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长沙力元一期工程的投产，在连续带状泡沫镍材料国产化的进程中具有重要意义。然而，由于生产过程海绵模芯导电化处理采用了化学镀镍工艺，工序中产生多种工业废水；电铸镍工艺也产生大量含镍废水，处理技术难度大，成本高昂。为彻底解决这一难题，该企业对导电化工艺及电铸镍废水的处理进行了开创性的技术革新。
（1）导电化采用真空磁控溅射，以真空磁控溅射工艺替代化学镀镍，完成聚氨酯海绵被加工成电铸模芯的导电化处理。真空磁控溅射技术属于气相物理沉积，从工艺技术上根本解决了化学镀镍及其前处理工序带来的复杂的废水处理难题。而且由于生产方式的改变，生产效率也大幅提高。与此同时，还消除了化学镀镍在泡沫镍中掺杂磷的弊端，减小了泡沫镍的电阻。
（2）电铸镍系统的技术革新，采用短线代替长线，提升了产品质量，改善了生产环境和生产格局，使电铸镍废水最终达到无排放的要求。
（3）在继续使用长线生产泡沫镍的过程中，用膜处理技术替代化学法处理每日产生的1000t电铸镍废水。该项技术的承接商通过长沙力元这个平台在中国首创了膜处理电镀镍废水的一套行之有效的零排放技术，达到镍和水的同时回收，并作为范例在中国电镀行业推广。目前，已成为电镀行业电镀镍废水处理的先进方法。
1．概述
20世纪末，可用于泡沫镍制造的真空磁控溅射生产技术在国内尚属空白。当时面临的技术瓶颈有以下3点。
（1）真空度的保证和镀膜温度的控制。镀膜材料为三维多孔聚氨酯海绵，抽真空排气时间长。而聚氨酯化学稳定性又很差，温度高于60℃时便有气体逸出，使真空度降低，因而成为技术难点之一。
（2）溅射靶的结构设计。靶材是用纯镍制作的，且是磁性材料，因此，靶的厚度、靶面磁场分布、靶体的温度、靶材溅射利用率等诸多因素，是设计中必须反复实验摸索才能获得的优化数据，成为技术难点之二。
（3）海绵拉伸的张力控制。海绵在真空磁控溅射镀膜机内须连续放卷、收卷，卷辊的运转必须保证张力适中、稳定。张力过大，会使海绵过度变形，破坏孔径、孔形结构甚至使海绵走偏、断带；张力太小，海绵带材不能绷紧，镀膜层的均匀性及平整度严重变差，不仅产品质量下降，而且在生产过程中带材海绵跑偏、打滑、缠带、吊带故障也频繁发生。张力控制系统的难度主要原因如下：海绵带材的走速和张力是一对强耦合物理量，而放卷筒的线速度又是实时变化的，在此系统中，速度的变化必然引起张力的变化，反之，张力变化又会引起速度的波动；系统动力模型变化频繁。随着放卷的连续进行，海绵卷的直径不断变小，系统惯性不断变化，复杂的系统对实时控制的要求增强。卷绕系统由很多辊子组成，各子系统之间相互影响，导致海绵张力控制相当复杂。动力模型需要大量的数据积累，并不断修正，成为技术难点之三。
长沙力元先后与国内两家真空设备厂合作，从1999年到2006年共开发了三代真空磁控溅射镀膜机，有4种机型，分别是哑铃式磁控溅射镀膜机、偏置哑铃式磁控溅射+电弧离子镀组合镀膜机、箱式磁控溅射镀膜机、偏置哑铃式磁控溅射镀膜机。曾尝试采用过磁控溅射镀、磁控溅射+电弧离子组合镀等多种工艺。通过比较镀膜质量、工艺稳定性、生产成本、生产效率、设备成本、设备维护和操作性能等多重技术指标，以及对包括原料性能在内的各种影响因素综合评估，最终选择的主体机型为偏置哑铃式结构，采用真空磁控溅射镀膜工艺，即第三代真空磁控溅射镀膜机。
2．第一代真空磁控溅射镀膜机的开发
第一代真空磁控溅射镀膜机是由长沙力元与兰州真空设备厂合作共同开发的。原型机的设计参数是通过在小型镀膜机上的实验数据而确定的，于2001年生产出合格的镀膜产品。
真空磁控溅射镀膜机的创新点如下：
（1）上镍量。依据长沙力元原有生产工艺化学镀镍导电化处理的数据，即厚度为1mm长度为300m的聚氨酯海绵卷材上镍量的目标值为10g/m 2 以下。后期发现，PVD工艺无法达到如此高的上镍量，设备和镀件都无法承受，生产不出合格的产品。经技术改进并通过试验选择了上镍量的优化值，在后来的技术进步中该值不断被修正和完善。
（2）真空度。依据前期在小型真空磁控溅射镀膜机上的海绵镀镍试验数据，确定的本底真空度为5×10 -4 Pa，工作真空度为（2～5）×10 -2 Pa，抽空时间为40min。在第一代真空磁控溅射镀膜机的设计中，配备了多套抽真空设备，功能强大。第二代真空磁控溅射镀膜机真空度指标全部降低了1～2个数量级，生产效率更高。
（3）工艺流程。在卷绕式真空磁控溅射镀膜机内，采用磁控溅射物理气相沉积技术在聚氨酯海绵带材上一次性双面沉积含镍量为99.9%的纯镍金属，对有机多孔带材进行连续导电化处理。
（4）真空磁控溅射镀膜机结构。第一代真空磁控溅射镀膜机采用立式中置哑铃结构，上、下两端分别为圆筒形收卷室和放卷室。收卷室内安装有收卷辊，放卷室内安装有放卷辊，收卷室和放卷室之间连接安装镀膜室、导向辊和测量辊，镀膜室安装磁控溅射靶。磁控溅射镀膜室的两侧分别安装多对磁控溅射靶。第二代真空磁控溅射镀膜机的镀膜室采用偏置哑铃结构，采用磁控溅射靶或磁控溅射靶+电弧靶的组合形式。
