劉仁志

(武漢風(fēng)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(shù)改進(jìn)方案

劉仁志

(武漢風(fēng)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(shù)創(chuàng)新來加以改善?；谶@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(shù)改進(jìn)方案，包括無水清洗、功能陽極和鍍液成份自動(dòng)控制、單一參數(shù)的自動(dòng)控制和電流密度的自動(dòng)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(shè)備還是電鍍工藝，都有了很大的進(jìn)步。特別是鍍液配方技術(shù)、電鍍原材料生產(chǎn)制造技術(shù)和電鍍設(shè)備及自動(dòng)化技術(shù)，包括輔助設(shè)備、測試設(shè)備及環(huán)保設(shè)備等，已經(jīng)形成了當(dāng)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(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，仍然是基于傳統(tǒng)電鍍技術(shù)和工藝上的改進(jìn)，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(shù)相比，仍然處在相對(duì)落后的局面。要改變這種局面，還需要電鍍技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新，以適應(yīng)建立資源節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展的電鍍業(yè)的需要。

當(dāng)前電鍍模式的主要缺點(diǎn)是物料嚴(yán)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(dòng)水清洗。這些清水在用過后變?yōu)榕欧潘畷r(shí)，水中已經(jīng)溶解有各種有用和有害的物質(zhì)。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(zhì)。改變這種需用大量清洗水的傳統(tǒng)電鍍生產(chǎn)模式，應(yīng)該是主要的技術(shù)目標(biāo)，并且是需要有創(chuàng)新思維，才有可能有所突破的目標(biāo)。在電鍍模式上創(chuàng)新，已經(jīng)成為一個(gè)重要的技術(shù)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(dāng)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(shù)的進(jìn)步和市場對(duì)技術(shù)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(yīng)鏈中成本的不平衡更是令電鍍業(yè)嚴(yán)重受挫。這種不平衡的主要表現(xiàn)是原材料上漲的同時(shí)，加工價(jià)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(gè)重要理念是首先推進(jìn)無費(fèi)用或低費(fèi)用方案，這是針對(duì)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(lì)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(zhì)。既浪費(fèi)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(shù)上有所突破。而技術(shù)方面的突破最需要的是技術(shù)創(chuàng)新。特別是電鍍模式的創(chuàng)新。

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

這個(gè)模式與傳統(tǒng)電鍍模式的不同首先表現(xiàn)在設(shè)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(jī)械加工中心一樣的智能型一體機(jī)。從一邊輸入待加工產(chǎn)品，經(jīng)過機(jī)內(nèi)的加工流程，從另一邊就可以輸出產(chǎn)品。其關(guān)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(jī)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(shè)備再做處理。

圖1 未來的電鍍自動(dòng)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(jī)械模式。是人們理想中的加工中心模式。實(shí)現(xiàn)這種模式的現(xiàn)代控制技術(shù)和設(shè)備制造技術(shù)是完全可行的。關(guān)鍵是電鍍工藝的加工過程本身還存在一些技術(shù)難題，使這種一體化機(jī)模式難以實(shí)現(xiàn)。其次是這種設(shè)備的成本以當(dāng)前的技術(shù)為背景，成本會(huì)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(gè)主要障礙。只要在技術(shù)上是可行的，則降低系統(tǒng)成本的路子很快就會(huì)走出來。

這個(gè)模式有一個(gè)重要技術(shù)改進(jìn)是電鍍清洗不是用的清洗水，而是清洗液。這是一個(gè)重要的創(chuàng)新點(diǎn)。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(shè)備的體積和效率就會(huì)大大提高。

同時(shí)，可以采用非水溶液電沉積技術(shù)，這也是可以采用非水溶液清洗的一個(gè)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(shù)來使電鍍過程成為無害和節(jié)約型過程。

2 電鍍技術(shù)的其它創(chuàng)新方案

2.1 工藝控制技術(shù)的改進(jìn)

1)單一參數(shù)的自動(dòng)控制

對(duì)于一個(gè)確定的電鍍工藝，在生產(chǎn)過程中對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行控制是一項(xiàng)很重要的工作。電鍍生產(chǎn)過程的質(zhì)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(jìn)行，存在較大偏差和隨意性。

為了防止因?yàn)槿斯なд`導(dǎo)致的質(zhì)量事故，對(duì)某些參量已經(jīng)采取了一些自動(dòng)、半自動(dòng)控制措施，比如溫度自動(dòng)控制。這是已經(jīng)應(yīng)用較多的單一參數(shù)自動(dòng)控制系統(tǒng)。最常見的是接點(diǎn)式的溫度自動(dòng)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(guān)聯(lián)動(dòng)控制加熱裝置。

時(shí)間報(bào)警，可以對(duì)電鍍時(shí)間進(jìn)行呼叫控制。防止超時(shí)或提前出槽。對(duì)需要精確控制電鍍時(shí)間的則可以與電源裝置聯(lián)動(dòng)，到時(shí)間就切斷電源。但是對(duì)于裝飾性電鍍或在斷電后制品在鍍液中會(huì)發(fā)生變化的鍍種，還需要與自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了的技術(shù)模式。但是，對(duì)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(jìn)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(zhì)量管理的關(guān)鍵。

