3.2 連續(xù)帶狀泡沫鎳制造技術(shù)的創(chuàng)新與進(jìn)步

長(zhǎng)沙力元一期工程的投產(chǎn)，在連續(xù)帶狀泡沫鎳材料國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程中具有重要意義。然而，由于生產(chǎn)過程海綿模芯導(dǎo)電化處理采用了化學(xué)鍍鎳工藝，工序中產(chǎn)生多種工業(yè)廢水；電鑄鎳工藝也產(chǎn)生大量含鎳廢水，處理技術(shù)難度大，成本高昂。為徹底解決這一難題，該企業(yè)對(duì)導(dǎo)電化工藝及電鑄鎳廢水的處理進(jìn)行了開創(chuàng)性的技術(shù)革新。

（1）導(dǎo)電化采用真空磁控濺射，以真空磁控濺射工藝替代化學(xué)鍍鎳，完成聚氨酯海綿被加工成電鑄模芯的導(dǎo)電化處理。真空磁控濺射技術(shù)屬于氣相物理沉積，從工藝技術(shù)上根本解決了化學(xué)鍍鎳及其前處理工序帶來的復(fù)雜的廢水處理難題。而且由于生產(chǎn)方式的改變，生產(chǎn)效率也大幅提高。與此同時(shí)，還消除了化學(xué)鍍鎳在泡沫鎳中摻雜磷的弊端，減小了泡沫鎳的電阻。

（2）電鑄鎳系統(tǒng)的技術(shù)革新，采用短線代替長(zhǎng)線，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，改善了生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)格局，使電鑄鎳廢水最終達(dá)到無排放的要求。

（3）在繼續(xù)使用長(zhǎng)線生產(chǎn)泡沫鎳的過程中，用膜處理技術(shù)替代化學(xué)法處理每日產(chǎn)生的1000t電鑄鎳廢水。該項(xiàng)技術(shù)的承接商通過長(zhǎng)沙力元這個(gè)平臺(tái)在中國(guó)首創(chuàng)了膜處理電鍍鎳廢水的一套行之有效的零排放技術(shù)，達(dá)到鎳和水的同時(shí)回收，并作為范例在中國(guó)電鍍行業(yè)推廣。目前，已成為電鍍行業(yè)電鍍鎳廢水處理的先進(jìn)方法。

3.2.1 真空磁控濺射的技術(shù)創(chuàng)新

1. 概述

20世紀(jì)末，可用于泡沫鎳制造的真空磁控濺射生產(chǎn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬空白。當(dāng)時(shí)面臨的技術(shù)瓶頸有以下3點(diǎn)。

（1）真空度的保證和鍍膜溫度的控制。鍍膜材料為三維多孔聚氨酯海綿，抽真空排氣時(shí)間長(zhǎng)。而聚氨酯化學(xué)穩(wěn)定性又很差，溫度高于60℃時(shí)便有氣體逸出，使真空度降低，因而成為技術(shù)難點(diǎn)之一。

（2）濺射靶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。靶材是用純鎳制作的，且是磁性材料，因此，靶的厚度、靶面磁場(chǎng)分布、靶體的溫度、靶材濺射利用率等諸多因素，是設(shè)計(jì)中必須反復(fù)實(shí)驗(yàn)摸索才能獲得的優(yōu)化數(shù)據(jù)，成為技術(shù)難點(diǎn)之二。

（3）海綿拉伸的張力控制。海綿在真空磁控濺射鍍膜機(jī)內(nèi)須連續(xù)放卷、收卷，卷輥的運(yùn)轉(zhuǎn)必須保證張力適中、穩(wěn)定。張力過大，會(huì)使海綿過度變形，破壞孔徑、孔形結(jié)構(gòu)甚至使海綿走偏、斷帶；張力太小，海綿帶材不能繃緊，鍍膜層的均勻性及平整度嚴(yán)重變差，不僅產(chǎn)品質(zhì)量下降，而且在生產(chǎn)過程中帶材海綿跑偏、打滑、纏帶、吊帶故障也頻繁發(fā)生。張力控制系統(tǒng)的難度主要原因如下：海綿帶材的走速和張力是一對(duì)強(qiáng)耦合物理量，而放卷筒的線速度又是實(shí)時(shí)變化的，在此系統(tǒng)中，速度的變化必然引起張力的變化，反之，張力變化又會(huì)引起速度的波動(dòng)；系統(tǒng)動(dòng)力模型變化頻繁。隨著放卷的連續(xù)進(jìn)行，海綿卷的直徑不斷變小，系統(tǒng)慣性不斷變化，復(fù)雜的系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)控制的要求增強(qiáng)。卷繞系統(tǒng)由很多輥?zhàn)咏M成，各子系統(tǒng)之間相互影響，導(dǎo)致海綿張力控制相當(dāng)復(fù)雜。動(dòng)力模型需要大量的數(shù)據(jù)積累，并不斷修正，成為技術(shù)難點(diǎn)之三。

長(zhǎng)沙力元先后與國(guó)內(nèi)兩家真空設(shè)備廠合作，從1999年到2006年共開發(fā)了三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)，有4種機(jī)型，分別是啞鈴式磁控濺射鍍膜機(jī)、偏置啞鈴式磁控濺射+電弧離子鍍組合鍍膜機(jī)、箱式磁控濺射鍍膜機(jī)、偏置啞鈴式磁控濺射鍍膜機(jī)。曾嘗試采用過磁控濺射鍍、磁控濺射+電弧離子組合鍍等多種工藝。通過比較鍍膜質(zhì)量、工藝穩(wěn)定性、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、設(shè)備成本、設(shè)備維護(hù)和操作性能等多重技術(shù)指標(biāo)，以及對(duì)包括原料性能在內(nèi)的各種影響因素綜合評(píng)估，最終選擇的主體機(jī)型為偏置啞鈴式結(jié)構(gòu)，采用真空磁控濺射鍍膜工藝，即第三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)。

2. 第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的開發(fā)

第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)是由長(zhǎng)沙力元與蘭州真空設(shè)備廠合作共同開發(fā)的。原型機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)是通過在小型鍍膜機(jī)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而確定的，于2001年生產(chǎn)出合格的鍍膜產(chǎn)品。

真空磁控濺射鍍膜機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）上鎳量。依據(jù)長(zhǎng)沙力元原有生產(chǎn)工藝化學(xué)鍍鎳導(dǎo)電化處理的數(shù)據(jù)，即厚度為1mm長(zhǎng)度為300m的聚氨酯海綿卷材上鎳量的目標(biāo)值為10g/m2以下。后期發(fā)現(xiàn)，PVD工藝無法達(dá)到如此高的上鎳量，設(shè)備和鍍件都無法承受，生產(chǎn)不出合格的產(chǎn)品。經(jīng)技術(shù)改進(jìn)并通過試驗(yàn)選擇了上鎳量的優(yōu)化值，在后來的技術(shù)進(jìn)步中該值不斷被修正和完善。

（2）真空度。依據(jù)前期在小型真空磁控濺射鍍膜機(jī)上的海綿鍍鎳試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定的本底真空度為5×10-4 Pa，工作真空度為（2～5）×10-2Pa，抽空時(shí)間為40min。在第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的設(shè)計(jì)中，配備了多套抽真空設(shè)備，功能強(qiáng)大。第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)真空度指標(biāo)全部降低了1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，生產(chǎn)效率更高。