（5）操作方式。第一代真空磁控溅射镀膜机的送料/出料采用上放下收的工作形式，卷材从靶间通过，一次性完成镀膜。第二代真空磁控溅射镀膜机的送料/出料采用下送下收的工作形式，镀膜方式与第一代真空磁控溅射镀膜机的方式不同。
（6）海绵张力控制系统。张力可以通过直接和间接两种方式进行控制。第一代真空磁控溅射镀膜机采用直接张力控制方式，即通过磁粉张力控制器测量海绵走带运行过程的张力并进行反馈，与设定的张力比较后作为张力调节的给定，以实现恒张力控制。第二代真空磁控溅射镀膜机采用间接张力控制方式，即通过对机构的机理进行分析建立张力控制模型，从中找到影响张力的相关物理量，并对其进行检测和控制，采用磁粉张力控制器+编码器。
（7）溅射室及溅射工艺。第一代真空磁控溅射镀膜机包括溅射室2个，其结构形式为箱形，带有冷却水夹套、冷却水循环系统；平面磁控溅射靶安装在每个溅射室内，相向布置，每个靶体可以单独手动打开，方便更换靶材和清理工作；溅射靶的材料采用含镍量为99.9%的纯镍板靶面，靶材利用率不小于10%；溅射用电源采用国产脉冲直流电源，功率为20kW，采用水冷结构，可满足恒流、恒功率和恒压3种工艺要求，如图3-13所示。
图3-13 第一代真空磁控溅射镀膜机的溅射室
（8）真空系统。本台设备采用了两套K900型扩散真空泵（简称扩散泵）+罗茨真空泵（简称罗茨泵）+旋片真空泵（简称旋片泵）的主真空系统，一套K630型扩散真空泵+罗茨真空泵+滑阀真空泵的辅助真空获得系统，放卷室为主抽气口，左右各1个；溅射室和收卷室分别布置辅助抽气口，在放卷室的扩散泵主抽气口处布置一套深冷设备，增强海绵放卷时的瞬时吸附能力，真空检测规管分别布置在收/放卷室和溅射室，用于监测设备的真空度。放卷室及真空系统如图3-14所示，收卷室及真空系统如图3-15所示。
图3-14 放卷室及真空系统
图3-15 收卷室及真空系统
（9）PLC控制柜。整台设备的操作系统采用PLC编程，有自动、手动、维修三种工作模式，实现生产过程全自动控制、生产过程动画演示。
（10）卷绕系统。收/放卷采用电机+电磁离合器+磁粉离合器+动力连接轴，包括收/放卷辊、导向辊和张力测量辊；收/放卷电机为伺服调速电机，张力控制系统采用开环直接控制模式。
（11）其他部件。收/放卷室全部空间采用紧凑的筒形结构。收/放卷室的仓门，以及收/放卷辊和卷绕动力系统安装在装/卸料运行车上。冷却水循环系统主机采用螺杆压缩机组，冷却水温度设定为15℃，有效地起到降低靶、泵、溅射室工作温度的效果。
（12）总体结构。设备主体长为3m、宽为2m、高为8m，真空室全部采用不锈钢材料制造，外形为哑铃式结构，收/放卷室分开，送料/出料采用上放下收的工作形式。设备主体构成包含真空室（包括收/放卷室、靶、靶材）、真空系统、氩气流量控制系统、传动系统、设备的水冷循环系统、装/卸料运行车、自动控制及测量系统、电源和控制柜、操作平台、Policool深冷机、材料转运吊台。第一代真空磁控溅射镀膜机的立体结构如图3-16所示。
图3-16 第一代真空磁控溅射镀膜机的立体结构
（13）该设备是国内首台，属于中试产品，各个系统配置非常齐全，成本高；后续设备设计的工艺参数都是在这台设备的试验中获得的，它为后期设备提供了丰富的实验数据和经验。在这台设备上验证成熟的参数、结构、系统，全部用到后期设备上，如真空度、靶间距、扩散真空泵+机械真空泵的真空系统、靶的结构和冷却水系统等。
3．第二、三代真空磁控溅射镀膜机的开发
第二代真空磁控溅射镀膜机分别采用偏置哑铃式结构和方形盒式结构两种方式，第三代真空磁控溅射镀膜机仅采用偏置哑铃式结构。在生产中发现，偏置哑铃式结构与方形盒式结构相比，机型结构紧凑，获得真空的时间短，工作真空容易维持；同样工艺条件下真空系统配置少，工艺参数调整灵活，维修方便，维护时间少，设备的造价和生产成本都较低。因而，在第三代机型中，方形盒式结构被淘汰，重点开发偏置哑铃式结构。偏置哑铃式结构机型的开发分两个阶段进行。
