低碳環保型堿性鍍鋅自動生產線工藝設計

王朝銘

（貴陽表面工程行業協會，貴州 遵義 563002）

低碳環保型堿性鍍鋅自動生產線工藝設計

王朝銘

（貴陽表面工程行業協會，貴州 遵義 563002）

闡述了某軍工企業無氰鍍鋅工藝設計秉持的原則和依據。介紹了 2699型堿性鍍鋅智能化生產線的工藝流程，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量，槽液穩定，生產成本低，具有低碳、環保的優勢。

無氰堿性鍍鋅；自動生產線；設計；成本；環保

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，對雜質不太敏感，穩定，易操作，鍍層結晶細致、與基體結合力好、耐蝕性高等優點，高濃度氰化鍍鋅在貴州省的一些企業(特別是軍工企業)沿用至今。氰化鍍鋅不僅含有劇毒、嚴重污染環境、安全風險大、購買手續繁瑣，而且生產運行成本較高，屬于國家強制性淘汰的落后生產工藝。

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

2 2699型堿性鍍鋅智能化生產線工藝

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。

(2) 節能、節材、降污、減排，符合電鍍行業清潔生產審核標準。

(3) 鋅鍍層和彩色鈍化膜的質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 生產規模和設備產能

以產品鐵基鉸鏈零件鍍鋅為例，年生產設計規模2 340 t(按每件200 g、10 cm2計)，直線型智能化生產線每7 h的設計產能為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、穩定，不但可節省固體化學品用量 60%，而且除油后零件的水洗性好，用水量少。該CH-903系列除油粉和后續的CBF-9105型酸洗添加劑是2010年5月國家環境保護產業協會推薦的無磷酸鹽、生物降解高的綠色環保產品，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的單一鹽酸。該酸洗液能有效地抑制酸洗過程中產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象的產生。

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的“三鈉鹽”除油，工藝易維護，常溫操作，可節省化學品用量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

根據零件結構特點和產品質量要求，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、低電流密度區都有非常均勻的厚度，鍍液具有很好的分散能力，鍍層結晶細致、外觀光亮、附著力好，氫脆試驗以及耐蝕性試驗結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“解決現實問題”。我們查閱調查報告,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) 循環過濾裝置，每小時循環2 ～ 3次，凈化槽液，確保鍍層質量。

(4) 開關電源，紋波系數≤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。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，從而節省 60%的鋅材料占用率，節省了固定資產，同時鋅陽極材料可得到100%的利用，符合清潔生產審核標準要求，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，用以穩定鈍化液，確保鈍化膜質量。

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整。

2. 4 廢水治理與回用

每天一班制最大產能為54 000 dm2，即540 m2，按每平方米用水量 0.5 t計算，每天產生的廢水量為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，每天可節水189 t，節省472.5元(按2.5元/t計)，每月節省10 395元(按22個工作日計)，每年節省約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生的處理費用之和是傳統氰化鍍鋅工藝的34%。如果一班制生產，每月(按22天計)可節省29 133.50元，每年可節省34.96萬元。

表1 生產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，節省19 360元，并且鋅陽極材料得到100%利用，達到了清潔生產審核的要求。

2. 5. 3 節水效果

采用無磷環保除油粉替代傳統的除油材料，以及采用低鉻鈍化劑取代傳統的高鉻鈍化材料，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，因此可節約水 40%。智能化生產線設計每天一班制產能為540 m2，用水量按0.5 t/m2計，每天為270 t，可節水108 t，每月(按22天工作日計)節水2 376 t，每年為28 512 t。工業用水按2元/t計，每年節省5.7萬元，從而達到了清潔生產審核的用水標準。

2. 5. 4 節電效果

電鍍鋅電源采用高頻逆變開關電源，可節電20% ～25%，生產實際用輸出電流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年可節約用電34 214.4 kW·h，按電價0.8元/(kW·h)計，約2.7萬元。

3 結語

根據工廠鍍鋅零件的結構特點以及鍍層質量指標，按照清潔生產、節能減排的要求，采用2699堿性鍍鋅工藝、CH-903系列無磷環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，不但低碳環保，而且每年可節省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，畢業于北京航空航天大學金屬腐蝕與防腐專業，原長征電器電鍍廠技術廠長，高級工程師，貴陽表面工程行業協會理事長，中國表面工程協會清潔生產指導委員會委員，長期從事表面處理新技術應用、環保新技術應用研究及工業園區建設等工作。

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

[ 編輯：溫靖邦 ]