前言

鋁型材的初始表面一般存在一層自然氧化膜和其他污染物，甚至有輕微表面碰擦花等缺陷，故在進(jìn)行主要陽(yáng)極氧化處理之前要對(duì)型材表面做預(yù)處理。鋁型材表面預(yù)處理大致可分為：機(jī)械預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理和電化學(xué)預(yù)處理。而化學(xué)預(yù)處理最為常用，它也是最為經(jīng)濟(jì)的鋁表面預(yù)處理工藝。

鋁合金陽(yáng)極氧化前處理工藝從最傳統(tǒng)的堿蝕處理技術(shù)到后來(lái)酸蝕處理技術(shù)，經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)百年的時(shí)間。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷升級(jí)，減少環(huán)境污染，提高人類健康安全的生存環(huán)境日趨重要。而傳統(tǒng)的堿蝕和酸蝕前處理工藝都會(huì)產(chǎn)生大量的廢水、廢氣、廢渣等環(huán)境污染源。

在鋁型材酸蝕處理工藝中，氟化氫銨一直作為最主要的酸蝕起砂劑而被廣泛使用，由此產(chǎn)生的氟化物、氮化物污染對(duì)環(huán)境帶來(lái)越來(lái)越嚴(yán)峻的考驗(yàn)，而國(guó)家以及地方政府也先后出臺(tái)了各類防止環(huán)境污染、呼吁節(jié)能減排的相應(yīng)政策，在這樣重重壓力之下，使得采用一種新型的無(wú)污染的表面處理技術(shù)勢(shì)在必行，而鋁合金無(wú)氟無(wú)銨“四合一”表面預(yù)處理技術(shù)順勢(shì)填補(bǔ)這一空缺。在2010年我司成功引入這一先進(jìn)的表面預(yù)處理技術(shù)。

2 表面預(yù)處理一般工藝流程及其缺陷分析

2.1 預(yù)處理一般工藝流程

鋁合金表面前處理工藝主要分為堿蝕和酸蝕兩大類。標(biāo)準(zhǔn)的堿蝕預(yù)處理槽位布置（如圖1）：

圖1 標(biāo)準(zhǔn)的堿蝕預(yù)處理槽位布置

其中5個(gè)工作槽，每個(gè)工作槽配兩個(gè)水洗槽，加流動(dòng)水洗待料槽，氧化前處理需要10個(gè)槽位，1#除油槽主要是清除鋁表面的油脂和灰塵等污染物，4#堿蝕的目的是去自然氧化膜，進(jìn)一步去除表面贓物，其中4#堿蝕槽為表面前處理主要工作槽。

堿蝕時(shí)主要化學(xué)反應(yīng)：

Al₂O₃+2NaOH=2NaAlO₂+H₂O （1）

Al+2NaOH+2H₂O=2NaAlO₂+3H²↑ （2）

NaAlO₂+2H₂O=Al(OH)₃↓+NaOH （3）

2Al(OH)₃Al₂O₃+3H₂O （4）

7#中和槽的目的是除去殘留于鋁材上的掛灰，以獲得較光亮的金屬表面，同時(shí)中和鋁材表面殘留的堿液，防止陽(yáng)極氧化槽液受到污染。

酸蝕工藝是在堿蝕工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，使用了近10多年時(shí)間。酸蝕表面預(yù)處理槽位是插入在原堿蝕工藝的除油槽和堿蝕槽之間。其功能是加入氟化氫銨，利用氟離子起砂、去機(jī)械紋，反應(yīng)機(jī)理為：

3F-+Al³⁺AlF₃（5）

6F-+Al³⁺+3NH⁴⁺(NH₄)₃AlF₆（6）

酸蝕與堿蝕的去機(jī)械紋機(jī)理不同。酸蝕是利用覆蓋理論，按反應(yīng)式（5），氟鋁酸鹽難溶、氟的絡(luò)離子電負(fù)性較強(qiáng)，氟化物完全覆蓋機(jī)械紋。按反應(yīng)式（6），機(jī)械紋溝表面被溶解，溝內(nèi)近乎與藥劑隔絕，反應(yīng)速度很慢，兩者的反應(yīng)速度差，決定去紋較快。

2.2 缺陷分析

工藝較為復(fù)雜，槽位太多。酸堿槽液相互交叉，型材需從強(qiáng)酸到強(qiáng)堿、再?gòu)膹?qiáng)堿到強(qiáng)酸進(jìn)行處理，盡管中間各設(shè)置兩道水洗槽，也難免串槽，工作槽的藥劑互相消耗；

功效低，水洗槽多，用水量和藥劑消耗量大。鋁材氧化前要經(jīng)過(guò)10-13個(gè)槽，總水消耗量約為10.0-15.0噸/噸型材，同時(shí)，每個(gè)工作槽都要消耗大量的化學(xué)藥劑，除用水成本外，這些廢水的處理和排放，都加大了成本的投入；