（3）工藝流程。在卷繞式真空磁控濺射鍍膜機(jī)內(nèi)，采用磁控濺射物理氣相沉積技術(shù)在聚氨酯海綿帶材上一次性雙面沉積含鎳量為99.9%的純鎳金屬，對(duì)有機(jī)多孔帶材進(jìn)行連續(xù)導(dǎo)電化處理。

（4）真空磁控濺射鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)。第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)采用立式中置啞鈴結(jié)構(gòu)，上、下兩端分別為圓筒形收卷室和放卷室。收卷室內(nèi)安裝有收卷輥，放卷室內(nèi)安裝有放卷輥，收卷室和放卷室之間連接安裝鍍膜室、導(dǎo)向輥和測(cè)量輥，鍍膜室安裝磁控濺射靶。磁控濺射鍍膜室的兩側(cè)分別安裝多對(duì)磁控濺射靶。第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的鍍膜室采用偏置啞鈴結(jié)構(gòu)，采用磁控濺射靶或磁控濺射靶+電弧靶的組合形式。

（5）操作方式。第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的送料/出料采用上放下收的工作形式，卷材從靶間通過，一次性完成鍍膜。第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的送料/出料采用下送下收的工作形式，鍍膜方式與第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的方式不同。

（6）海綿張力控制系統(tǒng)。張力可以通過直接和間接兩種方式進(jìn)行控制。第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)采用直接張力控制方式，即通過磁粉張力控制器測(cè)量海綿走帶運(yùn)行過程的張力并進(jìn)行反饋，與設(shè)定的張力比較后作為張力調(diào)節(jié)的給定，以實(shí)現(xiàn)恒張力控制。第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)采用間接張力控制方式，即通過對(duì)機(jī)構(gòu)的機(jī)理進(jìn)行分析建立張力控制模型，從中找到影響張力的相關(guān)物理量，并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和控制，采用磁粉張力控制器+編碼器。

（7）濺射室及濺射工藝。第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)包括濺射室2個(gè)，其結(jié)構(gòu)形式為箱形，帶有冷卻水夾套、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)；平面磁控濺射靶安裝在每個(gè)濺射室內(nèi)，相向布置，每個(gè)靶體可以單獨(dú)手動(dòng)打開，方便更換靶材和清理工作；濺射靶的材料采用含鎳量為99.9%的純鎳板靶面，靶材利用率不小于10%；濺射用電源采用國(guó)產(chǎn)脈沖直流電源，功率為20kW，采用水冷結(jié)構(gòu)，可滿足恒流、恒功率和恒壓3種工藝要求，如圖3-13所示。

（8）真空系統(tǒng)。本臺(tái)設(shè)備采用了兩套K900型擴(kuò)散真空泵（簡(jiǎn)稱擴(kuò)散泵）+羅茨真空泵（簡(jiǎn)稱羅茨泵）+旋片真空泵（簡(jiǎn)稱旋片泵）的主真空系統(tǒng)，一套K630型擴(kuò)散真空泵+羅茨真空泵+滑閥真空泵的輔助真空獲得系統(tǒng)，放卷室為主抽氣口，左右各1個(gè)；濺射室和收卷室分別布置輔助抽氣口，在放卷室的擴(kuò)散泵主抽氣口處布置一套深冷設(shè)備，增強(qiáng)海綿放卷時(shí)的瞬時(shí)吸附能力，真空檢測(cè)規(guī)管分別布置在收/放卷室和濺射室，用于監(jiān)測(cè)設(shè)備的真空度。放卷室及真空系統(tǒng)如圖3-14所示，收卷室及真空系統(tǒng)如圖3-15所示。

（9）PLC控制柜。整臺(tái)設(shè)備的操作系統(tǒng)采用PLC編程，有自動(dòng)、手動(dòng)、維修三種工作模式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程全自動(dòng)控制、生產(chǎn)過程動(dòng)畫演示。

（10）卷繞系統(tǒng)。收/放卷采用電機(jī)+電磁離合器+磁粉離合器+動(dòng)力連接軸，包括收/放卷輥、導(dǎo)向輥和張力測(cè)量輥；收/放卷電機(jī)為伺服調(diào)速電機(jī)，張力控制系統(tǒng)采用開環(huán)直接控制模式。

（11）其他部件。收/放卷室全部空間采用緊湊的筒形結(jié)構(gòu)。收/放卷室的倉門，以及收/放卷輥和卷繞動(dòng)力系統(tǒng)安裝在裝/卸料運(yùn)行車上。冷卻水循環(huán)系統(tǒng)主機(jī)采用螺桿壓縮機(jī)組，冷卻水溫度設(shè)定為15℃，有效地起到降低靶、泵、濺射室工作溫度的效果。

（12）總體結(jié)構(gòu)。設(shè)備主體長(zhǎng)為3m、寬為2m、高為8m，真空室全部采用不銹鋼材料制造，外形為啞鈴式結(jié)構(gòu)，收/放卷室分開，送料/出料采用上放下收的工作形式。設(shè)備主體構(gòu)成包含真空室（包括收/放卷室、靶、靶材）、真空系統(tǒng)、氬氣流量控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、設(shè)備的水冷循環(huán)系統(tǒng)、裝/卸料運(yùn)行車、自動(dòng)控制及測(cè)量系統(tǒng)、電源和控制柜、操作平臺(tái)、Policool深冷機(jī)、材料轉(zhuǎn)運(yùn)吊臺(tái)。第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的立體結(jié)構(gòu)如圖3-16所示。

（13）該設(shè)備是國(guó)內(nèi)首臺(tái)，屬于中試產(chǎn)品，各個(gè)系統(tǒng)配置非常齊全，成本高；后續(xù)設(shè)備設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)都是在這臺(tái)設(shè)備的試驗(yàn)中獲得的，它為后期設(shè)備提供了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。在這臺(tái)設(shè)備上驗(yàn)證成熟的參數(shù)、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)，全部用到后期設(shè)備上，如真空度、靶間距、擴(kuò)散真空泵+機(jī)械真空泵的真空系統(tǒng)、靶的結(jié)構(gòu)和冷卻水系統(tǒng)等。

3. 第二、三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的開發(fā)

第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)分別采用偏置啞鈴式結(jié)構(gòu)和方形盒式結(jié)構(gòu)兩種方式，第三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)僅采用偏置啞鈴式結(jié)構(gòu)。在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，偏置啞鈴式結(jié)構(gòu)與方形盒式結(jié)構(gòu)相比，機(jī)型結(jié)構(gòu)緊湊，獲得真空的時(shí)間短，工作真空容易維持；同樣工藝條件下真空系統(tǒng)配置少，工藝參數(shù)調(diào)整靈活，維修方便，維護(hù)時(shí)間少，設(shè)備的造價(jià)和生產(chǎn)成本都較低。因而，在第三代機(jī)型中，方形盒式結(jié)構(gòu)被淘汰，重點(diǎn)開發(fā)偏置啞鈴式結(jié)構(gòu)。偏置啞鈴式結(jié)構(gòu)機(jī)型的開發(fā)分兩個(gè)階段進(jìn)行。