根据第一代中试机的经验，要满足海绵导电化处理的镀膜上镍量，需要多靶结构。但是，靶的数量过多，会造成设备体积过大，增加真空系统的负荷。而且，聚氨酯海绵经过多靶连续溅射，表面温度升高，聚氨酯的化学性能变得很不稳定，不断有气体逸出，工作真空度波动很大。为预防这种情况发生，须额外配置真空系统，又会增加生产成本和设备造价。因此，在第二代真空磁控溅射镀膜机中，尝试采用电弧离子镀+磁控溅射混合镀的方式，希望用少量的电弧靶代替部分磁控溅射靶；设备的总高度降低了1/3，操作平台高度由原来的7m降低到3m。两个检修平台作为工序间更换靶材、清洁溅射室及设备检修用。实践证明靶的减少和设备高度的降低，能有效保证设备真空度的一致性，减少真空系统的配置。真空系统选择了一套KA630型扩散真空泵+旋片真空泵的系统和两套KA400型扩散真空泵+罗茨真空泵+旋片式真空泵系统，除去了昂贵的Policool深冷机。工艺流程由原来的海绵带材的上放下收改为下放下收，通过PLC控制软件对走带速度进行控制，减少了膜在靶面的停留时间，降低了离子溅射在海绵上的热量叠加，避免了海绵镀膜时的放气现象，所配置的真空系统能有效地保证工作真空度的稳定。但是，在后续的试验中发现，由于电弧靶的离子颗粒大，虽然镀膜上镍量达到了工艺要求，但是电阻值反而不如单纯使用磁控溅射靶镀膜理想。因此，后期关闭了电弧靶，调整了磁控溅射靶的数量。改进型设备的成本是第一代真空磁控溅射镀膜机的1/4，工作效率是第一代真空磁控溅射镀膜机的1.5倍。第二代真空磁控溅射镀膜机结构和原理分别如图3-17和图3-18所示 [11] 。
1—抽真空机组12—抽真空机组33—下筒体 4—溅射室
5—过渡室 6—抽真空机组2 7—沉积镀膜室 8—上筒体
图3-17 第二代真空磁控溅射镀膜机（磁控溅射+电弧离子组合）结构
1—上卷筒室 2—电弧离子镀膜室 3—溅射室 4—下卷筒室 5—真空系统
图3-18 第二代真空磁控溅射镀膜机（磁控溅射+电弧离子组合）原理
通过第一、二代设备的生产实践，对聚氨酯海绵进行磁控溅射导电化处理的镀膜工艺，积累了许多成熟的经验和数据。依据这些数据，在第三代真空磁控溅射镀膜机的设计中，对设备做了进一步的精简和提升。采取了设备的总高度不超过第二代真空磁控溅射镀膜机的设计原则，除去电弧靶，仅采用磁控溅射靶；溅射室的高度小于原机型电弧靶室与磁控溅射靶室的高度之和，在溅射室两侧安装了自动靶门；靶的更换、清洁维护可以实现半自动化，靶的其余参数不变。真空系统配置虽改进为粗抽机组和维持机组两套设备，但设备成本和维持费用反而降低1/3。由于沉积膜质量的改善，使工艺参数上镍量进一步降低。与第二代真空磁控溅射镀膜机相比，维护更加便利，产品质量进一步提高，生产效率提高15%，生产成本进一步降低。第二代和第三代的偏置哑铃式机型的共同点如下：磁控溅射靶电源均采用国产脉冲直流电源，海绵张力控制采用间接控制方式，送料/出料采用下送下收的工作形式，PLC控制软件一致，传动与控制系统、真空测量及工艺控制系统一致，含真空度、上镍量等工艺数值一致，辅助系统一致，包括水温设定为15℃的冷却水循环系统、氩气流量控制系统、压缩空气分配部件、装/卸料运行车等，均无变化。设备主体构成包括真空室（包括靶、靶材）、真空系统、氩气流量控制系统、传动系统、设备的水冷循环系统、装/卸料运行车、自动控制及测量系统、电源和控制柜、操作平台。第三代真空磁控溅射镀膜机如图3-19所示，第三代改进型真空磁控溅射镀膜机如图3-20所示。
图3-19 第三代真空磁控溅射镀膜机
图3-20 第三代改进型真空磁控溅射镀膜机
第三代真空磁控溅射镀膜机（包括改进型）具有如下主要的结构特点：
（1）溅射室。结构形式为箱形，带有冷却水夹套；在溅射室两边有侧门，可自动开启，用于更换靶材和清理工作；溅射靶的材料采用含镍量为99.9%的纯镍，靶材利用率＞11%。溅射用电源采用国产脉冲直流电源，功率为20kW。溅射室及靶门如图3-21所示，磁控溅射靶如图3-22所示。
（2）真空系统。第三代改进型设备采用了两套机组，粗抽机组由H150型滑阀真空泵、ZJB300型罗茨真空泵和ZJB1200型罗茨真空泵组成，维持机组由2H70型滑阀真空泵、ZJB300型罗茨真空泵和K900型扩散真空泵组成，上卷筒室为主抽气口，真空系统实物照片如图3-23所示，真空系统结构如图3-24所示。
图3-21 溅射室及靶门
图3-22 磁控溅射靶
图3-23 真空系统实物照片
图3-24 真空系统结构
（3）控制系统。整台设备的操作系统采用PLC编程，人机操作界面中有自动、手动、维修、工艺设定界面，且在自动、手动界面中均须建立严格的互锁关系，生产过程实施一键启动，即全自动方式。真空磁控溅射镀膜机能实现自动稳定转向，上、下空辊检测，材料卷径的自动检测。控制柜如图3-25所示，镀膜控制界面如图3-26所示。
图3-25 控制柜
图3-26 镀膜控制界面
（4）卷绕系统。采用伺服控制系统，走带速度为0～20m/min，在工作中走带速度可随意改变，并能实现正、反向自动走带和转向。走带速度检测采用电机的反馈速度作为走带速度的检测与显示依据。张力控制、速度控制、卷径测量、长度测量均使用编码器计数；有走带长度的计数装置。上、下传动辊采用轴承内置式，转动灵活。收/放卷采用电机+电磁离合器+磁粉离合器+动力连接轴，收/放卷电机为伺服调速电机。走带过程采用锥度张力自动控制，并且张力可调，张力控制系统采用开环控制模式，保证真空磁控溅射在制品在镀膜完毕后宽度的变窄率在工艺规定的指标值内。卷绕动力系统如图3-27所示，工艺参数设置界面如图3-28所示。