此外，除油槽、酸蝕槽、中和槽帶出來(lái)的槽液中含有氟、氨氮等有害離子，嚴(yán)重阻礙了廢水的回用與排放；同時(shí)，在生產(chǎn)中釋放出來(lái)的氟化氫氣體嚴(yán)重危害工人健康，腐蝕設(shè)備，污染大氣。

3 “四合一”表面預(yù)處理工藝與應(yīng)用

3.1 “四合一”技術(shù)應(yīng)用原理

無(wú)氟無(wú)銨四合一表面預(yù)處理槽位布置圖：

此生產(chǎn)過(guò)程將傳統(tǒng)工藝的四個(gè)工作槽合一，槽液配方選用無(wú)氟無(wú)銨的化學(xué)成分，省去了原工序中三個(gè)功能槽和六個(gè)水洗槽，大大節(jié)省了鋁料在槽位間的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，大大減少化學(xué)藥劑消耗量，降低了四分之三的廢水排放量減低勞動(dòng)強(qiáng)度同時(shí)提高工作效率。

此外，此工藝配備藥劑回收和減少?gòu)U水排放技術(shù)方案，有效解決了鋁合金陽(yáng)極氧化前處理中的氟和銨污染，實(shí)現(xiàn)鋁合金表面前處理的廢水大部分回收，大大減少企業(yè)治理污染量，減少排放并降低生產(chǎn)成本。
各工作槽原理如下：

1#四合一砂面槽集原工藝中除油、酸蝕、堿蝕、中和四個(gè)工作槽為一體，堿性槽液，功能作用為脫脂、去自然氧化膜、去紋、起砂、調(diào)整鋁合金底色、去灰；

2#平光槽主要是截留1#槽藥劑，分解沉淀氫氧化鋁和磷酸鋁，再生回收堿液，對(duì)1#槽補(bǔ)充液位；

3#、4#水洗截留槽也是進(jìn)一步截留藥劑、分解沉淀氫氧化鋁和磷酸鋁、再生回收堿液；

4#水洗截留槽帶出的堿液與5#水洗待料槽反向補(bǔ)水的酸液在本槽在線中和，使處理的鋁材由堿性槽液順利過(guò)渡到酸性槽液；

5#水洗待料槽與氧化后的7#水洗槽連通，槽液為酸性。鋁材在本槽進(jìn)一步中和，除灰，在酸性條件下待料，可防止腐蝕點(diǎn)和白斑；酸性水洗后進(jìn)入6#氧化槽，節(jié)約氧化液；

6#氧化槽即為常規(guī)氧化，帶出的氧化液被7#槽截留，補(bǔ)充7#槽和5#槽酸液，維持5#槽酸度值。

3.2 “四合一”主槽工作機(jī)理

因整條氧化線廢水偏酸性，為減少?gòu)U水排放，中和偏酸廢水，故將其設(shè)計(jì)為堿性條件下工作。鋁材進(jìn)入本槽后，按原電池原理，以純鋁相為陽(yáng)極，合金相為陰極，按反應(yīng)式（1）和（2）進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，用十二烷基磺酸鈉除去油污和指紋，用磷酸鹽起砂去紋，當(dāng)鋁離子和磷酸根濃度超過(guò)磷酸鋁的溶解度時(shí)，將進(jìn)行如下反應(yīng)：

Al³⁺+PO4_3-AlPO₄(7)

磷酸鋁附著在鋁材表面機(jī)械紋溝底，使其近乎與槽液隔離，而溝表面反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，迅速去除機(jī)械紋。

在表面活性劑、硫酸鹽和磷酸鹽聯(lián)合作用下，鋁材表面無(wú)灰，省去了中和槽，可直接進(jìn)行陽(yáng)極氧化。另外本槽添加有足量的山梨醇，充分絡(luò)合鋁離子，不分解，不沉淀，以保證槽液長(zhǎng)期工作。

2#平光槽的化學(xué)藥劑完全由1#槽帶入，組分一樣，但濃度低很多，槽液帶入本槽后，按反應(yīng)式（3）、（4）和（7）進(jìn)行反應(yīng)，分解出氫氧化鋁、磷酸鋁和氫氧化鈉。在堿和絡(luò)合劑濃度不高的條件下，磷酸鋁飽和析出，偏鋁酸鈉分解出氫氧化鋁沉淀和氫氧化鈉，通過(guò)抽渣系統(tǒng)，將2#槽沉渣磷酸鋁、氫氧化鋁抽到2#槽副槽，回收氫氧化鋁和磷酸鋁；而偏鋁酸鈉水解出來(lái)的氫氧化鈉使本槽堿濃度不斷升高再生堿液；