根據(jù)第一代中試機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，要滿足海綿導(dǎo)電化處理的鍍膜上鎳量，需要多靶結(jié)構(gòu)。但是，靶的數(shù)量過多，會(huì)造成設(shè)備體積過大，增加真空系統(tǒng)的負(fù)荷。而且，聚氨酯海綿經(jīng)過多靶連續(xù)濺射，表面溫度升高，聚氨酯的化學(xué)性能變得很不穩(wěn)定，不斷有氣體逸出，工作真空度波動(dòng)很大。為預(yù)防這種情況發(fā)生，須額外配置真空系統(tǒng)，又會(huì)增加生產(chǎn)成本和設(shè)備造價(jià)。因此，在第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)中，嘗試采用電弧離子鍍+磁控濺射混合鍍的方式，希望用少量的電弧靶代替部分磁控濺射靶；設(shè)備的總高度降低了1/3，操作平臺(tái)高度由原來的7m降低到3m。兩個(gè)檢修平臺(tái)作為工序間更換靶材、清潔濺射室及設(shè)備檢修用。實(shí)踐證明靶的減少和設(shè)備高度的降低，能有效保證設(shè)備真空度的一致性，減少真空系統(tǒng)的配置。真空系統(tǒng)選擇了一套KA630型擴(kuò)散真空泵+旋片真空泵的系統(tǒng)和兩套KA400型擴(kuò)散真空泵+羅茨真空泵+旋片式真空泵系統(tǒng)，除去了昂貴的Policool深冷機(jī)。工藝流程由原來的海綿帶材的上放下收改為下放下收，通過PLC控制軟件對(duì)走帶速度進(jìn)行控制，減少了膜在靶面的停留時(shí)間，降低了離子濺射在海綿上的熱量疊加，避免了海綿鍍膜時(shí)的放氣現(xiàn)象，所配置的真空系統(tǒng)能有效地保證工作真空度的穩(wěn)定。但是，在后續(xù)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，由于電弧靶的離子顆粒大，雖然鍍膜上鎳量達(dá)到了工藝要求，但是電阻值反而不如單純使用磁控濺射靶鍍膜理想。因此，后期關(guān)閉了電弧靶，調(diào)整了磁控濺射靶的數(shù)量。改進(jìn)型設(shè)備的成本是第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的1/4，工作效率是第一代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的1.5倍。第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)結(jié)構(gòu)和原理分別如圖3-17和圖3-18所示[11]。

通過第一、二代設(shè)備的生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)聚氨酯海綿進(jìn)行磁控濺射導(dǎo)電化處理的鍍膜工藝，積累了許多成熟的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。依據(jù)這些數(shù)據(jù)，在第三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的設(shè)計(jì)中，對(duì)設(shè)備做了進(jìn)一步的精簡(jiǎn)和提升。采取了設(shè)備的總高度不超過第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的設(shè)計(jì)原則，除去電弧靶，僅采用磁控濺射靶；濺射室的高度小于原機(jī)型電弧靶室與磁控濺射靶室的高度之和，在濺射室兩側(cè)安裝了自動(dòng)靶門；靶的更換、清潔維護(hù)可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，靶的其余參數(shù)不變。真空系統(tǒng)配置雖改進(jìn)為粗抽機(jī)組和維持機(jī)組兩套設(shè)備，但設(shè)備成本和維持費(fèi)用反而降低1/3。由于沉積膜質(zhì)量的改善，使工藝參數(shù)上鎳量進(jìn)一步降低。與第二代真空磁控濺射鍍膜機(jī)相比，維護(hù)更加便利，產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提高，生產(chǎn)效率提高15%，生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低。第二代和第三代的偏置啞鈴式機(jī)型的共同點(diǎn)如下：磁控濺射靶電源均采用國(guó)產(chǎn)脈沖直流電源，海綿張力控制采用間接控制方式，送料/出料采用下送下收的工作形式，PLC控制軟件一致，傳動(dòng)與控制系統(tǒng)、真空測(cè)量及工藝控制系統(tǒng)一致，含真空度、上鎳量等工藝數(shù)值一致，輔助系統(tǒng)一致，包括水溫設(shè)定為15℃的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、氬氣流量控制系統(tǒng)、壓縮空氣分配部件、裝/卸料運(yùn)行車等，均無變化。設(shè)備主體構(gòu)成包括真空室（包括靶、靶材）、真空系統(tǒng)、氬氣流量控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、設(shè)備的水冷循環(huán)系統(tǒng)、裝/卸料運(yùn)行車、自動(dòng)控制及測(cè)量系統(tǒng)、電源和控制柜、操作平臺(tái)。第三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)如圖3-19所示，第三代改進(jìn)型真空磁控濺射鍍膜機(jī)如圖3-20所示。

第三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)（包括改進(jìn)型）具有如下主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

（1）濺射室。結(jié)構(gòu)形式為箱形，帶有冷卻水夾套；在濺射室兩邊有側(cè)門，可自動(dòng)開啟，用于更換靶材和清理工作；濺射靶的材料采用含鎳量為99.9%的純鎳，靶材利用率>11%。濺射用電源采用國(guó)產(chǎn)脈沖直流電源，功率為20kW。濺射室及靶門如圖3-21所示，磁控濺射靶如圖3-22所示。

（2）真空系統(tǒng)。第三代改進(jìn)型設(shè)備采用了兩套機(jī)組，粗抽機(jī)組由H150型滑閥真空泵、ZJB300型羅茨真空泵和ZJB1200型羅茨真空泵組成，維持機(jī)組由2H70型滑閥真空泵、ZJB300型羅茨真空泵和K900型擴(kuò)散真空泵組成，上卷筒室為主抽氣口，真空系統(tǒng)實(shí)物照片如圖3-23所示，真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-24所示。

（3）控制系統(tǒng)。整臺(tái)設(shè)備的操作系統(tǒng)采用PLC編程，人機(jī)操作界面中有自動(dòng)、手動(dòng)、維修、工藝設(shè)定界面，且在自動(dòng)、手動(dòng)界面中均須建立嚴(yán)格的互鎖關(guān)系，生產(chǎn)過程實(shí)施一鍵啟動(dòng)，即全自動(dòng)方式。真空磁控濺射鍍膜機(jī)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)向，上、下空輥檢測(cè)，材料卷徑的自動(dòng)檢測(cè)。控制柜如圖3-25所示，鍍膜控制界面如圖3-26所示。

（4）卷繞系統(tǒng)。采用伺服控制系統(tǒng)，走帶速度為0～20 m/min，在工作中走帶速度可隨意改變，并能實(shí)現(xiàn)正、反向自動(dòng)走帶和轉(zhuǎn)向。走帶速度檢測(cè)采用電機(jī)的反饋速度作為走帶速度的檢測(cè)與顯示依據(jù)。張力控制、速度控制、卷徑測(cè)量、長(zhǎng)度測(cè)量均使用編碼器計(jì)數(shù)；有走帶長(zhǎng)度的計(jì)數(shù)裝置。上、下傳動(dòng)輥采用軸承內(nèi)置式，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。收/放卷采用電機(jī)+電磁離合器+磁粉離合器+動(dòng)力連接軸，收/放卷電機(jī)為伺服調(diào)速電機(jī)。走帶過程采用錐度張力自動(dòng)控制，并且張力可調(diào)，張力控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制模式，保證真空磁控濺射在制品在鍍膜完畢后寬度的變窄率在工藝規(guī)定的指標(biāo)值內(nèi)。卷繞動(dòng)力系統(tǒng)如圖3-27所示，工藝參數(shù)設(shè)置界面如圖3-28所示。