图3-27 卷绕动力系统
图3-28 工艺参数设置界面
（5）现有设备创新点。走带速度平稳，工作真空度稳定。抽真空时间缩短，换靶时间缩短，设备维护时间缩短，单台设备的生产能力提高，是绿色制造和智能化生产的优选设备。第二、三代真空磁控溅射镀膜机的主要工艺特性为走带速度和工作真空度，如图3-29所示。图中，纵坐标为走带速度或工作真空度，横坐标为工作时间（单位：min）的累计数， U SL 、 L SL 分别为工艺规范设定的上、下限水平值。
图3-29 第二、三代真空磁控溅射镀膜机的主要工艺特性
电铸镍是泡沫镍制造的核心技术及标志性工艺，其设备是一个系统工程，涵盖了走带方式、槽体结构、阴阳极相对位置和距离、电源的供电特性、电解液的净化和加热方式、海绵的拉伸和受力状态、自动控制技术、废水处理技术、水的循环利用和平衡、与电解液体系的适配性等多方面的内容。电铸设备对产品的重要质量指标如面密度、镍的沉积厚度比（DTR）等有重要影响，是泡沫镍智能生产和企业转型升级的关键设备。电铸设备虽然是泡沫镍制造过程的一个很具体的技术环节，但是它的设计理念和创新思维也必须与电池制造技术的进步协同发展，走一条和用电器（如混合动力汽车）、电池、电池材料共轭创新的道路。
在泡沫镍制造技术中，由于电铸工艺使用了与电镀镍基本相同的瓦特镍电解液，因此，常将本质上应当属于电铸镍的电沉积过程称为电镀镍，而且为了方便行文用字常常套用电镀的技术规范。关于电镀和电铸在定义上的严格界定，本书第六章有论述。“电镀”和“电铸”虽同属“电沉积”范畴，但表达的是不同的概念，有时两者混用，是按约定俗成的概念理解。
连续带状泡沫镍的电铸设备经历了3个发展阶段，形成了三代技术特征鲜明的设备体系：
第一代电铸设备——长线水平电沉积：采用了V型结构的预镀工艺，多级连续、快速水平电铸的方式，填补了国内连续带状泡沫镍生产制造的空白。重点解决了国内外镍氢电池高速增长对连续带状泡沫镍的产能需求。
第二代电铸设备——短线立式电沉积：在借鉴一项弧形电沉积中试设备的基础上，开发了大辊液下预镀，单级立式慢速电沉积的短线技术。在第一代满足行业产能需求的基础上，重点进行环保改造及产品品质升级。
第三代电铸设备——短线多级电沉积：以产品无铜、设备防铜为前提，开发了大辊液下预镀及多级立式电沉积技术，实现了自动控制技术、清洁生产模式的进步。引入混合动力汽车（HEV）电池对所需泡沫镍材料的性能要求，实施企业绿色制造及智能生产的升级。
1．第一代电铸设备的开发
1）技术开发的两个阶段
第一代电铸设备的技术属于长线水平电沉积体系，从1998年开始开发到2012年停止使用，共经历了14年，包括以下两个阶段。
第一阶段：确定了电沉积电解液采用改良型瓦特镍方式，而不是传统电铸模式的氨基磺酸镍体系。确定了电解液的循环方式，即高位槽溢流至电铸槽、电铸槽溢流至低位槽、从低位槽抽取电解液经过滤后泵入高位槽。首创了V型结构的预电铸工艺和设备并形成了自主知识产权；逐步形成了一套完整的工艺规程、原料质量和产品质量管理的企业标准和生产体系。该生产体系还包括化学镀镍对聚氨酯海绵进行的导电化处理，海绵模芯电阻值为每米5Ω左右。电铸和化学镀镍产生的清洗废水经化学法处理后达标排放。
第二阶段：除了对电铸设备进行了若干技术细节的优化，主体设备仍保留长线水平电沉积体系的特点。
图3-30为二期工程仍采用的第一代电铸设备，图3-31为该设备的原理简图。
图3-30 第一代电铸设备（二期工程）
2）第一代电铸设备的结构特征
如图3-31所示，电铸整体系统包括下列设备：收/放卷机、V型电铸槽、水平型电铸槽、水洗槽及水洗液贮液槽、电解液过滤循环系统、废水处理系统、通风系统、控制系统等辅助设备。
（1）收/放卷设备。系统的放卷由放卷架及放卷辊组成，带有手动纠偏（后期改为自动纠偏）和机械张力控制，保证在进入电铸槽时海绵模芯紧贴导电辊。收卷采用直径为1800mm的收卷辊（后期改为1200mm），利用接近开关控制变频器控制收卷速度。
（2）V型预电铸槽。图3-32为V型预电铸槽，能够快速地将模芯预镀上30～100g/m 2 的镍层，降低电阻。便于后续大电流电铸沉积。
V型预电铸被设计为7对V型角度依次增大的阳极钛篮，内装镍珠或镍块，与电源的阳极连接。阴极为8根直径98mm、316L材料空心的辊，固定在槽体上，两端有带锥度的铜套与石墨的碳刷构成阴极导电装置，该装置与整流器的阴极连接。阴极导电辊浸没在电解液中，为减少导电辊的上镍，下部设有活动屏蔽装置。底部有包胶的液下传动辊7根，两端伸出镀槽，并有密封装置。各导电辊均由一台换向减速机带动，各导电辊的直径依次递增。聚酯氨海绵进入电铸槽后，受导电辊、液下传动辊的牵引，以电铸在制品的形式在各个钛篮中移动，钛篮与在制品的距离为30～50mm。槽体上固定有玻璃管支架以控制在制品与钛篮的距离。电解液从槽体底部进入，从槽体侧面溢流至低位槽，液位控制与屏蔽装置的上部一致。完成预电铸的在制品离开V型电铸槽，进入水平型电铸槽，如图3-32所示。
