表面處理廠房的清潔生產設計

莊宏波， 付 明， 馬宇洛

(1.中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120;2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009)

表面處理廠房的清潔生產設計

莊宏波1， 付 明2， 馬宇洛2

(1.中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120;2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽471009)

結合目前國內外表面處理行業發展的現狀及國家有關最新行業標準發展動態，介紹了表面處理廠房設計建設過程中清潔生產實踐的一些最新應用動態，分析論述了生產裝備、生產環境及生產工藝改進的最新設備和技術，并對表面處理行業發展方向進行了展望。

表面處理廠房;清潔生產;電鍍污染物排放標準;生產工藝

引 言

表面處理行業可為產品工件提供不同的表面性能，如裝飾性、耐腐蝕性、功能性及耐磨性，同時還可以制造復雜的異型零、組件等，這是其他行業加工工藝所不能達到的。因此，表面處理產業在整個工業體系中具有不可取代的地位，特別是在航空、航天及軍工行業，由于產品功能性的特殊需求，表面處理所占的比重非常明顯。在我國，由于傳統的表面處理工藝存在“高污染、高能耗、低效率”，設備系統屬非標性質，相對其他行業比較落后，導致了國內表面處理行業技術的發展速度比國外同行要相對慢一些［1］。

隨著環境保護形勢的日益嚴峻和國家對環保工作的日益重視，新一輪國家環境保護標準相繼出臺。《清潔生產標準 電鍍行業》(HJ/T314-2006)，于2006年11月22日由國家環境保護總局發布，2007年2月1日起實施。同時，對于許多搬遷、新建及擴建的電鍍企業，地方電鍍協會配合環保部門進行了清潔生產審核前置，就是利用清潔生產的標準去衡量搬遷、新建及擴建的企業在場地、建筑、工藝、設備及環保設施設計方案是否符合清潔生產的要求。

HJ/T314-2006標準給出了電鍍行業生產過程清潔生產水平的三級技術指標:一級為國際清潔生產先進水平;二級為國內清潔生產先進水平;三級為國內清潔生產基本水平［2］。航空、航天及軍工行業表面處理生產線的設計和建設目前多按二級清潔生產水平指標(即國內清潔生產先進水平)進行設計，同時積極向一級水平(國際清潔生產先進水平)靠攏。從生產裝備、生產工藝、資源利用指標、鍍件帶出液污染物產生指標和環境管理要求等多方面采取改進措施。

1 生產裝備升級換代

表面處理行業生產裝備由于具有非標設備性質，結構比較復雜。根據生產特點可分為自動生產線和手動生產線兩種。自動生產線在采用新技術方面具有較大優勢。但由于航空、航天及軍工行業產品表面處理存在多品種、小批量及性能要求高的特點，手動生產線被大量采用。近年來，手動生產線采用新技術，新工藝，封閉式一體化，電流、溫度及時間等工藝參數自動監控等措施，提高了生產效率與加工中的過程控制與質量的可追溯性。

1.1 手工生產線一體化設計應用

傳統的表面處理生產線都是單個獨立的子體系機械連接而成，存在生產線零亂、不美觀及系統內部浪費較大等問題。目前一種較先進的封閉式一體化生產線在航空航天制造業得到廣泛應用，減少污染物揮發量，整體美觀大方。

這種生產線要求槽體安裝槽蓋，有效控制污染物揮發。槽蓋可手工或自動開啟，采用PP塑料經注塑方法成型，拼裝式結構，各部分可設計成不同顏色，提高表面處理生產線的感觀度。槽蓋軸和軸承座采用尼龍材料，提高防腐功能。生產線輔助設備如過濾機采用固定式安裝、采用電加熱，電控系統集中設置在一層，現場只有顯示與調解部分便于參數控制與現場管理。