此外，平光槽再生的堿液，通過(guò)1#槽副槽澄清后，可以補(bǔ)充1#槽液位，節(jié)約60%以上堿消耗。

將“四合一”表面預(yù)處理工藝結(jié)合離心抽渣系統(tǒng)、藥劑回收系統(tǒng)、水循環(huán)凈化處理系統(tǒng)及反向補(bǔ)水中和系統(tǒng)形成一套完整的鋁合金無(wú)氟無(wú)銨“四合一”表面前處理及節(jié)能減排工藝。

3.3 “四合一”工藝與普通工藝應(yīng)用對(duì)比

四合一工藝與普通堿蝕及普通酸蝕工藝時(shí)間比較：

從上表可以看出應(yīng)用四合一工藝在工藝操作時(shí)間上得到大幅度下降，不僅從直接降低生產(chǎn)成本上，而且在鋁損耗、、人工及廢水處理等間接生產(chǎn)成本上也獲得了極大的利潤(rùn)空間。

與普通酸堿蝕相比，本工藝有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

第一，在藥劑方面，采用無(wú)氟無(wú)銨配方，用磷酸鹽作為主要的起砂和去機(jī)械紋主鹽，徹底解決了氟污染和氨氮超標(biāo)的行業(yè)難題，確保廢水處理減少環(huán)境負(fù)擔(dān)；

第二，節(jié)約用水，減少水洗槽，由原來(lái)的六道水洗減少到二次水洗；并將前處理和氧化后的水洗槽完全截留，在線中和，節(jié)水為原來(lái)的三分之二以上；

第三，簡(jiǎn)化槽位布局，摒棄傳統(tǒng)酸堿槽交叉布局，將酸蝕工藝的四個(gè)功能槽合為一個(gè)，不串槽且降低藥劑消耗；整個(gè)工藝過(guò)程依靠藥劑和配套系統(tǒng)的巧妙結(jié)合，將抽渣系統(tǒng)、藥劑回收系統(tǒng)、反向補(bǔ)水中和系統(tǒng)和水循環(huán)凈化處理系統(tǒng)合為一體，實(shí)現(xiàn)了鋁合金表面氧化處理無(wú)氟無(wú)銨、四槽合一、節(jié)約藥劑、回收鋁渣、減少?gòu)U水排的理想目標(biāo)，達(dá)到節(jié)能、降耗、減污、增效的精益生產(chǎn)目的。

4 “四合一”表面預(yù)處理工藝應(yīng)用效果

本文主要研究了鋁型材無(wú)氟無(wú)銨四合一表面預(yù)處理工藝，對(duì)四合一表面前處理工藝的作用機(jī)理作了分析。并通過(guò)試驗(yàn)，確定了實(shí)際應(yīng)用工藝操作。同時(shí)，應(yīng)用該工藝可以有效解決鋁合金陽(yáng)極氧化前處理中氟和銨的污染，實(shí)現(xiàn)藥劑回收和廢水少量排放，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染。
無(wú)氟無(wú)銨四合一表面前處理節(jié)能減排工藝的應(yīng)用，極大地改善我企表面陽(yáng)極氧化預(yù)處理的環(huán)?，F(xiàn)狀，同時(shí)也極大程度降低了生產(chǎn)成本。

對(duì)比推行此工藝前后一年生產(chǎn)周期內(nèi)，以去年我企一年加工氧化型材量計(jì)算，預(yù)處理部分，使用四合一藥劑較傳統(tǒng)藥劑消耗量減少了38%；傳統(tǒng)工藝產(chǎn)生的含氟、氨廢渣改用用無(wú)氟無(wú)銨技術(shù)后，配套使用堿回收系統(tǒng)，將產(chǎn)生的廢渣進(jìn)行回收處理后可以重復(fù)利用；此外，傳統(tǒng)表面預(yù)處理工藝過(guò)程廢水排放量巨大，而無(wú)氟無(wú)銨四合一處理工藝結(jié)合使用廢水循環(huán)使用系統(tǒng)，也大大減小廢水排放量。

在人類活動(dòng)影響環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)峻的今天，節(jié)能減排工作顯得愈加重要，尤其是對(duì)影響健康和生態(tài)平衡的工業(yè)三廢排放的控制愈加棘手。無(wú)氟無(wú)銨“四合一”表面前處理及節(jié)能減排工藝的應(yīng)用，從根本上控制了氟、氨等有害化學(xué)物質(zhì)的排放，同時(shí)大量減少藥劑和工業(yè)用水用量，對(duì)保護(hù)地球生態(tài)環(huán)境、節(jié)約水資源都起著不可估量的作用。