图3-31 第一代电铸设备的原理简图
1—电铸在制品 2—上钛篮 3—下钛篮 4—导电辊 5—溢流口 6—液位线
7—液下传动辊 8—电解液贮液槽 9—进液管 10—海绵模芯
图3-32 第一代电铸设备的V型预电铸槽
（3）水平型电铸槽。水平型电铸槽由4个3.62m长的独立槽体组成，俗称P1段、P2段、P3段、P4段，P1段共有8个沉积单元，每个沉积单元依次称为P1～P8槽，宽度依次增加；P2～P4段相同，每个槽各有6个沉积单元，依次称为P9～P26槽。水平型电铸设备的原理简图如图3-33所示。
1—泡沫镍半成品 2—回液管 3—机架 4—液位线 5—隐出条 6—闸板条
7—下钛篮 8—上钛篮 9—导电辊 10—进液管 11—电铸在制品
图3-33 水平型电铸槽的原理简图
水平型电铸槽结构特征如下：阳极钛篮上下布置，分别固定在电铸槽上。其中，下钛篮在电铸在制品的下方，两个钛篮之间的距离为60～100mm。阴极结构与V型阴极辊结构相似，在阴极辊上带有包胶的压辊，以保证在制品在沉积过程中与阴极辊保持良好的接触。每个沉积单元内装有玻璃管架，以控制在制品与钛篮的距离，两端装有隐出条和可调节高度的闸板条。在制品在隐出条与闸板条之间移动必然存在间隙，电解液从此处溢流至导电辊的底部，再流到低位槽。由于在制品附着了电解液，并且溢流的电解液喷淋到导电辊上，造成镍在导电辊表面沉积。由于溢流部位有52个，其流量达到450m 3 /h，必须依靠大流量的体系循环才能保证上钛篮浸没在电解质中。因此，该设备具有高产能的优势，同时也存在水处理方面的压力和间歇式生产的缺陷。
V型预电铸槽和水平型电铸槽分别采用链条传动，由变频器控制电机的频率，以实现在制品走带速度与电铸沉积之间的匹配。整个生产线的长度为25m，线速度达到0.65m/min。由于在电铸过程中镍在导电辊上的沉积，以及下钛篮处于在制品之下，镍块不能实现连续补加，故每生产6～8卷产品后需要停产补加镍块和清洗导电辊，而使生产处于间歇状态。
（4）水洗系统完成。电铸后的泡沫镍半成品带材需进行三级逆流喷淋清洗，清洗水一部分补充电解液的损耗，另一部分输送到废水处理中心。水洗系统由纯净水供给装置、喷淋装置、多个水洗槽和循环水泵及管道组成。因产能和走速高，纯净水消耗量大，故单条生产线的水消耗就多达2000kg/h。
（5）电解液循环系统。电解液循环系统由低位槽、电解液循环泵、过滤器、高位槽及管道系统组成，由3台变频器控制的、流量达180m 3 /h的电解液循环泵从低位槽抽取电解液，经过滤器至高位槽，由高位槽自流至工作槽，工作槽的电解液由V型预电铸槽溢流口、平型电铸槽闸板条处溢流，经溜槽至低位槽，实现电解液的循环。电解液的成分及其pH值采取人工补加方式调整，维持电解液总量的平衡，采用蒸汽加热和水冷却维持电解液的温度平衡。
（6）电铸电源。V型预电铸采用7台小功率开关电源，水平型电铸采用26台电流为500～1500A的开关电源，全部采用风冷，近槽布置。操作时，依据产品的面密度、生产线的走速，通过人工计算，累加每台整流器的电流。
（7）废水处理与回收系统。废水处理与回收系统采用“三级反渗透膜处理+负压蒸发回收电解质”系统，此方面内容在3.2.3节详述。
3）电铸长线的优势与不足
“V型+水平型”第一代电铸长线设备填补了国内连续带状泡沫镍生产的空白，以其高产能满足了一定时期国内外对泡沫镍快速增长的市场需求，但也有其局限性。
（1）系统对模芯的导电性能的要求较高，该系统与真空磁控溅射工艺对接，必须增加预电铸工艺。由于市场对泡沫镍的需求逐步从数量转向高端质量，因此必须开发新技术，以满足市场新的需求。
（2）由于导电辊上有镍的不规则沉积，形成镍皮，镍皮会划伤电铸在制品；另外，为了清理辊面和往下钛篮里补充镍材，生产过程不得不间歇性地进行。
（3）由于带材走速快，必须使用大量纯净水，造成水资源和成本的压力都很大。
（4）自动化程度低。特别在需要多台设备同时管理时，不易控制产品质量，造成劳动强度大，设备故障多。
（5）能耗高。因水平型电铸采用钛篮上下布置，并且电解液溢流量大，故为保证电解液能淹没上钛篮，需要加大电解液的循环量，造成大量的热损失和维持电解质循环所需要的动力消耗。
由于以上原因及真空磁控溅射工艺的成功应用，迫切需要开发升级换代的电铸技术与设备，实现节能减排，绿色制造。生产实践也表明，泡沫镍的电铸生产线必须既满足市场对产品质量和产能的需求，还要具备结构简单、便于操作和维护、有智能化开发的前景、能耗低、对环境友好等特点。基于这些理念，长沙力元进行第二代电铸设备的创新设计，其中试设备原理简图如图3-34所示。图3-34体现了一种新的电铸设备的设计理念：慢走速，短生产线，操作管理方便，创新前景广阔，能耗低，水资源的利用可控，为后续的洁净化生产奠定了环境基础。