槽側安裝護板，用于統一生產線外型，安裝控制顯示終端和控制線路，并可防止意外撞擊槽體。生產線上的鍍槽布置整齊有序，讓雜亂無章的散放狀態的鍍槽組成一個有機的系統和整體，通過加裝裝飾板和綜合控制柜等整體式設計，使電鍍車間的設備更加符合清潔生產的要求。手動生產線設備示意圖如圖1所示。

圖1 手動生產線實例

較多表面處理廠房采用二層建筑結構形式，便于及時排除污染物泄漏隱患，并能節省用地。該結構形式改變了傳統的平面布置為立體垂直布置。表面處理生產線主體布置在第二層，相關管線(抽風、給排水、壓縮空氣、蒸汽管路和電路等)及配套設施布置在第一層，與第二層的槽體相連接。從第二層看這部分設施為暗輔設，美觀大方;從第一層看為明輔設，便于檢修，可及時排除管線中污染物泄漏隱患，較好地滿足清潔生產的要求。二層建筑形式表面處理廠房一層實例如圖2所示。

圖2 二層建筑表面處理廠房一層實例

1.2 手動生產線計算機系統應用

長期以來，航空、航天行業手動生產線的溫度、時間及整流器參數控制不規范，無法追溯并監控。近年來，新建表面處理廠房單獨設遠程控制裝置。采用中央監控系統對電鍍生產全過程進行集中控制，計算機輸入溫度、時間及整流電源參數。控制器為數字觸摸式、防腐型。工作溫度、時間、整流器及除氫爐參數由計算機系統自動記錄、存儲和打印，并可與中央計算機網絡控制系統相連接。同時，手動生產線控制手段積極向自動控制靠攏。操作計算機可實現對工作現場的控制，對工藝進行選擇，控制輸送設備自動運行、設定，輸入重要工藝參數，如槽液溫度、電流、電壓及時間，并進行自動控制。表面處理生產線中央監控系統如圖3所示。

圖3 表面處理生產線中央監控系統

1.3 電鍍零件清洗方式改進

新建表面處理廠房，根據工藝采用多級逆流漂洗、噴淋及噴霧清洗等多種節水措施，取消單槽清洗方式。采用回收清洗減少鍍件帶出液，有效減少污染。據測定，采用三級逆流清洗是單槽清洗用水量的10% ～20%;噴淋清洗可減少60% ～70%的用水量。

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實踐中，較多采用高效清洗裝置如增加噴霧、噴淋清洗及空氣攪拌清洗等;鍍槽上方增加噴淋回收裝置;用電導傳感器控制清洗水水質;安裝節流閥和流量計;自動清洗節水裝置(如腳踏開關或光敏電觸點開關控制水流);自動控制裝置(如設置溶液循環裝置、pH自動控制、添加劑和鍍液成分自動分析補加裝置等)。同時，弱酸浸后的清洗水可用于堿洗后的清洗。

1.4 整流電源

整流電源大部分采用高頻開關電源及脈沖電源，淘汰高能耗裝備，符合節能要求。高頻開關電源用量在逐步擴大，其主要原因是高頻開關電源具有節能和可靠性高等優點。采用脈沖電源，如鍍金、鍍銀等貴金屬電鍍，有利于提高鍍層質量，節省金屬材料。在普通陽極氧化方面，采用脈沖電源可提高電流密度，縮短氧化時間(可節電5%);硬質陽極化工藝采用脈沖疊加專用電源，獲得的氧化膜硬度高，均勻性好，成膜速度快，合格率高等優點，且可獲得厚膜及可實現選定最佳工藝參數的全過程自動控制。故脈沖電源已得到廣泛應用。

2 生產環境和管理符合清潔生產要求

新建表面處理廠房，生產環境和管理要求符合國家和地方有關環境法律、法規，污染物排放按照國家最新頒布的強制標準《電鍍污染物排放標準》(GB21900-2008)執行，滿足清潔生產要求。