（5）現(xiàn)有設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)。走帶速度平穩(wěn)，工作真空度穩(wěn)定。抽真空時(shí)間縮短，換靶時(shí)間縮短，設(shè)備維護(hù)時(shí)間縮短，單臺(tái)設(shè)備的生產(chǎn)能力提高，是綠色制造和智能化生產(chǎn)的優(yōu)選設(shè)備。第二、三代真空磁控濺射鍍膜機(jī)的主要工藝特性為走帶速度和工作真空度，如圖3-29所示。圖中，縱坐標(biāo)為走帶速度或工作真空度，橫坐標(biāo)為工作時(shí)間（單位：min）的累計(jì)數(shù)，USL、LSL分別為工藝規(guī)范設(shè)定的上、下限水平值。

3.2.2 電鑄技術(shù)創(chuàng)新

電鑄鎳是泡沫鎳制造的核心技術(shù)及標(biāo)志性工藝，其設(shè)備是一個(gè)系統(tǒng)工程，涵蓋了走帶方式、槽體結(jié)構(gòu)、陰陽極相對(duì)位置和距離、電源的供電特性、電解液的凈化和加熱方式、海綿的拉伸和受力狀態(tài)、自動(dòng)控制技術(shù)、廢水處理技術(shù)、水的循環(huán)利用和平衡、與電解液體系的適配性等多方面的內(nèi)容。電鑄設(shè)備對(duì)產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)如面密度、鎳的沉積厚度比（DTR）等有重要影響，是泡沫鎳智能生產(chǎn)和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵設(shè)備。電鑄設(shè)備雖然是泡沫鎳制造過程的一個(gè)很具體的技術(shù)環(huán)節(jié)，但是它的設(shè)計(jì)理念和創(chuàng)新思維也必須與電池制造技術(shù)的進(jìn)步協(xié)同發(fā)展，走一條和用電器（如混合動(dòng)力汽車）、電池、電池材料共軛創(chuàng)新的道路。

在泡沫鎳制造技術(shù)中，由于電鑄工藝使用了與電鍍鎳基本相同的瓦特鎳電解液，因此，常將本質(zhì)上應(yīng)當(dāng)屬于電鑄鎳的電沉積過程稱為電鍍鎳，而且為了方便行文用字常常套用電鍍的技術(shù)規(guī)范。關(guān)于電鍍和電鑄在定義上的嚴(yán)格界定，本書第六章有論述。“電鍍”和“電鑄”雖同屬“電沉積”范疇，但表達(dá)的是不同的概念，有時(shí)兩者混用，是按約定俗成的概念理解。

連續(xù)帶狀泡沫鎳的電鑄設(shè)備經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段，形成了三代技術(shù)特征鮮明的設(shè)備體系：

第一代電鑄設(shè)備——長(zhǎng)線水平電沉積：采用了V型結(jié)構(gòu)的預(yù)鍍工藝，多級(jí)連續(xù)、快速水平電鑄的方式，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)連續(xù)帶狀泡沫鎳生產(chǎn)制造的空白。重點(diǎn)解決了國(guó)內(nèi)外鎳氫電池高速增長(zhǎng)對(duì)連續(xù)帶狀泡沫鎳的產(chǎn)能需求。

第二代電鑄設(shè)備——短線立式電沉積：在借鑒一項(xiàng)弧形電沉積中試設(shè)備的基礎(chǔ)上，開發(fā)了大輥液下預(yù)鍍，單級(jí)立式慢速電沉積的短線技術(shù)。在第一代滿足行業(yè)產(chǎn)能需求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行環(huán)保改造及產(chǎn)品品質(zhì)升級(jí)。

第三代電鑄設(shè)備——短線多級(jí)電沉積：以產(chǎn)品無銅、設(shè)備防銅為前提，開發(fā)了大輥液下預(yù)鍍及多級(jí)立式電沉積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制技術(shù)、清潔生產(chǎn)模式的進(jìn)步。引入混合動(dòng)力汽車（HEV）電池對(duì)所需泡沫鎳材料的性能要求，實(shí)施企業(yè)綠色制造及智能生產(chǎn)的升級(jí)。

1. 第一代電鑄設(shè)備的開發(fā)

1）技術(shù)開發(fā)的兩個(gè)階段

第一代電鑄設(shè)備的技術(shù)屬于長(zhǎng)線水平電沉積體系，從1998年開始開發(fā)到2012年停止使用，共經(jīng)歷了14年，包括以下兩個(gè)階段。

第一階段：確定了電沉積電解液采用改良型瓦特鎳方式，而不是傳統(tǒng)電鑄模式的氨基磺酸鎳體系。確定了電解液的循環(huán)方式，即高位槽溢流至電鑄槽、電鑄槽溢流至低位槽、從低位槽抽取電解液經(jīng)過濾后泵入高位槽。首創(chuàng)了V型結(jié)構(gòu)的預(yù)電鑄工藝和設(shè)備并形成了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；逐步形成了一套完整的工藝規(guī)程、原料質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量管理的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)體系。該生產(chǎn)體系還包括化學(xué)鍍鎳對(duì)聚氨酯海綿進(jìn)行的導(dǎo)電化處理，海綿模芯電阻值為每米5 Ω左右。電鑄和化學(xué)鍍鎳產(chǎn)生的清洗廢水經(jīng)化學(xué)法處理后達(dá)標(biāo)排放。

第二階段：除了對(duì)電鑄設(shè)備進(jìn)行了若干技術(shù)細(xì)節(jié)的優(yōu)化，主體設(shè)備仍保留長(zhǎng)線水平電沉積體系的特點(diǎn)。

圖3-30為二期工程仍采用的第一代電鑄設(shè)備，圖3-31為該設(shè)備的原理簡(jiǎn)圖。

2）第一代電鑄設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征

如圖3-31所示，電鑄整體系統(tǒng)包括下列設(shè)備：收/放卷機(jī)、V型電鑄槽、水平型電鑄槽、水洗槽及水洗液貯液槽、電解液過濾循環(huán)系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等輔助設(shè)備。

（1）收/放卷設(shè)備。系統(tǒng)的放卷由放卷架及放卷輥組成，帶有手動(dòng)糾偏（后期改為自動(dòng)糾偏）和機(jī)械張力控制，保證在進(jìn)入電鑄槽時(shí)海綿模芯緊貼導(dǎo)電輥。收卷采用直徑為1 800mm的收卷輥（后期改為1 200mm），利用接近開關(guān)控制變頻器控制收卷速度。

（2）V型預(yù)電鑄槽。圖3-32為V型預(yù)電鑄槽，能夠快速地將模芯預(yù)鍍上30～100g/m2的鎳層，降低電阻。便于后續(xù)大電流電鑄沉積。

V型預(yù)電鑄被設(shè)計(jì)為7對(duì)V型角度依次增大的陽極鈦籃，內(nèi)裝鎳珠或鎳塊，與電源的陽極連接。陰極為8根直徑98mm、316L材料空心的輥，固定在槽體上，兩端有帶錐度的銅套與石墨的碳刷構(gòu)成陰極導(dǎo)電裝置，該裝置與整流器的陰極連接。陰極導(dǎo)電輥浸沒在電解液中，為減少導(dǎo)電輥的上鎳，下部設(shè)有活動(dòng)屏蔽裝置。底部有包膠的液下傳動(dòng)輥7根，兩端伸出鍍槽，并有密封裝置。各導(dǎo)電輥均由一臺(tái)換向減速機(jī)帶動(dòng)，各導(dǎo)電輥的直徑依次遞增。聚酯氨海綿進(jìn)入電鑄槽后，受導(dǎo)電輥、液下傳動(dòng)輥的牽引，以電鑄在制品的形式在各個(gè)鈦籃中移動(dòng)，鈦籃與在制品的距離為30～50mm。槽體上固定有玻璃管支架以控制在制品與鈦籃的距離。電解液從槽體底部進(jìn)入，從槽體側(cè)面溢流至低位槽，液位控制與屏蔽裝置的上部一致。完成預(yù)電鑄的在制品離開V型電鑄槽，進(jìn)入水平型電鑄槽，如圖3-32所示。