1—电解液储槽 2—换热器 3—浓缩装置 4—电铸槽 5—放卷辊 6—预电铸钛篮 7—导向辊
8—预电铸辊 9—主动辊 10—主电铸钛篮 11—主电铸导电辊 12—测速辊 13—液位线
14—被动辊 15—收卷辊 16—收卷机 17—过滤器 18—电解液循环泵
图3-34 第二代电铸中试设备原理简图
2．第二代电铸设备的开发
1）开发的目的
如上所述，针对第一代电铸设备的不足，在其服役不久，便开始了第二代电铸技术和设备的开发。
2）技术创新
（1）设计理念。开发与真空磁控溅射工艺相匹配、同时适应瓦特镍电解液体系要求、结构简单、维护方便、节能减排、对环境更加友好、自动化程度高的第二代短线电铸生产系统。第二代电铸设备的原理简图如图3-35所示。
1—蒸发系统 2—过滤系统 3—电解液泵 4—收卷机 5—定速辊 6—阴极板 7—主钛篮 8—预电铸辊9—放卷机 10—张力器 11—钛篮 12—主电铸槽 13—液下传动辊 14—电加热器 15—电解液贮液槽
图3-35 第二代电铸设备的原理简图
（2）结构特征。
① 主线特征。与第一代电铸设备相比，生产线由长线改为短线，电铸方式由水平型改为立型，预电铸方式由V型改为弧型；主体设备由放卷、预电铸、收卷装置组成。放卷部分为被动放卷，由人工操作；预电铸为单面弧型、钛篮下位布置，且液下部分较长，海绵模芯通过其间完成镍的预电铸，主要的电铸过程在立式槽中完成，钛篮为立式；阴极导电采用紫铜镀镍板、夹套水冷，置于槽体液面之上，电铸后的泡沫镍在阴极板上滑动。第二代电铸设备克服了第一代设备导电辊上镍和必须停产补加镍材造成的间歇式生产问题。
② 生产能耗降低。由于采用“电铸在制品慢走速+短线生产+泡沫镍半成品带材喷淋清洗+电解液循环和蒸发系统”的生产模式，电铸后的泡沫镍半成品带材采用间歇式小水量的水气混合喷淋清洗，使生产用水量大幅减少；生产线可共用一套电解液循环和蒸发系统，省去了第一代电铸生产线产生的大量清洗水而必须设置的废水处理系统。将三废处理问题解决在工艺环节，不仅使电解液的循环量仅为第一代电铸生产线的1/10，能耗显著降低，而且由于生产能耗降低，车间面貌发生了很大的变化。
③ 电铸在制品走速与张力控制：走带系统由放卷、收卷、预电铸、电铸装置四部分组成。根据传动方案，建立预电铸大辊的辊径和电铸定速辊径之间的运行速度数学模型，同时，通过速度系数的调整，控制预电铸与电铸之间在制品的张力。以主传动定速辊为基础，通过编码器即时检测并反馈至可编程序逻辑控制器（PLC）运算中心。信号指令传给传动电机，以调整变频器的频率，保持定速辊速度的恒定并与设定速度一致；同时，信号指令传给预电铸传动电机变频器，进行即时调整并保持大辊的线速度恒定。预电铸与电铸之间的张力通过变频器速度差控制，以调整速度系数实现张力需求。当设定了生产线的线速度、速度系数之后，整个生产过程中的走带速度和张力就能自动控制保持恒定。收卷采用滑差式恒转矩或恒张力作业。电机驱动减速机（与电铸传动系统共用同一台电机）端的链轮，通过链条带动磁粉离合器的输入端链条，输出端的链轮通过链条带动固定在收卷机架上的链轮，同轴的齿轮带动收卷辊上的齿轮转动。收卷张力通过磁粉离合器的电流控制，操作时通过触摸屏设定收卷模式及磁粉离合器的相关参数。
④ 电解液循环系统：系统由低位槽、电解液泵、过滤机、流量计、蒸发系统、管路阀门、液位计、喷淋装置等组成。系统具备电解液循环总流量、单机电铸生产线分流量、预电铸及电铸流量的调整及液位显示与报警等功能。该系统还包括净化电解液和浓缩清洗水的功能，过滤净化后的电解液从蒸发器中部泵入蒸发系统。清洗技术和气液接触蒸发技术的联合使用，基本上实现了总系统的水平衡，已无含镍废水外排。
对电铸后的泡沫镍半成品带材出槽后携带的电解液，可用纯净水喷淋清洗，多个扇形喷嘴以间歇方式向半成品喷射纯净水，同时喷洗阴极导电板，清洗液流入电铸槽。喷淋时间由时间继电器和电磁阀控制。
电解液的循环由泵抽取贮液槽中的电解液，经过滤器过滤后，一部分进入工作槽分布管，电解液沿电铸在制品走带的反方向流动，溢流至贮液槽；另一部分进入蒸发器蒸发掉。同时，蒸发带走部分热量，以维持电解液的总量和温度的平衡。
蒸发器将来自贮液槽并被过滤后的电解液从顶部经分布器，与顶部轴流风机抽取的空气，在填料表面进行气、液接触，电解液中的水蒸发，温度下降。水蒸气由轴流风机抽取从顶部排出。电解液流入底部收集槽，再泵入过滤器，过滤后进入贮液槽。贮液槽内配有电加热棒，对电解液进行加热。
⑤ 电铸电源。系统采取预电铸和电铸独立供电方式，预电铸选用一台小功率水冷式开关电源，电铸电源为水冷式开关电源和水冷式可控硅电源，冷却水为循环使用的纯净水。电源操作可远程控制，采用PLC编程，触摸屏设置，并有过流过压报警功能。