2.1 電鍍車間采用封閉式環境

近年來，新建表面處理廠房開始采用封閉式環境的形式。部分電鍍車間屋頂采用較新穎的封閉罩形式，替代傳統的天窗形式。同時為保證排風效果，屋頂加設一定數量防腐風機。如華東地區某廠新建的表面處理廠房，電鍍區敷設吊頂，冬天設置加溫系統，吹送暖風，并預留夏天制冷系統，極大地改善了工人的勞動環境，對保證生產質量也起到較好的作用。電鍍廠房屋頂形式如圖4所示。

圖4 電鍍廠房屋頂封閉罩及防腐風機實例

2.2 完善廢水、廢氣凈化處理

清潔生產明確提出，要求設計完善的廢水和廢氣凈化處理設施且有效運行。廢氣凈化方面，除含鉻廢氣、強酸(如濃硝酸)廢氣等嚴格要求在排出前凈化處理外，堿性廢氣、低濃度酸性廢氣及含氰廢氣等所有污染氣體均要求設計完善的廢氣凈化處理設施。要求產生空氣污染物的生產工藝裝置必須設立局部氣體收集系統和集中凈化處理裝置，凈化后的氣體由排氣筒排放。排氣筒高度不低于15m，排放含氰氣體的排氣筒高度不低于25m。排氣筒高度應高出周圍200m半徑范圍的建筑5m以上;不能達到該要求高度的排氣筒，應按國家允許的排放濃度限值的50%執行。同時，實踐中要求在排氣筒頂端設檢測口及檢測平臺。廢氣凈化設施如圖5所示。

圖5 廢氣凈化設施實例

廢水凈化方面，《電鍍污染物排放標準》(GB21900-2008)提出單位產品基準排水量，對每平方米鍍件鍍層的基準排水量作出規定。若單位產品實際排水量超過單位產品基準排水量，則按相應公式執行更嚴格的國家允許排放濃度限值。目前，一般按含氰、鉻、氟、鎳和酸堿以及地面廢水等進行分類分別處理，處理方法多種多樣，其中又以比較成熟的化學法居多，簡單易行。目前多數新建表面處理生產線廢水回用比例控制在50%左右，用途多為表面處理生產線前處理工序清洗用水、表面處理廠房地面沖洗及景觀用水等。

2.3 嚴格控制資源利用指標

嚴格控制鋅、裝飾鉻和硬鉻中鉻酐的利用率;嚴格控制新鮮水用量≤0.1～0.5t/m2。以前大部分企業采取的是車間采購和管理的粗放型生產模式，對車間的考核主要集中在生產任務的完成或經濟效益的提高與否上面，原材料和輔材等的采購和使用沒有得到有效控制，于是造成浪費及對環境的過度污染。為此，一些企業采用物流中心的概念，對原材料實行統一采購和分配使用的原則，取得較好的效果。清潔生產標準中規定了各鍍種(含后處理工藝)鍍件帶出液污染物產生的指標(末端處理前)，并明確提出為減少鍍件帶出液，要求采用兩種以上減少帶出液的措施。

新建表面處理廠房，采用槽液回收、多級逆流漂洗及噴淋清洗等措施，嚴格限制鍍件帶出液污染物指標。設置帶出液回收工序。實踐中各企業采取各種措施，如:1)適用鍍種的鍍槽后設回收槽，有的設二級或多級回收;2)鍍件出槽停留時間要求規范，普遍偏短;可設槽側回收斗、鍍槽上方加氣吹裝置或設計自由伸縮型懸掛支架來延長停留時間，以充分回收槽液，否則致使槽液帶出量明顯增多。3)工藝槽之間設擋液板(也稱過橋)或滴液槽，以免造成槽液大量流失。

