劉仁志

(武漢風帆表面工程有限公司，湖北武漢 430015)

未來的電鍍模式和若干可能的技術改進方案

劉仁志

(武漢風帆表面工程有限公司，湖北武漢 430015)

由于電鍍行業(yè)所面臨的環(huán)境和資源問題，傳統(tǒng)電鍍模式需要技術創(chuàng)新來加以改善。基于這種思考，提出了一種可能的未來的電鍍模式和若干可能的技術改進方案，包括無水清洗、功能陽極和鍍液成份自動控制、單一參數(shù)的自動控制和電流密度的自動控制等。

電鍍模式;創(chuàng)新;無水清洗;功能陽極

引言

電鍍行業(yè)發(fā)展到今天，無論是電鍍設備還是電鍍工藝，都有了很大的進步。特別是鍍液配方技術、電鍍原材料生產(chǎn)制造技術和電鍍設備及自動化技術，包括輔助設備、測試設備及環(huán)保設備等，已經(jīng)形成了當代電鍍制造的產(chǎn)業(yè)鏈，為滿足現(xiàn)代制造的需要而發(fā)揮著重要的作用。

但是，目前現(xiàn)代電鍍技術的發(fā)展與進步，仍然是基于傳統(tǒng)電鍍技術和工藝上的改進，沒有從根本上改變電鍍生產(chǎn)過程的模式。與其它現(xiàn)代制造技術相比，仍然處在相對落后的局面。要改變這種局面，還需要電鍍技術的進一步創(chuàng)新，以適應建立資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的電鍍業(yè)的需要。

當前電鍍模式的主要缺點是物料嚴重不平衡。特別是流程中都要用到大量的清洗水，且主要是流動水清洗。這些清水在用過后變?yōu)榕欧潘畷r，水中已經(jīng)溶解有各種有用和有害的物質。如果直接排放，不僅污染環(huán)境，而且也流失了金屬鹽等有用的物質。改變這種需用大量清洗水的傳統(tǒng)電鍍生產(chǎn)模式，應該是主要的技術目標，并且是需要有創(chuàng)新思維，才有可能有所突破的目標。在電鍍模式上創(chuàng)新，已經(jīng)成為一個重要的技術課題。

盡管存在這樣一些問題，現(xiàn)在的電鍍產(chǎn)業(yè)鏈，尚能基本滿足當前現(xiàn)代制造的需要。但是，與迅速發(fā)展的現(xiàn)代制造技術的進步和市場對技術反饋速度的要求相比，電鍍業(yè)仍有些力不從心。特別是在環(huán)境友好方面，電鍍業(yè)正面臨著很大的壓力。而供應鏈中成本的不平衡更是令電鍍業(yè)嚴重受挫。這種不平衡的主要表現(xiàn)是原材料上漲的同時，加工價格卻不斷下降。這使得一直粗放管理的電鍍業(yè)在管理上開始下功夫，以提高企業(yè)的效益。清潔生產(chǎn)的一個重要理念是首先推進無費用或低費用方案，這是針對企業(yè)面臨的成本壓力而制定的措施。而在方案的征集過程中，最重要的是鼓勵創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方案。

1 未來的電鍍模式之一

現(xiàn)在的電鍍模式需要大量用水。而水資源則已經(jīng)成為越來越稀缺的資源。電鍍生產(chǎn)過程中不僅僅有大量的水流失，而且與水一起排出的還有許多金屬離子等污染環(huán)境的物質。既浪費資源，又影響環(huán)境。因此，電鍍業(yè)要想可持續(xù)發(fā)展，就一定要在技術上有所突破。而技術方面的突破最需要的是技術創(chuàng)新。特別是電鍍模式的創(chuàng)新。

