溶鋅技術(shù)在無氰堿性鍍鋅中的應(yīng)用

張小勇

（河南北方星光機(jī)電有限責(zé)任公司，河南 鄧州 474150）

【經(jīng)驗(yàn)交流】

溶鋅技術(shù)在無氰堿性鍍鋅中的應(yīng)用

張小勇

（河南北方星光機(jī)電有限責(zé)任公司，河南 鄧州 474150）

介紹了溶鋅工藝的原理及在無氰堿性鍍鋅中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)制作了溶鋅設(shè)備，并對(duì)鍍槽中的碳素鋼陽極加以改進(jìn)，確保了鍍液中鋅離子濃度的穩(wěn)定，保證了電鍍質(zhì)量。

電鍍鋅；溶解；設(shè)備；陽極

Author’s address:Henan Beifang Xingguang Electromechanics Co., Ltd., Dengzhou 474150, China

堿性無氰鍍鋅作為代替氰化物鍍鋅的清潔生產(chǎn)工藝已經(jīng)被得到廣泛應(yīng)用。筆者所在的公司為了積極響應(yīng)國家清潔生產(chǎn)的要求，于2003年在20 000 L鍍液的掛鍍鋅自動(dòng)生產(chǎn)線上積極引進(jìn)了無氰堿性鍍鋅工藝。但在隨后幾年的生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)該工藝的鋅離子濃度穩(wěn)定性較差，經(jīng)常出現(xiàn)電鍍質(zhì)量問題。在處理質(zhì)量問題和排除鍍液故障的過程中，發(fā)現(xiàn)鍍液中鋅離子濃度的不穩(wěn)定是造成鍍層質(zhì)量不穩(wěn)定的主要因素。最初采用傳統(tǒng)方法獲得鋅離子，即把單塊鋅板掛在鍍鋅槽陽極上，通過電解來獲得鋅離子。鋅板掛得少，鋅離子濃度低；鋅板掛得多，由于電解鋅溶解較快，鋅離子濃度高，生產(chǎn)效率高，但是鍍層脆性大，不適合需鍍后二次加工的工件。特別是停產(chǎn)后，鋅離子濃度又處于上限，不利于電鍍質(zhì)量的控制。

為使堿性鍍鋅溶液穩(wěn)定可靠地工作，鍍液中鋅離子溶解與消耗始終處于平衡狀態(tài)顯得尤為重要。據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)，傳統(tǒng)鋅陽極電解的鋅板利用率只有 85%左右，更換下來的“鋅板頭”被作為廢品處理掉；而且操作者在鍍鋅槽上更換鋅板時(shí)，自動(dòng)線的行車不停地在鍍鋅槽上移動(dòng)，操作者有被運(yùn)行中的行車撞倒的危險(xiǎn)，停工調(diào)整鍍液既帶來不必要的損失，又影響生產(chǎn)效率。在鍍鋅槽使用不溶性碳素鋼陽極，再配上獨(dú)立的溶鋅槽，就可以穩(wěn)定地給鍍鋅槽提供鋅離子。

1 溶鋅技術(shù)

1. 1 原理[1]

如圖1所示，通過設(shè)計(jì)一個(gè)容納有高濃度的氫氧化鈉溶液(120 ～ 140 g/L)和金屬鋅的溶鋅槽，操作人員通過循環(huán)泵就能輕易地把高濃度的富鋅溶液迅速輸送到鍍鋅槽中，從而穩(wěn)定無氰鍍鋅溶液中鋅離子的濃度。

要實(shí)現(xiàn)上述目的，首先要保證溶鋅槽中的金屬鋅與鋼網(wǎng)籃或鋼隔離柵保持恒定的接觸，才能形成有效的原電池，促使金屬鋅以平穩(wěn)的速率溶解。

其次，要借助循環(huán)泵將溶鋅槽中的富鋅溶液持續(xù)不斷地輸送到無氰鍍鋅槽中，并迫使溶鋅槽中的溶液產(chǎn)生足夠的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。一般在溶鋅槽一側(cè)安裝循環(huán)泵及過濾機(jī)，將鍍液過濾后抽入鍍鋅槽，使鍍鋅槽溢流口回流的溶液流入溶鋅槽另一側(cè)，否則其中的金屬鋅條表面會(huì)形成一層堅(jiān)硬的氧化鋅或氫氧化鋅外殼，從而阻礙鋅的溶解。一旦發(fā)生這種情況，必須及時(shí)除去這層外殼，否則金屬鋅就不會(huì)繼續(xù)溶解至氫氧化鈉溶液中。所有的鋅離子和電解液均可通過溶鋅槽來補(bǔ)充。