2)電流密度的自動(dòng)控制

電流密度的控制與電鍍制品的表面積有直接關(guān)系。電鍍加工現(xiàn)場往往是根據(jù)圖紙上標(biāo)注的尺寸估算制件表面積，當(dāng)沒有圖紙時(shí)，則是根據(jù)對(duì)制品進(jìn)行測量來計(jì)算表面積，這有時(shí)比看圖紙更可靠。但很多時(shí)候則是憑經(jīng)驗(yàn)估算表面積，再根據(jù)試鍍情況調(diào)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。現(xiàn)在已經(jīng)有電腦三維掃描技術(shù)，并且可以很方便地獲取三維圖形的表面積。將這一技術(shù)應(yīng)用到電鍍過程，對(duì)陰極(電鍍產(chǎn)品)進(jìn)行掃描，從而獲得被鍍件表面積，再輸出給電流密度控制設(shè)備，指令其按設(shè)定的電流密度操作，電鍍過程中比照所獲表面積信息，隨時(shí)將電流密度調(diào)整到設(shè)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(shè)備測出，然后輸出到相應(yīng)的處理器，變成控制信號(hào)，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(dòng)控制技術(shù)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(shí)將電鍍中的產(chǎn)品從鍍槽中取出來進(jìn)行觀察，以便發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)加以糾正。但是這種觀察由于斷電而容易引發(fā)結(jié)合力問題，對(duì)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(huì)因鍍槽中陰極表面積的變動(dòng)而影響施鍍產(chǎn)品的質(zhì)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(gè)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(hào)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(duì)相應(yīng)工藝參數(shù)做出調(diào)整。這種直接觀測動(dòng)態(tài)表面的技術(shù)，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(zhǔn)確信息的。

2.2 鍍液管理技術(shù)的改進(jìn)

鍍液的管理主要是指對(duì)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(jìn)行分析。分析的手段有化學(xué)分析和儀器分析。根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)鍍液進(jìn)行管理，補(bǔ)加或調(diào)整鍍液中的成分。由于鍍液成分較多，通常只對(duì)主鹽和其它重要的成分比如配位劑、導(dǎo)電鹽和對(duì)鍍層有重要影響的指定成分等進(jìn)行分析。至于雜質(zhì)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(jìn)行分析。重要的鍍液也有用光譜分析或微電子方法進(jìn)行分析。這些分析都是從鍍液中取樣，單獨(dú)進(jìn)行分析，再將分析結(jié)果拿來指導(dǎo)對(duì)鍍液的管理。顯然，這些方法費(fèi)時(shí)間，成本高，并且不及時(shí)，除非停止生產(chǎn)等待結(jié)果再做處理;否則，等分析結(jié)果出來時(shí)，鍍槽中的狀態(tài)已經(jīng)又發(fā)生了變化。

要想解決這個(gè)問題，只有實(shí)現(xiàn)在線的即時(shí)監(jiān)測，才能做到對(duì)鍍液的變化做出及時(shí)的反應(yīng)。因此，實(shí)現(xiàn)鍍液即時(shí)監(jiān)測是鍍液管理的重要課題。

鍍液成分自動(dòng)控制的原理如圖2所示。

圖2 電鍍液及鍍液組分自動(dòng)補(bǔ)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(dòng)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(dòng)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(dòng)調(diào)整以外，鍍液的其它成分的在線監(jiān)測和自動(dòng)補(bǔ)加系統(tǒng)在開發(fā)當(dāng)中。以現(xiàn)在的科技水平來看，實(shí)現(xiàn)這種在線分析和監(jiān)測的技術(shù)本身是成熟的。只是由于鍍液成分復(fù)雜，干擾因素較多，獲取單一成分信息難度很大。但是實(shí)現(xiàn)對(duì)某種特定離子的識(shí)別，比如主鹽金屬離子等，應(yīng)該還是存在可能性的。

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

一旦實(shí)現(xiàn)了信息采集方面的突破，則鍍液成分自動(dòng)補(bǔ)加系統(tǒng)即是一件相對(duì)簡單的事情。將各種用于添加或調(diào)整的成分分別置于專用的容器內(nèi)，用導(dǎo)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(jìn)行定量的補(bǔ)加。

2.3 關(guān)于新型功能性陽極的設(shè)想

目前，人們對(duì)不溶性陽極的認(rèn)識(shí)仍認(rèn)為是一種不得已的選擇。理想陽極是導(dǎo)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(shè)想將其作為載體來實(shí)現(xiàn)理想陽極的功能。所設(shè)想的功能性陽極應(yīng)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(dǎo)電的同時(shí)，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(dǎo)功能，這樣做可節(jié)約鍍槽空間。提高鍍槽體積效率的同時(shí)，降低設(shè)備綜合成本。同時(shí)，有利于改善一次電流分布。

2)向鍍液自動(dòng)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(jìn)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(dòng)補(bǔ)加系統(tǒng)的一個(gè)部件，同樣是提高鍍槽設(shè)備效率的較好方案。這種中空的陽極，像一個(gè)箱子，中間可以裝入補(bǔ)加成分。同時(shí)安置一個(gè)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?；蜓a(bǔ)加其它調(diào)整鍍液輔助成分的添加物。圖3是這種陽極的一個(gè)示例。

3)自動(dòng)補(bǔ)加鍍液成分的陽極

在上述自動(dòng)補(bǔ)加添加劑的不溶性陽極的基礎(chǔ)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(shí)現(xiàn)根據(jù)傳感器的指令向鍍液補(bǔ)加所需要的成分。

實(shí)現(xiàn)這些功能的電子自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟。關(guān)鍵是電鍍液成分分析的自動(dòng)化和傳感器技術(shù)還沒有跟上。全面的鍍液補(bǔ)加自動(dòng)化難度較大。但是首先對(duì)主鹽等單一成分的自動(dòng)補(bǔ)加控制是完全可行的，但需要將其與陽極技術(shù)聯(lián)接起來。

圖3 根據(jù)指令自動(dòng)補(bǔ)充鍍液成分的陽極

3 結(jié)語

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

［1］劉仁志.現(xiàn)代電鍍手冊［M］.北京:化學(xué)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1001-3849(2010)10-0021-04

2010-04-27

:2010-06-30