（3）水平型電鑄槽。水平型電鑄槽由4個(gè)3.62m長(zhǎng)的獨(dú)立槽體組成，俗稱P1段、P2段、P3段、P4段，P1段共有8個(gè)沉積單元，每個(gè)沉積單元依次稱為P1～P8槽，寬度依次增加；P2～P4段相同，每個(gè)槽各有6個(gè)沉積單元，依次稱為P9～P26槽。水平型電鑄設(shè)備的原理簡(jiǎn)圖如圖3-33所示。

水平型電鑄槽結(jié)構(gòu)特征如下：陽極鈦籃上下布置，分別固定在電鑄槽上。其中，下鈦籃在電鑄在制品的下方，兩個(gè)鈦籃之間的距離為60～100mm。陰極結(jié)構(gòu)與V型陰極輥結(jié)構(gòu)相似，在陰極輥上帶有包膠的壓輥，以保證在制品在沉積過程中與陰極輥保持良好的接觸。每個(gè)沉積單元內(nèi)裝有玻璃管架，以控制在制品與鈦籃的距離，兩端裝有隱出條和可調(diào)節(jié)高度的閘板條。在制品在隱出條與閘板條之間移動(dòng)必然存在間隙，電解液從此處溢流至導(dǎo)電輥的底部，再流到低位槽。由于在制品附著了電解液，并且溢流的電解液噴淋到導(dǎo)電輥上，造成鎳在導(dǎo)電輥表面沉積。由于溢流部位有52個(gè)，其流量達(dá)到450 m3/h，必須依靠大流量的體系循環(huán)才能保證上鈦籃浸沒在電解質(zhì)中。因此，該設(shè)備具有高產(chǎn)能的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在水處理方面的壓力和間歇式生產(chǎn)的缺陷。

V型預(yù)電鑄槽和水平型電鑄槽分別采用鏈條傳動(dòng)，由變頻器控制電機(jī)的頻率，以實(shí)現(xiàn)在制品走帶速度與電鑄沉積之間的匹配。整個(gè)生產(chǎn)線的長(zhǎng)度為25m，線速度達(dá)到0.65m/min。由于在電鑄過程中鎳在導(dǎo)電輥上的沉積，以及下鈦籃處于在制品之下，鎳塊不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)補(bǔ)加，故每生產(chǎn)6～8卷產(chǎn)品后需要停產(chǎn)補(bǔ)加鎳塊和清洗導(dǎo)電輥，而使生產(chǎn)處于間歇狀態(tài)。

（4）水洗系統(tǒng)完成。電鑄后的泡沫鎳半成品帶材需進(jìn)行三級(jí)逆流噴淋清洗，清洗水一部分補(bǔ)充電解液的損耗，另一部分輸送到廢水處理中心。水洗系統(tǒng)由純凈水供給裝置、噴淋裝置、多個(gè)水洗槽和循環(huán)水泵及管道組成。因產(chǎn)能和走速高，純凈水消耗量大，故單條生產(chǎn)線的水消耗就多達(dá)2000kg/h。

（5）電解液循環(huán)系統(tǒng)。電解液循環(huán)系統(tǒng)由低位槽、電解液循環(huán)泵、過濾器、高位槽及管道系統(tǒng)組成，由3臺(tái)變頻器控制的、流量達(dá)180m3/h的電解液循環(huán)泵從低位槽抽取電解液，經(jīng)過濾器至高位槽，由高位槽自流至工作槽，工作槽的電解液由V型預(yù)電鑄槽溢流口、平型電鑄槽閘板條處溢流，經(jīng)溜槽至低位槽，實(shí)現(xiàn)電解液的循環(huán)。電解液的成分及其pH值采取人工補(bǔ)加方式調(diào)整，維持電解液總量的平衡，采用蒸汽加熱和水冷卻維持電解液的溫度平衡。

（6）電鑄電源。V型預(yù)電鑄采用7臺(tái)小功率開關(guān)電源，水平型電鑄采用26臺(tái)電流為500～1500A的開關(guān)電源，全部采用風(fēng)冷，近槽布置。操作時(shí)，依據(jù)產(chǎn)品的面密度、生產(chǎn)線的走速，通過人工計(jì)算，累加每臺(tái)整流器的電流。

（7）廢水處理與回收系統(tǒng)。廢水處理與回收系統(tǒng)采用“三級(jí)反滲透膜處理+負(fù)壓蒸發(fā)回收電解質(zhì)”系統(tǒng)，此方面內(nèi)容在3.2.3節(jié)詳述。

3）電鑄長(zhǎng)線的優(yōu)勢(shì)與不足

“V型+水平型”第一代電鑄長(zhǎng)線設(shè)備填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)連續(xù)帶狀泡沫鎳生產(chǎn)的空白，以其高產(chǎn)能滿足了一定時(shí)期國(guó)內(nèi)外對(duì)泡沫鎳快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，但也有其局限性。

（1）系統(tǒng)對(duì)模芯的導(dǎo)電性能的要求較高，該系統(tǒng)與真空磁控濺射工藝對(duì)接，必須增加預(yù)電鑄工藝。由于市場(chǎng)對(duì)泡沫鎳的需求逐步從數(shù)量轉(zhuǎn)向高端質(zhì)量，因此必須開發(fā)新技術(shù)，以滿足市場(chǎng)新的需求。

（2）由于導(dǎo)電輥上有鎳的不規(guī)則沉積，形成鎳皮，鎳皮會(huì)劃傷電鑄在制品；另外，為了清理輥面和往下鈦籃里補(bǔ)充鎳材，生產(chǎn)過程不得不間歇性地進(jìn)行。

（3）由于帶材走速快，必須使用大量純凈水，造成水資源和成本的壓力都很大。

（4）自動(dòng)化程度低。特別在需要多臺(tái)設(shè)備同時(shí)管理時(shí)，不易控制產(chǎn)品質(zhì)量，造成勞動(dòng)強(qiáng)度大，設(shè)備故障多。

（5）能耗高。因水平型電鑄采用鈦籃上下布置，并且電解液溢流量大，故為保證電解液能淹沒上鈦籃，需要加大電解液的循環(huán)量，造成大量的熱損失和維持電解質(zhì)循環(huán)所需要的動(dòng)力消耗。

由于以上原因及真空磁控濺射工藝的成功應(yīng)用，迫切需要開發(fā)升級(jí)換代的電鑄技術(shù)與設(shè)備，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，綠色制造。生產(chǎn)實(shí)踐也表明，泡沫鎳的電鑄生產(chǎn)線必須既滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能的需求，還要具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作和維護(hù)、有智能化開發(fā)的前景、能耗低、對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)。基于這些理念，長(zhǎng)沙力元進(jìn)行第二代電鑄設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其中試設(shè)備原理簡(jiǎn)圖如圖3-34所示。圖3-34體現(xiàn)了一種新的電鑄設(shè)備的設(shè)計(jì)理念：慢走速，短生產(chǎn)線，操作管理方便，創(chuàng)新前景廣闊，能耗低，水資源的利用可控，為后續(xù)的潔凈化生產(chǎn)奠定了環(huán)境基礎(chǔ)。