⑥ 作业方式的改变。由于阴极导电方式的创新，不再有第一代电铸设备的清辊问题和清辊水的废水处理问题。大功率开关电源的应用使电铸电源数量减少，PLC的应用提升了设备的自动化程度和生产过程的控制精度。钛篮采用垂直布置方式，用铜排与电铸电源的正极连接，装填镍珠或镍块。人工操作简单方便，劳动强度大幅度降低。
3．第三代电铸设备的开发
1）开发的目的
为适应市场需求的变化，长沙力元将泡沫镍的生产定位于高档个性化产品，包括油电混合动力汽车在内的动力电池用泡沫镍。因而对产品品质在无铜化、导电性、面密度的均匀性、DTR指标、产品的高纯度等方面的要求均有提升，生产过程、技术路线也面临智能化生产、绿色制造等新理念的挑战。
2）技术创新
（1）设计理念。
结合第二代电铸设备的技术特点，将无铜产品和防铜技术贯穿生产全过程。采用短线多级电铸，生产线在洁净厂房、无尘车间的环境下作业。
图3-36为第三代电铸设备结构简图。
（2）结构特征。
① 电铸走带、收/放卷恒张力控制。通过建立数学模型和设置放卷辊的辊径、基材厚度、长度、张力值等参数，以控制系统模拟量输出，提高了放卷恒张力的可靠性。传动系统与速度控制方面的技术创新，显著提高了速度和恒张力的控制精度，保证了各运行速度下恒定的力矩输出。
② 采用了立型为主多型组合的电铸技术。与第二代电铸设备相比，泡沫镍的关键质量指标得到保证。
③ 实现泡沫镍的无铜化生产。在洁净厂房的基础上，从技术开发、生产应用、企业管理的各个层面，全程导入防铜理念，强化铜害意识，落实并践行无铜化生产的规范和制度。
④ 水资源的节约利用。电解液循环系统采用小流量扇形喷嘴间断喷淋水洗，喷洗间隔时间由PLC控制；蒸发系统改善气液接触蒸发与控制技术，增加了回收塔，在实现了生产系统的水平衡的基础上，保证了酸雾、含镍废气的零排放。
⑤ 智能化水平的提升。电沉积生产线自控和数据监控系统技术的开发与应用，实现了泡沫镍连续生产时的走带速度、恒张力、电流、温度、pH值、电解液流量、液位等工艺参数的现场和远程集中管理和控制。
图3-37为第三代电铸生产线工艺控制状态，表明该生产线具有优良的工艺性能和自动控制水平。图3-38为第三代电铸生产线所在的无尘车间。洁净厂房和无尘车间，是引领高端制造业实现可持续发展、绿色制造和智能生产的开拓性建设；是生产工艺、设备、管理乃至企业文化现代化的基础；是泡沫镍制造企业升级和产业转型的关键步骤；也是个性化产品和精品创新的催化剂和必要条件。
1—回收塔 2—风机 3—回收泵 4—蒸发器 5—过滤器 6—电解液循环泵 7—收卷机
8—传动系统2 9—定速辊 10—阴极板 11—过渡辊 12—喷淋管 13—阴极辊 14—过渡辊
15—预电铸辊 16—过渡辊 17—放卷辊 18—电铸槽 19—预电铸钛篮 20—传动系统1
21—电铸钛篮 22—液下传动辊 23—计量泵 24—电解液贮液槽 25—加热器
图3-36 第三代电铸设备结构简图
图3-37 第三代电铸生产线工艺控制状态
图3-38 第三代电铸生产线所在的无尘车间（洁净厂房）
长期以来，以电镀为代表的电沉积镍废水，作为一种规范，常采用化学法和离子交换法进行处理。这些方法由于在废水体系中引入了若干新的化学体系，处理过程造成二次污染，化学法产生大量污泥，离子交换法产生的酸碱性洗脱废水和失效树脂，均形成了新的化学废弃物。
电沉积镍废水的处理实质上是镍离子与溶剂水的分离问题，采用膜分离的处理技术能有效地解决这一问题，实现镍资源和水资源的全部回收利用，做到废水零排放。
1．膜分离技术概述
分离科学是研究分离、浓集和纯化物质的一门学科，其科学理论和技术实践内涵非常丰富 [12] 。因此，时至今日，现代分离学领域的学者很难为自己研究的内容找到一个确切的、严格的分类方法。膜分离技术是分离科学的重要分支。所谓膜分离技术，即借助外界能量（如施加压力）或化学位差，其中包括反渗透原理，利用天然的或人工合成的膜，对双组分或多组分溶质和溶剂进行分离、浓集和纯化的方法。采用反渗透的膜技术处理不洁净水源，最初是出于军事目的 [13] ，以后逐步发展到商业、工业对水的纯化，以至用于工业生产废水的处理。
反渗透所用的膜可以是生物的，也可以是制造合成的，可制成固态的或液态的。固态的膜又分有机膜或无机膜，现代膜制造技术十分倚重有机高分子聚合物。已开发的有机膜分为多孔膜和无孔膜。多孔膜可做成对称的或不对称的，即膜的厚度与孔径是一致（对称）或不一致（不对称）的。而不对称膜可以是由一种聚合物制成的整体不一致，也可以是不同聚合物的组合，故又分为转相膜和复合膜。膜分离技术便是针对分离物的特点和分离需求，利用不同膜材的性质，实现分离、浓集、纯化的技术 [14] 。
反渗透膜分离是一种最先进的化工分离技术，其应用领域极其广泛，分离效果好，工艺性能优异，对环境友好，常被各类分离需求作为绿色制造的优选，是创新时代最有发展前途的高新技术之一。