溶鋅槽的體積通常設(shè)計(jì)為無氰堿性鍍鋅槽容積的20% ～ 30%。要確定溶鋅槽的容積，必須要考慮到電鍍的生產(chǎn)量和工作場地空間的限制，要為溶鋅槽過濾泵、排風(fēng)設(shè)施及用于循環(huán)輸送的管道的安置提供足夠的空間。

溶鋅槽一般安放在鍍鋅槽附近，通過塑膠管道及泵與無氰堿性鍍鋅槽相連。最好在溶鋅槽與鍍鋅槽間利用重力原理來安裝管路，形成液位差，以幫助溶液循環(huán)輸送，最大限度減少輸送泵的數(shù)量。溶鋅槽的富鋅液通過過濾器過濾，再用泵抽到鍍鋅槽中去，可以有效去除其中未溶解的鋅微粒，從而避免粗糙鍍層的產(chǎn)生。

1. 2 技術(shù)要點(diǎn)

(1) 溶鋅槽的容積為鍍液總體積的20% ～ 30%。

(2) 為了方便操作人員日常維護(hù)，溶鋅槽放置在鍍鋅槽附近，但不在生產(chǎn)線上。溶鋅槽的位置需比鍍鋅槽低，形成液位差，便于電鍍液回流。溶鋅槽需要用管道系統(tǒng)與鍍鋅槽連接。

(3) 為了提高溶解速率，溶鋅筐建議采用四周帶孔的筐，且溶鋅槽中的堿液要有足夠的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。

(4) 堿液中氫氧化鈉的濃度一般控制在120 ～ 140 g/L。氫氧化鈉濃度高，金屬鋅錠溶解快，反之則慢。

(5) 鋅的溶解速率還與浸入堿液中金屬鋅的表面積有關(guān)。浸入金屬鋅的表面積大時(shí)溶解快，反之則慢。

(6) 控制鋅離子濃度的方法是：增加溶鋅筐中鋅板、鋅錠、鋅球的數(shù)量可以提高鋅離子濃度，將溶鋅筐吊出鍍液表面或減少筐中鋅錠的數(shù)量可以降低鋅離子濃度。

(7) 堿液溫度高，鋅的溶解快，反之則慢。建議將堿液溫度控制在20 ～ 28 °C為宜。

(8) 為了避免溶鋅過程中懸浮固體顆粒較多而使鍍鋅層粗糙，引發(fā)電鍍質(zhì)量問題，溶鋅槽中的溶液經(jīng)過循環(huán)泵及過濾機(jī)后方能入鍍鋅槽使用。

2 溶鋅工藝方案

2. 1 最初的方案設(shè)計(jì)

根據(jù)溶鋅工藝原理，筆者所在的電鍍車間初步設(shè)計(jì)了適合自身自動(dòng)線的溶鋅設(shè)備。

首先在鍍鋅槽中掛上帶有銅鉤的不溶性碳素鋼陽極，并確保銅鉤不沒入鍍液中。

其次，在調(diào)控槽的側(cè)面放置一塊承受足夠重量的碳素鋼板，碳素鋼板與調(diào)控槽底部呈60° ～ 70°角，然后將條狀鋅板(尺寸1 000 mm × 85 mm × 15 mm)靠在5 mm厚的碳素鋼板上(見圖2)，放置一層鋅板后，再放置一塊同等面積的網(wǎng)狀溶鋅器(見圖3)，然后依次放入更多的鋅板和溶鋅器。通過增加鋅板數(shù)量使鋅的溶解與消耗達(dá)到相對(duì)平衡。要保證調(diào)控槽液面高度、鋅板與網(wǎng)狀溶鋅器緊密接觸。經(jīng)由過濾機(jī)過濾得到的含高濃度鋅離子和氫氧化鈉的溶液以泵輸送到鍍鋅槽，在此過程中，過多的溶液經(jīng)過鍍鋅槽的溢流口回流到調(diào)控槽中。