未來的電鍍模式是一個什么樣子，圖1就是一個可能的例子。這是未來可能的電鍍模式之一［1］。

這個模式與傳統(tǒng)電鍍模式的不同首先表現(xiàn)在設備的高集成化。在這種模式中，電鍍加工已經(jīng)成為一種與機械加工中心一樣的智能型一體機。從一邊輸入待加工產(chǎn)品，經(jīng)過機內(nèi)的加工流程，從另一邊就可以輸出產(chǎn)品。其關鍵是電鍍物料和力能的輸入和輸出做到了良性的平衡，使電鍍加工中消耗的物料和排放物都在機內(nèi)處理完成，分類回收利用，只將不能處理的余料送往專門的處理設備再做處理。

圖1 未來的電鍍自動生產(chǎn)裝置

這種模式使人們印象中的水淋淋的表面加工工藝加工模式變成了機械模式。是人們理想中的加工中心模式。實現(xiàn)這種模式的現(xiàn)代控制技術和設備制造技術是完全可行的。關鍵是電鍍工藝的加工過程本身還存在一些技術難題，使這種一體化機模式難以實現(xiàn)。其次是這種設備的成本以當前的技術為背景，成本會非常高，一般電鍍加工企業(yè)不能承受。但是相信這不是一個主要障礙。只要在技術上是可行的，則降低系統(tǒng)成本的路子很快就會走出來。

這個模式有一個重要技術改進是電鍍清洗不是用的清洗水，而是清洗液。這是一個重要的創(chuàng)新點。如果采用一種高效而又宜于回收的液體代替清洗水，這種設備的體積和效率就會大大提高。

同時，可以采用非水溶液電沉積技術，這也是可以采用非水溶液清洗的一個組合模式。這些采用功能液體的電鍍體系是全封閉無排放的系統(tǒng)。采用分離后回用或綜合利用的技術來使電鍍過程成為無害和節(jié)約型過程。

2 電鍍技術的其它創(chuàng)新方案

2.1 工藝控制技術的改進

1)單一參數(shù)的自動控制

對于一個確定的電鍍工藝，在生產(chǎn)過程中對其工藝參數(shù)進行控制是一項很重要的工作。電鍍生產(chǎn)過程的質量和效率，就是由這種控制來保證的。但是，現(xiàn)在的電鍍過程控制，主要是靠人工進行，存在較大偏差和隨意性。

為了防止因為人工失誤導致的質量事故，對某些參量已經(jīng)采取了一些自動、半自動控制措施，比如溫度自動控制。這是已經(jīng)應用較多的單一參數(shù)自動控制系統(tǒng)。最常見的是接點式的溫度自動控制裝置?，F(xiàn)在則普遍采用電子式溫度傳感器與電磁繼電器開關聯(lián)動控制加熱裝置。

時間報警，可以對電鍍時間進行呼叫控制。防止超時或提前出槽。對需要精確控制電鍍時間的則可以與電源裝置聯(lián)動，到時間就切斷電源。但是對于裝飾性電鍍或在斷電后制品在鍍液中會發(fā)生變化的鍍種，還需要與自動出槽裝置配合，斷電后保證鍍件提出槽外，放入回收或者清洗槽。這些單一參數(shù)控制系統(tǒng)是已經(jīng)實現(xiàn)了的技術模式。但是，對于電流密度變化的控制、表面狀態(tài)的監(jiān)測，則基本上仍然是依靠人工進行。而電流密度的控制和表面狀態(tài)的觀察，恰是電鍍工藝控制和質量管理的關鍵。