2. 第二代電鑄設(shè)備的開發(fā)

1）開發(fā)的目的

如上所述，針對(duì)第一代電鑄設(shè)備的不足，在其服役不久，便開始了第二代電鑄技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)。

2）技術(shù)創(chuàng)新

（1）設(shè)計(jì)理念。開發(fā)與真空磁控濺射工藝相匹配、同時(shí)適應(yīng)瓦特鎳電解液體系要求、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、節(jié)能減排、對(duì)環(huán)境更加友好、自動(dòng)化程度高的第二代短線電鑄生產(chǎn)系統(tǒng)。第二代電鑄設(shè)備的原理簡(jiǎn)圖如圖3-35所示。

（2）結(jié)構(gòu)特征。

① 主線特征。與第一代電鑄設(shè)備相比，生產(chǎn)線由長(zhǎng)線改為短線，電鑄方式由水平型改為立型，預(yù)電鑄方式由V型改為弧型；主體設(shè)備由放卷、預(yù)電鑄、收卷裝置組成。放卷部分為被動(dòng)放卷，由人工操作；預(yù)電鑄為單面弧型、鈦籃下位布置，且液下部分較長(zhǎng)，海綿模芯通過其間完成鎳的預(yù)電鑄，主要的電鑄過程在立式槽中完成，鈦籃為立式；陰極導(dǎo)電采用紫銅鍍鎳板、夾套水冷，置于槽體液面之上，電鑄后的泡沫鎳在陰極板上滑動(dòng)。第二代電鑄設(shè)備克服了第一代設(shè)備導(dǎo)電輥上鎳和必須停產(chǎn)補(bǔ)加鎳材造成的間歇式生產(chǎn)問題。

② 生產(chǎn)能耗降低。由于采用“電鑄在制品慢走速+短線生產(chǎn)+泡沫鎳半成品帶材噴淋清洗+電解液循環(huán)和蒸發(fā)系統(tǒng)”的生產(chǎn)模式，電鑄后的泡沫鎳半成品帶材采用間歇式小水量的水氣混合噴淋清洗，使生產(chǎn)用水量大幅減少；生產(chǎn)線可共用一套電解液循環(huán)和蒸發(fā)系統(tǒng)，省去了第一代電鑄生產(chǎn)線產(chǎn)生的大量清洗水而必須設(shè)置的廢水處理系統(tǒng)。將三廢處理問題解決在工藝環(huán)節(jié)，不僅使電解液的循環(huán)量?jī)H為第一代電鑄生產(chǎn)線的1/10，能耗顯著降低，而且由于生產(chǎn)能耗降低，車間面貌發(fā)生了很大的變化。

③ 電鑄在制品走速與張力控制：走帶系統(tǒng)由放卷、收卷、預(yù)電鑄、電鑄裝置四部分組成。根據(jù)傳動(dòng)方案，建立預(yù)電鑄大輥的輥徑和電鑄定速輥徑之間的運(yùn)行速度數(shù)學(xué)模型，同時(shí)，通過速度系數(shù)的調(diào)整，控制預(yù)電鑄與電鑄之間在制品的張力。以主傳動(dòng)定速輥為基礎(chǔ)，通過編碼器即時(shí)檢測(cè)并反饋至可編程序邏輯控制器（PLC）運(yùn)算中心。信號(hào)指令傳給傳動(dòng)電機(jī)，以調(diào)整變頻器的頻率，保持定速輥速度的恒定并與設(shè)定速度一致；同時(shí)，信號(hào)指令傳給預(yù)電鑄傳動(dòng)電機(jī)變頻器，進(jìn)行即時(shí)調(diào)整并保持大輥的線速度恒定。預(yù)電鑄與電鑄之間的張力通過變頻器速度差控制，以調(diào)整速度系數(shù)實(shí)現(xiàn)張力需求。當(dāng)設(shè)定了生產(chǎn)線的線速度、速度系數(shù)之后，整個(gè)生產(chǎn)過程中的走帶速度和張力就能自動(dòng)控制保持恒定。收卷采用滑差式恒轉(zhuǎn)矩或恒張力作業(yè)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)減速機(jī)（與電鑄傳動(dòng)系統(tǒng)共用同一臺(tái)電機(jī)）端的鏈輪，通過鏈條帶動(dòng)磁粉離合器的輸入端鏈條，輸出端的鏈輪通過鏈條帶動(dòng)固定在收卷機(jī)架上的鏈輪，同軸的齒輪帶動(dòng)收卷輥上的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。收卷張力通過磁粉離合器的電流控制，操作時(shí)通過觸摸屏設(shè)定收卷模式及磁粉離合器的相關(guān)參數(shù)。

④ 電解液循環(huán)系統(tǒng)：系統(tǒng)由低位槽、電解液泵、過濾機(jī)、流量計(jì)、蒸發(fā)系統(tǒng)、管路閥門、液位計(jì)、噴淋裝置等組成。系統(tǒng)具備電解液循環(huán)總流量、單機(jī)電鑄生產(chǎn)線分流量、預(yù)電鑄及電鑄流量的調(diào)整及液位顯示與報(bào)警等功能。該系統(tǒng)還包括凈化電解液和濃縮清洗水的功能，過濾凈化后的電解液從蒸發(fā)器中部泵入蒸發(fā)系統(tǒng)。清洗技術(shù)和氣液接觸蒸發(fā)技術(shù)的聯(lián)合使用，基本上實(shí)現(xiàn)了總系統(tǒng)的水平衡，已無含鎳廢水外排。

對(duì)電鑄后的泡沫鎳半成品帶材出槽后攜帶的電解液，可用純凈水噴淋清洗，多個(gè)扇形噴嘴以間歇方式向半成品噴射純凈水，同時(shí)噴洗陰極導(dǎo)電板，清洗液流入電鑄槽。噴淋時(shí)間由時(shí)間繼電器和電磁閥控制。

電解液的循環(huán)由泵抽取貯液槽中的電解液，經(jīng)過濾器過濾后，一部分進(jìn)入工作槽分布管，電解液沿電鑄在制品走帶的反方向流動(dòng)，溢流至貯液槽；另一部分進(jìn)入蒸發(fā)器蒸發(fā)掉。同時(shí)，蒸發(fā)帶走部分熱量，以維持電解液的總量和溫度的平衡。

蒸發(fā)器將來自貯液槽并被過濾后的電解液從頂部經(jīng)分布器，與頂部軸流風(fēng)機(jī)抽取的空氣，在填料表面進(jìn)行氣、液接觸，電解液中的水蒸發(fā)，溫度下降。水蒸氣由軸流風(fēng)機(jī)抽取從頂部排出。電解液流入底部收集槽，再泵入過濾器，過濾后進(jìn)入貯液槽。貯液槽內(nèi)配有電加熱棒，對(duì)電解液進(jìn)行加熱。