2. 2 使用中存在的問題及改進(jìn)思路

上述方案雖然能使鋅板的利用率達(dá)到100%，溶液中的鋅離子濃度較傳統(tǒng)方案穩(wěn)定了一些，但在使用一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)隨著鋅板的溶解，條狀鋅板越來越薄，難以持續(xù)與網(wǎng)狀溶鋅器保持良好接觸，從而影響鋅的溶解速率，需要操作者把調(diào)控槽中的鋅錠全部取出，再重新擺放。當(dāng)鍍液中鋅離子濃度高時(shí)，則需要將溶鋅槽中的鋅板逐塊抽出，這大大增加了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外，由于鍍鋅槽陽極采用帶有銅鉤的條狀碳素鋼掛在陽極導(dǎo)電棒上，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，導(dǎo)電棒及導(dǎo)電銅鉤易生銅綠，并滴上殘堿，嚴(yán)重影響導(dǎo)電，不能保證電鍍質(zhì)量。

圖1 溶鋅裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of zinc dissolution equipment

圖2 掛鍍鋅自動(dòng)線溶鋅槽初步方案設(shè)計(jì)Figure 2 Initial design of zinc dissolution tank for automatic production line of rack zinc electroplating

圖3 網(wǎng)狀溶鋅器Figure 3 Porous baffle for zinc dissolution

為了解決上述問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)溶鋅設(shè)備。改進(jìn)思路如下：

⑴ 由于鋅板與溶鋅槽底部呈60° ～ 70°角擺放，網(wǎng)狀溶鋅器與鋅板的接觸部位溶解較快，當(dāng)鋅板溶解到不能與網(wǎng)狀溶鋅器恒定接觸時(shí)，鋅的溶解速率降低。試想將鋅板水平放置在網(wǎng)狀溶鋅器上，靠鋅板的重力作用使鋅板與溶鋅器始終緊密接觸，保證溶鋅槽源源不斷地給鍍鋅槽提供穩(wěn)定的鋅離子。鋅板水平放置的話就不需要太長，可以使用0#鋅錠(尺寸410 mm × 210 mm × 45 mm)，又能節(jié)約成本。當(dāng)鋅離子濃度處于工藝上限時(shí)，還可以隨時(shí)將溶鋅槽中的鋅板及時(shí)取出液面，以保持溶鋅槽中鋅離子的濃度。鍍液中鋅離子濃度的高低可以用鋅板沒入溶液中的數(shù)量來控制。

(2) 針對(duì)掛在鍍鋅槽陽極棒上的單條不溶性碳素鋼陽極導(dǎo)電銅鉤生銅綠或滴上殘堿后影響導(dǎo)電的問題，計(jì)劃對(duì)條狀不溶性碳素鋼陽極導(dǎo)電裝置進(jìn)行改造。

2. 3 改進(jìn)方案

首先設(shè)計(jì)制作一個(gè)溶鋅筐。要求采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼制作一個(gè)立方體的筐子，分為 4層，每層底部為帶均勻分布的孔的碳素鋼板(孔徑10 mm，孔間距20 mm)，確保溶液流通性好。每層可以放3塊0#鋅錠。每層間隔70 cm，確保每個(gè)間隔層能夠放置3層鋅錠，每層鋅錠放完后需要放置一塊與3塊鋅錠面積等大的網(wǎng)狀溶鋅器，如圖4所示。

如圖5所示，在溶鋅槽的每個(gè)溶鋅筐上方安裝一個(gè)可以承受1 t重的電動(dòng)吊葫蘆或手拉葫蘆，用來控制鋅離子濃度。以溶鋅筐內(nèi)的鋅錠沒入鍍液的數(shù)量來控制鋅離子。

鍍鋅槽條狀不溶性碳素鋼陽極改造方案如圖 6所示。整塊導(dǎo)電板節(jié)點(diǎn)部位全部采用焊接工藝，右邊一端與正極銅排連接，下部的三大塊3 mm厚碳素鋼導(dǎo)電板焊在U型12 mm厚的碳素鋼陽極板上。整塊導(dǎo)電板沒入鍍液的深度為1 050 mm，即U型部分2 900 mm × 150 mm的碳素鋼全部沒入鍍液中。