2.4 廠房環境

新建表面處理廠房多將排風風機及廢氣凈化系統布置在天井內，且用裝飾隔斷封閉，整體美觀。表面處理廠房外側如圖6所示。

圖6 表面處理廠房外立面實例

近年來出現風機及凈化系統設在表面處理廠房內的形式，處理后的空氣集中通過“井”式通道在廠房頂部排出;在廠房內設置廢氣處理裝置，并與抽風機組和送風機組連鎖聯動。裝掛工作臺、吹干工作臺、烘箱和直流電源等配套設備不在電鍍區隨意排布，而是通過專設房間的方式加以解決，保證廠房內整齊、美觀、有序。設專用準備裝掛間和烘箱間，中間過程上掛具工位和吹干工位合并在生產線上解決，采用整體式生產線，電鍍用槽不再散放，整齊美觀。設整流電源間，整流電源相對集中布置在無腐蝕氣體侵入的專用房間，有利于延長直流電源設備的使用壽命，并可選用價格較低，體積較小，維護較方便的空氣冷卻電源。

3 生產工藝改進

清潔生產強調從源頭減少污染，而電鍍生產的源頭就是工藝方法。我國電鍍工作者進行了大量研究工作，已有不少行之有效的電鍍新工藝、新技術應用于生產。如鍍前處理及化學處理工藝中的中溫和常溫除油、無黃煙鋁件和銅件化學拋光、鋼件中溫和常溫磷化、鋼件常溫氧化及鋁件常溫陽極氧化等［3］。

航空、航天等行業新建表面處理廠房基本采用低毒、低濃度及低能耗工藝，部分生產工藝由于軍工工藝特殊要求采用低氰工藝(其中電鍍金、銀、銅基合金及予鍍銅工藝，根據發改委40號令，暫緩淘汰)，無高污染工藝。采用氯化鉀鍍鋅工藝替代氰化鍍鋅工藝，采用鍍鋅-鎳合金替代高污染的鍍鎘工藝。工藝趨向低毒、低濃度、低能耗及少用絡合劑;淘汰重污染化學品，如鉛、鎘及汞等。取消高氰鍍鋅、高Cr(Ⅵ)鈍化等高污染工藝，采用低氰電鍍工藝，同時無氰鍍鋅等清潔生產工藝的調研和工藝實驗已經陸續展開。航空、航天及軍工行業應改變傳統思路，通過調研和不斷實驗，積極采用先進清潔生產工藝，以提高表面處理行業清潔生產技術水平。

總之，表面處理車間將通過不斷改進設計、使用清潔的能源和原料、采用先進的工藝技術與設備、改善管理及綜合利用等措施，從源頭削減污染，提高資源利用效率，減少或避免生產、服務和產品使用過程中污染物的產生和排放，以減輕或者消除對人類健康和環境的危害。

4 結果與討論

經濟發展對環境帶來的負面影響已為世界所認知。許多國家因而制定了相應的法律法規以限制或禁止有毒有害物質的使用、強化報廢產品的回收利用，推行循環經濟，減少污染物排放，并改善空氣、水資源以及土壤質量。下一個工業革命將會是“綠色革命”，這給表面處理行業的可持續發展提出了更高的技術要求。

隨著人們對產品表面性能要求的不斷提高，表面處理行業必須不斷提高鍍層質量及其穩定性。更重要的是，隨著自然環境壓力和全社會環保意識的提高，電鍍企業必須以可持續發展的方式經營和管理。新技術的不斷出現、現有技術的不斷改良將會幫助人們達到以上兩個方面的要求。因此，只要表面處理行業以技術發展作為最核心的戰略發展方向，同時輔以管理水平、客戶服務及員工素質等方面的綜合提高，就能獲得廣闊的發展空間。

作為我國航空制造業主要組成的表面處理行業提出了新的和更高的要求和發展空間。航空制造業新建表面處理生產線，必須順應“可持續發展”的新思路，積極響應和貫徹國家節能減排的政策，在生產工藝改進方面加大力度，不斷創新;減少重復建設，承擔社會責任;加強管理，領社會之先。

［1］Oswald Igel，吳雪穎，高俊健.電鍍及表面處理工業的目標、趨勢及遠景［J］.電鍍與涂飾，2008，28(7):1-3.

［2］HJ/T314-2006，清潔生產標準 電鍍行業［S］.

［3］張允誠，胡如南，向榮，等.電鍍手冊［M］.第4版，北京:國防工業出版社，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