2)電流密度的自動控制

電流密度的控制與電鍍制品的表面積有直接關系。電鍍加工現(xiàn)場往往是根據(jù)圖紙上標注的尺寸估算制件表面積，當沒有圖紙時，則是根據(jù)對制品進行測量來計算表面積，這有時比看圖紙更可靠。但很多時候則是憑經(jīng)驗估算表面積，再根據(jù)試鍍情況調整。這顯然有很大隨意性，不可能保持電流密度在最佳工藝范圍?，F(xiàn)在已經(jīng)有電腦三維掃描技術，并且可以很方便地獲取三維圖形的表面積。將這一技術應用到電鍍過程，對陰極(電鍍產(chǎn)品)進行掃描，從而獲得被鍍件表面積，再輸出給電流密度控制設備，指令其按設定的電流密度操作，電鍍過程中比照所獲表面積信息，隨時將電流密度調整到設定的參數(shù)內(nèi)。這樣無論是新產(chǎn)品表面積還是電鍍過程中表面積的微觀變化，都可以由這種表面積測量設備測出，然后輸出到相應的處理器，變成控制信號，將電鍍過程中的電流密度參數(shù)，保持在最佳的狀態(tài)。這是現(xiàn)代自動控制技術完全可以做到的事。

3)表面狀態(tài)在線觀察

在傳統(tǒng)電鍍過程中，表面狀態(tài)的觀察是由人工定時將電鍍中的產(chǎn)品從鍍槽中取出來進行觀察，以便發(fā)現(xiàn)問題，及時加以糾正。但是這種觀察由于斷電而容易引發(fā)結合力問題，對于多掛具的或大件的產(chǎn)品，取一部分出槽不僅有操作困難，還會因鍍槽中陰極表面積的變動而影響施鍍產(chǎn)品的質量。因此，電鍍過程中又希望盡可能少地取出鍍件來觀察。這可以說是電鍍過程控制中的一個兩難的問題。

在鍍液中安裝視頻監(jiān)控裝置，或利用能夠掃描表面的傳感器，可以直接或間接獲取電鍍過程中的表面狀態(tài)。將視頻信號傳送到顯示屏，不用將電鍍件提出鍍槽，就可以直觀地獲得鍍件表面的電鍍狀況，從而根據(jù)表面狀況對相應工藝參數(shù)做出調整。這種直接觀測動態(tài)表面的技術，可以說是一種在線觀察。需要解決的是在鍍液中能“看清”表面的攝像頭。特別是有些鍍液的顏色較深、濃度較高，用普通攝像頭是難以獲取準確信息的。

2.2 鍍液管理技術的改進

鍍液的管理主要是指對鍍液成分及狀態(tài)的管理。目前鍍液成份的管理主要是依靠人工定期取樣進行分析。分析的手段有化學分析和儀器分析。根據(jù)分析的結果對鍍液進行管理，補加或調整鍍液中的成分。由于鍍液成分較多，通常只對主鹽和其它重要的成分比如配位劑、導電鹽和對鍍層有重要影響的指定成分等進行分析。至于雜質的影響、少量或微量添加劑的影響，通常用霍爾槽等其它測試手段進行分析。重要的鍍液也有用光譜分析或微電子方法進行分析。這些分析都是從鍍液中取樣，單獨進行分析，再將分析結果拿來指導對鍍液的管理。顯然，這些方法費時間，成本高，并且不及時，除非停止生產(chǎn)等待結果再做處理;否則，等分析結果出來時，鍍槽中的狀態(tài)已經(jīng)又發(fā)生了變化。

要想解決這個問題，只有實現(xiàn)在線的即時監(jiān)測，才能做到對鍍液的變化做出及時的反應。因此，實現(xiàn)鍍液即時監(jiān)測是鍍液管理的重要課題。

鍍液成分自動控制的原理如圖2所示。

圖2 電鍍液及鍍液組分自動補加系統(tǒng)

由圖2可知，由傳感器收集到的鍍液成分變化經(jīng)信息處理后，指令控制器動作，根據(jù)信息要求將鍍液或者鍍液中某種成分通過添加器，自動添加到鍍槽中。

目前，除了pH可以用這種系統(tǒng)做到在線監(jiān)測和自動調整以外，鍍液的其它成分的在線監(jiān)測和自動補加系統(tǒng)在開發(fā)當中。以現(xiàn)在的科技水平來看，實現(xiàn)這種在線分析和監(jiān)測的技術本身是成熟的。只是由于鍍液成分復雜，干擾因素較多，獲取單一成分信息難度很大。但是實現(xiàn)對某種特定離子的識別，比如主鹽金屬離子等，應該還是存在可能性的。