⑤ 電鑄電源。系統(tǒng)采取預(yù)電鑄和電鑄獨(dú)立供電方式，預(yù)電鑄選用一臺(tái)小功率水冷式開關(guān)電源，電鑄電源為水冷式開關(guān)電源和水冷式可控硅電源，冷卻水為循環(huán)使用的純凈水。電源操作可遠(yuǎn)程控制，采用PLC編程，觸摸屏設(shè)置，并有過流過壓報(bào)警功能。

⑥ 作業(yè)方式的改變。由于陰極導(dǎo)電方式的創(chuàng)新，不再有第一代電鑄設(shè)備的清輥問題和清輥水的廢水處理問題。大功率開關(guān)電源的應(yīng)用使電鑄電源數(shù)量減少，PLC的應(yīng)用提升了設(shè)備的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)過程的控制精度。鈦籃采用垂直布置方式，用銅排與電鑄電源的正極連接，裝填鎳珠或鎳塊。人工操作簡(jiǎn)單方便，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅度降低。

3. 第三代電鑄設(shè)備的開發(fā)

1）開發(fā)的目的

為適應(yīng)市場(chǎng)需求的變化，長(zhǎng)沙力元將泡沫鎳的生產(chǎn)定位于高檔個(gè)性化產(chǎn)品，包括油電混合動(dòng)力汽車在內(nèi)的動(dòng)力電池用泡沫鎳。因而對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)在無銅化、導(dǎo)電性、面密度的均勻性、DTR指標(biāo)、產(chǎn)品的高純度等方面的要求均有提升，生產(chǎn)過程、技術(shù)路線也面臨智能化生產(chǎn)、綠色制造等新理念的挑戰(zhàn)。

2）技術(shù)創(chuàng)新

（1）設(shè)計(jì)理念。

結(jié)合第二代電鑄設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，將無銅產(chǎn)品和防銅技術(shù)貫穿生產(chǎn)全過程。采用短線多級(jí)電鑄，生產(chǎn)線在潔凈廠房、無塵車間的環(huán)境下作業(yè)。

圖3-36為第三代電鑄設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

（2）結(jié)構(gòu)特征。

① 電鑄走帶、收/放卷恒張力控制。通過建立數(shù)學(xué)模型和設(shè)置放卷輥的輥徑、基材厚度、長(zhǎng)度、張力值等參數(shù)，以控制系統(tǒng)模擬量輸出，提高了放卷恒張力的可靠性。傳動(dòng)系統(tǒng)與速度控制方面的技術(shù)創(chuàng)新，顯著提高了速度和恒張力的控制精度，保證了各運(yùn)行速度下恒定的力矩輸出。

② 采用了立型為主多型組合的電鑄技術(shù)。與第二代電鑄設(shè)備相比，泡沫鎳的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)得到保證。

③ 實(shí)現(xiàn)泡沫鎳的無銅化生產(chǎn)。在潔凈廠房的基礎(chǔ)上，從技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)應(yīng)用、企業(yè)管理的各個(gè)層面，全程導(dǎo)入防銅理念，強(qiáng)化銅害意識(shí)，落實(shí)并踐行無銅化生產(chǎn)的規(guī)范和制度。

④ 水資源的節(jié)約利用。電解液循環(huán)系統(tǒng)采用小流量扇形噴嘴間斷噴淋水洗，噴洗間隔時(shí)間由PLC控制；蒸發(fā)系統(tǒng)改善氣液接觸蒸發(fā)與控制技術(shù)，增加了回收塔，在實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)系統(tǒng)的水平衡的基礎(chǔ)上，保證了酸霧、含鎳廢氣的零排放。

⑤ 智能化水平的提升。電沉積生產(chǎn)線自控和數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了泡沫鎳連續(xù)生產(chǎn)時(shí)的走帶速度、恒張力、電流、溫度、pH值、電解液流量、液位等工藝參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程集中管理和控制。

圖3-37為第三代電鑄生產(chǎn)線工藝控制狀態(tài)，表明該生產(chǎn)線具有優(yōu)良的工藝性能和自動(dòng)控制水平。圖3-38為第三代電鑄生產(chǎn)線所在的無塵車間。潔凈廠房和無塵車間，是引領(lǐng)高端制造業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、綠色制造和智能生產(chǎn)的開拓性建設(shè)；是生產(chǎn)工藝、設(shè)備、管理乃至企業(yè)文化現(xiàn)代化的基礎(chǔ)；是泡沫鎳制造企業(yè)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵步驟；也是個(gè)性化產(chǎn)品和精品創(chuàng)新的催化劑和必要條件。

3.2.3 電鑄鎳廢水處理的技術(shù)創(chuàng)新——膜分離技術(shù)

長(zhǎng)期以來，以電鍍?yōu)榇淼碾姵练e鎳廢水，作為一種規(guī)范，常采用化學(xué)法和離子交換法進(jìn)行處理。這些方法由于在廢水體系中引入了若干新的化學(xué)體系，處理過程造成二次污染，化學(xué)法產(chǎn)生大量污泥，離子交換法產(chǎn)生的酸堿性洗脫廢水和失效樹脂，均形成了新的化學(xué)廢棄物。

電沉積鎳廢水的處理實(shí)質(zhì)上是鎳離子與溶劑水的分離問題，采用膜分離的處理技術(shù)能有效地解決這一問題，實(shí)現(xiàn)鎳資源和水資源的全部回收利用，做到廢水零排放。

1. 膜分離技術(shù)概述

分離科學(xué)是研究分離、濃集和純化物質(zhì)的一門學(xué)科，其科學(xué)理論和技術(shù)實(shí)踐內(nèi)涵非常豐富[12]。因此，時(shí)至今日，現(xiàn)代分離學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者很難為自己研究的內(nèi)容找到一個(gè)確切的、嚴(yán)格的分類方法。膜分離技術(shù)是分離科學(xué)的重要分支。所謂膜分離技術(shù)，即借助外界能量（如施加壓力）或化學(xué)位差，其中包括反滲透原理，利用天然的或人工合成的膜，對(duì)雙組分或多組分溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離、濃集和純化的方法。采用反滲透的膜技術(shù)處理不潔凈水源，最初是出于軍事目的[13]，以后逐步發(fā)展到商業(yè)、工業(yè)對(duì)水的純化，以至用于工業(yè)生產(chǎn)廢水的處理。

反滲透所用的膜可以是生物的，也可以是制造合成的，可制成固態(tài)的或液態(tài)的。固態(tài)的膜又分有機(jī)膜或無機(jī)膜，現(xiàn)代膜制造技術(shù)十分倚重有機(jī)高分子聚合物。已開發(fā)的有機(jī)膜分為多孔膜和無孔膜。多孔膜可做成對(duì)稱的或不對(duì)稱的，即膜的厚度與孔徑是一致（對(duì)稱）或不一致（不對(duì)稱）的。而不對(duì)稱膜可以是由一種聚合物制成的整體不一致，也可以是不同聚合物的組合，故又分為轉(zhuǎn)相膜和復(fù)合膜。膜分離技術(shù)便是針對(duì)分離物的特點(diǎn)和分離需求，利用不同膜材的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)分離、濃集、純化的技術(shù)[14]。

反滲透膜分離是一種最先進(jìn)的化工分離技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，分離效果好，工藝性能優(yōu)異，對(duì)環(huán)境友好，常被各類分離需求作為綠色制造的優(yōu)選，是創(chuàng)新時(shí)代最有發(fā)展前途的高新技術(shù)之一。

2. 長(zhǎng)沙力元的鎳廢水反滲透膜分離系統(tǒng)[15]