上述方案使用后，用吊葫蘆升降可以迅速調(diào)整鍍液中鋅離子的濃度，保證鋅離子濃度穩(wěn)定，降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)將鋅板改為鋅錠后可節(jié)約資金。

圖4 溶鋅筐中鋅錠的排列方式Figure 4 Arrangement of zinc ingots in zinc dissolution basket編者注：圖4和圖5原為彩色，請(qǐng)見C1頁。

圖5 改進(jìn)后的溶鋅設(shè)備Figure 5 Modified zinc dissolution equipment

圖6 改進(jìn)后的鍍鋅槽陽極板Figure 6 Modified anode for zinc electroplating tank

2. 4 改進(jìn)效果

改造后的溶鋅設(shè)備已經(jīng)成功應(yīng)用到2條掛鍍鋅自動(dòng)線。經(jīng)過2年的使用，證明溶鋅技術(shù)能夠穩(wěn)定地給鍍鋅槽提供鋅離子，它與傳統(tǒng)電解鋅相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益。鋅板的利用率達(dá)到了100%，每年節(jié)約5 t左右的鋅板，節(jié)省了成本。

(2) 鋅離子的濃度更容易控制。當(dāng)鍍鋅槽中鋅離子濃度高時(shí)，只需要用吊葫蘆把溶鋅筐從溶鋅槽中吊出液面；當(dāng)鋅離子濃度低時(shí)，增加溶鋅筐中鋅錠的數(shù)量后將溶鋅筐沒入鍍液即可。

(3) 徹底排除了安全隱患，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 溶鋅槽的日常維護(hù)

溶鋅槽中鋅的溶解速率取決于以下幾點(diǎn)：

(1) 浸入堿液中鋅板、鋅錠或鋅球的表面積。

(2) 鋅錠與網(wǎng)狀溶鋅器是否恒定接觸。

(3) 溶鋅槽中氫氧化鈉的濃度。

(4) 溶鋅筐沒入電鍍液中的深度。

(5) 鍍液溫度越低，溶解速度越慢，反之則快。

建議將鍍液溫度控制在20 ～ 28 °C。如果鋅離子濃度過高，可以只將溶鋅筐的一半沒入鍍液中；如果鋅離子濃度低，就需要增大鋅錠的面積，提高氫氧化鈉的濃度，或適當(dāng)提高鍍液溫度。

溶鋅槽的日常維護(hù)比較簡單，只需保持溶鋅筐中裝滿鋅錠，用溶鋅筐沒入液面的深度來控制鋅離子，使溶鋅槽中的氫氧化鈉濃度保持在120 ～ 140 g/L。

4 結(jié)語

對(duì)堿性鍍鋅而言，利用溶鋅技術(shù)有助于鍍液中的鋅離子濃度穩(wěn)定，其維護(hù)方便，減少了調(diào)整鍍液引起的停工損失，能以較低的成本確保電鍍產(chǎn)品質(zhì)量。溶鋅技術(shù)解決了生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)的電鍍質(zhì)量問題，如精沖件包塑后起泡、鍍速較慢等，穩(wěn)定了堿性鍍鋅的產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)踐證明，改進(jìn)后的溶鋅工藝使用不溶性碳素鋼陽極，配上獨(dú)立的溶鋅槽來控制電鍍?nèi)芤褐袖\離子濃度，是切實(shí)可行的。

[1]陳亞. 堿性無氰鍍鋅添加劑及溶鋅槽的應(yīng)用[C] // 中國電子學(xué)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會(huì). 2004年全國電子電鍍學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集. [S.l.: s.n.], 2004: 376-379.

[ 編輯：溫靖邦 ]

Application of zinc dissolution technique to cyanide-free alkaline zinc electroplating

ZHANG Xiao-yong

The principle and application of zinc dissolution technique for cyanide-free alkaline zinc electroplating were introduced. An equipment for zinc dissolution was designed and fabricated, and the carbon steel anode used in electroplating tank was modified, stabilizing the concentration of zinc ions in electroplating bath and ensuring the quality of products.

zinc electroplating; dissolution; equipment; anode

TQ153.15

A

1004 - 227X (2015) 21 - 1238 - 04

2015-08-13

2015-09-11

張小勇（1982-），男，河南南陽人，?？?，工程師，長期從事堿性無氰鋅酸鹽鍍鋅及其后處理方面的工作，積累了豐富的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) 79618194@qq.com。