隨著傳感器技術的進步，特別是離子選擇性電極的應用，可以排除其它離子干擾的新一代傳感電極將會在電鍍液的在線即時監(jiān)控中，發(fā)揮作用。

一旦實現(xiàn)了信息采集方面的突破，則鍍液成分自動補加系統(tǒng)即是一件相對簡單的事情。將各種用于添加或調整的成分分別置于專用的容器內(nèi)，用導管與受濃度信息指令控制的電磁閥相聯(lián)接，就可以根據(jù)指令進行定量的補加。

2.3 關于新型功能性陽極的設想

目前，人們對不溶性陽極的認識仍認為是一種不得已的選擇。理想陽極是導電而又可以提供金屬離子的。但是如果以創(chuàng)新思維來看待不溶性陽極，就可以設想將其作為載體來實現(xiàn)理想陽極的功能。所設想的功能性陽極應具有以下幾種功能:

1)兼做熱交換器或物理波源用的不溶性陽極

可利用這種不溶性陽極在導電的同時，與電解液交換熱量(加溫或降溫)、發(fā)出超聲波或其它物理波等。使不溶性陽極兼有力能傳導功能，這樣做可節(jié)約鍍槽空間。提高鍍槽體積效率的同時，降低設備綜合成本。同時，有利于改善一次電流分布。

2)向鍍液自動添加光亮劑或添加劑的陽極

將不溶性陽極制成中間有一定空間體積的板式容器。容器內(nèi)可以裝進用于往鍍槽添加的鍍液添加劑。從而使這種不溶性陽極成為自動補加系統(tǒng)的一個部件，同樣是提高鍍槽設備效率的較好方案。這種中空的陽極，像一個箱子，中間可以裝入補加成分。同時安置一個控制指令接收與發(fā)送系統(tǒng)，可以根據(jù)指令向電解液內(nèi)釋放添加劑。或補加其它調整鍍液輔助成分的添加物。圖3是這種陽極的一個示例。

3)自動補加鍍液成分的陽極

在上述自動補加添加劑的不溶性陽極的基礎上，可以將這種不溶性陽極分成幾組，在各自的中空室內(nèi)盛有主鹽或輔助鹽等的濃縮液，從而實現(xiàn)根據(jù)傳感器的指令向鍍液補加所需要的成分。

實現(xiàn)這些功能的電子自動控制技術已經(jīng)非常成熟。關鍵是電鍍液成分分析的自動化和傳感器技術還沒有跟上。全面的鍍液補加自動化難度較大。但是首先對主鹽等單一成分的自動補加控制是完全可行的，但需要將其與陽極技術聯(lián)接起來。

圖3 根據(jù)指令自動補充鍍液成分的陽極

3 結語

技術創(chuàng)新是現(xiàn)代制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動力。作為現(xiàn)代制造技術中重要分支之一的電鍍技術同樣需要技術創(chuàng)新。通過對一種可能的電鍍新模式的描述和對若干可行的技術創(chuàng)新課題的討論，可以期待在不久的將來，會有類似的技術和裝置應用到電鍍生產(chǎn)流程中，并激發(fā)更多富有想象力和實用性的新的電鍍技術。

［1］劉仁志.現(xiàn)代電鍍手冊［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2010:876-878.

Future Electroplating Mode and Possible Technological Improvement Programs

LIU Ren-zhi
(Wuhan Fengfan Surface Engineering Co.，Ltd.WuHan 430015，China)

As the environmental and resource problems faced by electroplating industry，the traditional plating modes require technological innovation to resolve.Based on this consideration，a possible future plating mode and a number of possible technical improvement programs，including no water cleaning，functional anode and automatic control of electrolyte components current density and single parameter，were put forward.

electroplating mode;innovation;no water cleaning;functional anode

文獻標識碼:A

1001-3849(2010)10-0021-04

2010-04-27

:2010-06-30