該系統(tǒng)的主要技術(shù)措施有微濾、超濾、反滲透和負(fù)壓蒸餾。微濾和超濾屬于篩分機(jī)理，主要用于廢水的預(yù)處理。反滲透是將溶液中溶劑（如水），在壓力作用下透過一種對(duì)溶劑（如水）有選擇性地透過的半透膜進(jìn)入膜的低壓側(cè)，而溶液中的其他成分（如鹽）被阻留在膜的高壓側(cè)，形成濃縮液。濃縮液或被輸送到電鑄槽以便回收利用，或被負(fù)壓蒸餾結(jié)晶，從而達(dá)到分離、濃縮、純凈回收的目的。

微濾和超濾的篩分作用[16]是在進(jìn)行反滲透處理之前除去鎳廢水中的固體微粒，這些微粒雜質(zhì)可能是工藝過程中設(shè)備、工件、環(huán)境、電極反應(yīng)中偶然和不可避免地混入和產(chǎn)生的。它們的存在會(huì)對(duì)反滲透過程和膜產(chǎn)生不良影響。

鎳廢水水質(zhì)情況見表3-1。其中，鎳離子濃度變化較大，尚有一定量的鈉離子未列出。2000年9月進(jìn)行了中試，中試結(jié)果非常成功[17]，在其基礎(chǔ)上，確定了規(guī)模運(yùn)行的設(shè)備選型和工藝參數(shù)。

反滲透膜處理系統(tǒng)采用三級(jí)膜分離技術(shù)，設(shè)計(jì)處理量為1200 m3/d，避免鈉離子在濃縮液中的積累，因?yàn)檫^量的鈉離子可能使電鑄的鎳層產(chǎn)生較大應(yīng)力。第一級(jí)采用納濾膜（NF）濃縮裝置，由于納濾膜與反滲透膜相比，膜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更疏松，對(duì)鈉離子的截留率低，水的滲透性大[18]，所以第一級(jí)選用美國(guó)陶氏公司生產(chǎn)的NF270型納濾膜元件，分A、B兩組獨(dú)立運(yùn)行，每組采用24支8英寸膜元件，按3:1排列；第二級(jí)采用反滲透濃縮裝置，選用6支陶氏公司生產(chǎn)的BW30～365型反滲透膜元件；第三級(jí)采用高壓海水反滲透濃縮裝置，選用陶氏公司生產(chǎn)的6支SW30-4040型膜元件。膜濃縮系統(tǒng)的泵選用丹麥格蘭富生產(chǎn)的離心泵，壓力容器選用CODELINE品牌。管道低壓部分采用ABS塑料，高壓部分采用SS316型不銹鋼。整套膜濃縮系統(tǒng)采用西門子可編程序邏輯控制器PLC，同時(shí)完成電氣和儀表的自動(dòng)控制。采用上位機(jī)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行工藝狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，隨時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)（包括流量、溫度、總?cè)芙夤腆w、pH值、壓力等），并定期采集記錄數(shù)據(jù)，自動(dòng)繪制系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的趨勢(shì)圖。同時(shí)也可以采用就地手動(dòng)操作系統(tǒng)，對(duì)液位、壓力、溫度、電動(dòng)球閥同泵之間進(jìn)行連鎖控制。整套系統(tǒng)采用在線清洗，具有定時(shí)使用透過液自動(dòng)沖洗的功能。圖3-39為反滲透膜分離系統(tǒng)部分設(shè)施。

3. 鎳廢水膜分離工藝流程

膜分離系統(tǒng)工藝流程示意圖如圖3-40所示。車間排放的廢水先收集到地下水池，通過泵提升到膜分離系統(tǒng)，經(jīng)過預(yù)處理后的電鑄鎳廢水進(jìn)入第一級(jí)納濾膜濃縮系統(tǒng)，即圖中的“NF系統(tǒng)”。納濾膜分A、B兩組，每組可獨(dú)立運(yùn)行，總處理量為50 m3/h，濃縮10倍；透過液以45 m3/h的流量被回收利用到生產(chǎn)體系；濃縮液以5 m3/h的流量進(jìn)入二級(jí)膜濃縮系統(tǒng)，即圖中的“RO系統(tǒng)”；“NF濃縮液”以5 m3/h的流量進(jìn)入“一級(jí)濃水箱”，然后進(jìn)入“RO系統(tǒng)”。第二級(jí)采用反滲透濃縮，處理量為5m3/h，濃縮5倍，透過液以4 m3/h的流量回到水箱，“RO濃縮液”經(jīng)過“二級(jí)濃水箱”，以1 m3/h的流量進(jìn)入第三級(jí)膜濃縮系統(tǒng)，即圖中的“SWRO系統(tǒng)”。第三級(jí)為高壓海水反滲透濃縮，處理量為1 m3/h，濃縮2倍以上，透過液以大于0.5 m3/h的流量回到水箱，“SWRO濃縮液”以小于0.5 m3/h的流量進(jìn)入“三級(jí)濃水箱”，總共被濃縮100倍以上。流量小于0.5 m3/h的含鎳離子20 g/L以上的“SWRO濃縮液”回收到電鑄槽，或經(jīng)負(fù)壓蒸餾后得到鎳鹽晶體。回收到生產(chǎn)體系的流量為45 m3/h納濾膜透過液可用作電鑄生產(chǎn)線的漂洗水，或者作為其他工藝用水。

電沉積和膜分離將是智能制造時(shí)代兩個(gè)關(guān)聯(lián)創(chuàng)新的產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)成果必然會(huì)為我國(guó)新經(jīng)濟(jì)時(shí)代的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和制造業(yè)升級(jí)發(fā)揮積極的作用，正如泡沫鎳制造采用膜分離技術(shù)走過的創(chuàng)新道路那樣。

目前，膜分離技術(shù)在電沉積領(lǐng)域的應(yīng)用遠(yuǎn)不及它在醫(yī)藥、食品、生物等行業(yè)那樣深入和普及[19]，原因是多方面的。但是，包括電鑄、電鍍?cè)趦?nèi)的未來電沉積產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型，必然離不開膜分離技術(shù)的應(yīng)用和膜制造技術(shù)自身的創(chuàng)新和進(jìn)步[20]。

像所有獨(dú)具特質(zhì)的工程材料一樣，在它們受到青睞并催生某些領(lǐng)域的創(chuàng)新成果的同時(shí)，自身品質(zhì)和制造技術(shù)也會(huì)經(jīng)歷種種的創(chuàng)新與升華，如前所述，在助力動(dòng)力型金屬氫化物-鎳電池以及油電混合動(dòng)力汽車成功開發(fā)的同時(shí)，濃縮在泡沫鎳身上的技術(shù)元素也在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)上綻放出光彩。各項(xiàng)技術(shù)的內(nèi)涵和之間的對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律、相輔相成的聯(lián)系，無論技術(shù)戰(zhàn)略還是工藝瓶頸都曾經(jīng)使所有的開發(fā)創(chuàng)新之路既布滿荊棘，又灑滿陽光。

人類對(duì)新的、美好事物的追求不會(huì)止步，創(chuàng)新方興未艾，泡沫鎳的個(gè)性化產(chǎn)品乃至后泡沫鎳時(shí)代，令創(chuàng)新者遐想，令包括新能源領(lǐng)域在內(nèi)的眾多新技術(shù)領(lǐng)域期待。