2．长沙力元的镍废水反渗透膜分离系统 [15]
该系统的主要技术措施有微滤、超滤、反渗透和负压蒸馏。微滤和超滤属于筛分机理，主要用于废水的预处理。反渗透是将溶液中溶剂（如水），在压力作用下透过一种对溶剂（如水）有选择性地透过的半透膜进入膜的低压侧，而溶液中的其他成分（如盐）被阻留在膜的高压侧，形成浓缩液。浓缩液或被输送到电铸槽以便回收利用，或被负压蒸馏结晶，从而达到分离、浓缩、纯净回收的目的。
微滤和超滤的筛分作用 [16] 是在进行反渗透处理之前除去镍废水中的固体微粒，这些微粒杂质可能是工艺过程中设备、工件、环境、电极反应中偶然和不可避免地混入和产生的。它们的存在会对反渗透过程和膜产生不良影响。
镍废水水质情况见表3-1。其中，镍离子浓度变化较大，尚有一定量的钠离子未列出。2000年9月进行了中试，中试结果非常成功 [17] ，在其基础上，确定了规模运行的设备选型和工艺参数。
表3-1 镍废水水质（除pH值外，其他单位均为mg/L）
反渗透膜处理系统采用三级膜分离技术，设计处理量为1200m 3 /d，避免钠离子在浓缩液中的积累，因为过量的钠离子可能使电铸的镍层产生较大应力。第一级采用纳滤膜（NF）浓缩装置，由于纳滤膜与反渗透膜相比，膜的网络结构更疏松，对钠离子的截留率低，水的渗透性大 [18] ，所以第一级选用美国陶氏公司生产的NF270型纳滤膜元件，分A、B两组独立运行，每组采用24支8英寸膜元件，按3:1排列；第二级采用反渗透浓缩装置，选用6支陶氏公司生产的BW30～365型反渗透膜元件；第三级采用高压海水反渗透浓缩装置，选用陶氏公司生产的6支SW30-4040型膜元件。膜浓缩系统的泵选用丹麦格兰富生产的离心泵，压力容器选用CODELINE品牌。管道低压部分采用ABS塑料，高压部分采用SS316型不锈钢。整套膜浓缩系统采用西门子可编程序逻辑控制器PLC，同时完成电气和仪表的自动控制。采用上位机对设备的运行工艺状态进行监测，随时监测系统运行参数（包括流量、温度、总溶解固体、pH值、压力等），并定期采集记录数据，自动绘制系统运行参数的趋势图。同时也可以采用就地手动操作系统，对液位、压力、温度、电动球阀同泵之间进行连锁控制。整套系统采用在线清洗，具有定时使用透过液自动冲洗的功能。图3-39为反渗透膜分离系统部分设施。
图3-39 反渗透膜分离系统部分设施
3．镍废水膜分离工艺流程
膜分离系统工艺流程示意图如图3-40所示。车间排放的废水先收集到地下水池，通过泵提升到膜分离系统，经过预处理后的电铸镍废水进入第一级纳滤膜浓缩系统，即图中的“NF系统”。纳滤膜分A、B两组，每组可独立运行，总处理量为50m 3 /h，浓缩10倍；透过液以45m 3 /h的流量被回收利用到生产体系；浓缩液以5m 3 /h的流量进入二级膜浓缩系统，即图中的“RO系统”；“NF浓缩液”以5m 3 /h的流量进入“一级浓水箱”，然后进入“RO系统”。第二级采用反渗透浓缩，处理量为5m 3 /h，浓缩5倍，透过液以4m 3 /h的流量回到水箱，“RO浓缩液”经过“二级浓水箱”，以1m 3 /h的流量进入第三级膜浓缩系统，即图中的“SWRO系统”。第三级为高压海水反渗透浓缩，处理量为1m 3 /h，浓缩2倍以上，透过液以大于0.5m 3 /h的流量回到水箱，“SWRO浓缩液”以小于0.5m 3 /h的流量进入“三级浓水箱”，总共被浓缩100倍以上。流量小于0.5m 3 /h的含镍离子20g/L以上的“SWRO浓缩液”回收到电铸槽，或经负压蒸馏后得到镍盐晶体。回收到生产体系的流量为45m 3 /h纳滤膜透过液可用作电铸生产线的漂洗水，或者作为其他工艺用水。
图3-40 膜分离系统工艺流程示意图
电沉积和膜分离将是智能制造时代两个关联创新的产业，其技术成果必然会为我国新经济时代的产业转型和制造业升级发挥积极的作用，正如泡沫镍制造采用膜分离技术走过的创新道路那样。
目前，膜分离技术在电沉积领域的应用远不及它在医药、食品、生物等行业那样深入和普及 [19] ，原因是多方面的。但是，包括电铸、电镀在内的未来电沉积产业的发展和转型，必然离不开膜分离技术的应用和膜制造技术自身的创新和进步 [20] 。
像所有独具特质的工程材料一样，在它们受到青睐并催生某些领域的创新成果的同时，自身品质和制造技术也会经历种种的创新与升华，如前所述，在助力动力型金属氢化物-镍电池以及油电混合动力汽车成功开发的同时，浓缩在泡沫镍身上的技术元素也在不同的时间节点上绽放出光彩。各项技术的内涵和之间的对立统一规律、相辅相成的联系，无论技术战略还是工艺瓶颈都曾经使所有的开发创新之路既布满荆棘，又洒满阳光。
人类对新的、美好事物的追求不会止步，创新方兴未艾，泡沫镍的个性化产品乃至后泡沫镍时代，令创新者遐想，令包括新能源领域在内的众多新技术领域期待。