稳定性。更重要的是，随着自然环境压力和全社会环保意识的提高，电镀企业必须以可持续发展的方式经营和管理。新技术的不断出现、现有技术的不断改良将会帮助人们达到以上两个方面的要求。因此，只要表面处理行业以技术发展作为最核心的战略发展方向，同时辅以管理水平、客户服务及员工素质等方面的综合提高，就能获得广阔的发展空间。

作为我国航空制造业主要组成的表面处理行业提出了新的和更高的要求和发展空间。航空制造业新建表面处理生产线，必须顺应“可持续发展”的新思路，积极响应和贯彻国家节能减排的政策，在生产工艺改进方面加大力度，不断创新;减少重复建设，承担社会责任;加强管理，领社会之先。

［1］Oswald Igel，吴雪颖，高俊健.电镀及表面处理工业的目标、趋势及远景［J］.电镀与涂饰，2008，28(7):1-3.

［2］HJ/T314-2006，清洁生产标准 电镀行业［S］.

［3］张允诚，胡如南，向荣，等.电镀手册［M］.第4版，北京:国防工业出版社，2011:941-943.

Cleaner Production Design of Surface Treatment Building

ZHUANG Hong-bo1，FU Ming2，MA Yu-luo2
(1.China Aviation Planning And Construction Development Co.，LTD，Beijing 100120，China;2.China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China)

Refer to the current status of surface treatment development at home and abroad and the new industry standard in our country，this paper introduces the new application of cleaner production during the design and construction of surface treatment building in aviation industry.It analyses the new equipments and technology of plant-scale equipments，the production environment and productive technology improvement，and puts forwards the trends of the development in surface treatment industry.

surface treatment building;cleaner production;emission standard of pollutants for electroplating;productive technology

TQ630.4

B

1001-3849(2012)09-0029-05

2012-06-12

2012-07-11