易拉罐蓋料及拉環(huán)料用鋁合金板帶材生產(chǎn)概述

馬玉蕊,張 瑜

(中色科技股份有限公司,河南 洛陽471039)

1 國內(nèi)罐料用鋁材生產(chǎn)現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)雙碳戰(zhàn)略的持續(xù)推進,高污染、高耗能的玻璃瓶制造業(yè)和PET瓶制造業(yè)都有不同程度的收縮,鋁罐市場持續(xù)增長。比較其它包裝方式鋁易拉罐具有很多優(yōu)點,如,重量輕,方便攜帶;不易碎裂,安全性好;密封性優(yōu)良,內(nèi)容物保質(zhì)期長;導熱性好,罐裝飲品冷卻快;可循環(huán)再生,回收率在所有包裝容器中最高。目前,全世界每年生產(chǎn)各種易拉罐約4000億罐,中國人均年消費24罐,而美國人均消費約460罐,鋁易拉罐市場具備較大發(fā)展空間。2019年中國鋁易拉罐消費量430億只,罐用鋁材量75萬t;2020年中國鋁易拉罐消費量470億只,罐用鋁材量79萬t;2021年中國鋁易拉罐消費量500億只,罐用鋁材量84萬t[1]。預計到2025年,我國飲料用易拉罐的數(shù)量為600億只左右,罐用鋁材發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

罐用鋁材包括罐體料、罐蓋料、拉環(huán)料(包括封口片和拉環(huán)組合件)。罐體采用3104 H19鋁合金帶材,罐蓋常用5052H19、5082H19和5182H19鋁合金材料。罐蓋和拉環(huán)對鋁合金材料的要求主要與其使用的場合有關,主要包括:高成型性能、高強度、高精度、高表面、低含雜率。罐蓋在成型時需要經(jīng)過落料與卷邊,在裝配拉環(huán)時需要經(jīng)過鉚接,為了保證加工成型時不發(fā)生破裂,需要一定的深沖性能,還需要低的制耳率。這是因為落料完成后,受板材各向異性的影響,會使得罐料產(chǎn)生一定量的制耳,高的制耳會造成卷邊不齊,使產(chǎn)品堆疊困難,需要多余的工序進行修邊,從而降低生產(chǎn)效率,影響批量生產(chǎn)。為了方便在飲用時用鉚釘開啟易拉罐,需要在罐蓋上沖壓出梨形壓痕,壓痕既需要一定的深度,保證使用時能通過拉環(huán)順利開啟易拉罐,又要保證易拉罐的密封性,避免在壓痕處造成漏罐等事故,因此材料既需要較高的強度,又需要一定的韌性。還有嚴格的板型要求包括:厚度、寬度、長度、對角線偏差以及側(cè)邊彎曲度、端頭翹曲度。表面要求不允許有劃傷、油斑、油污、條紋、色差、輥印等。罐蓋和拉環(huán)一般用于食品包裝,其化學成分中有毒元素的含量也有相應的要求如:Pb≤0.01%,Cd≤0.01%,As≤0.01%。

本文介紹易拉罐蓋料及拉環(huán)料用鋁合金板帶材的主要生產(chǎn)工藝,主要包括熱軋、冷軋、涂層、成型等工藝,其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 易拉罐蓋料及拉環(huán)料用鋁合金板帶材生產(chǎn)工藝流程

易拉罐蓋料及拉環(huán)料用鋁合金板帶材力學性能見表1。對于涂層罐蓋料和拉環(huán)料還應滿足一定的涂層性能,如涂層表面密度、耐巴氏殺菌、耐高溫滅菌、耐酸蝕性、耐硫蝕性、附著性等。

國內(nèi)罐料生產(chǎn)廠家主要有山東南山鋁業(yè)股份有限公司、中鋁瑞閩股份有限公司、河南中孚實業(yè)股份有限公司、山東魏橋鋁業(yè)有限公司、中鋁西南鋁業(yè)有限責任公司、天津忠旺鋁業(yè)有限公司等企業(yè)。國內(nèi)主要罐用鋁材生產(chǎn)企業(yè)情況見表2。

表2 國內(nèi)主要罐用鋁材生產(chǎn)企業(yè)情況

2 熱軋生產(chǎn)工藝

良好的的熱軋工藝是獲得高質(zhì)量罐蓋料的必要因素,熱軋板材的板型、性能等指標對產(chǎn)品質(zhì)量具有遺傳性,很難通過后續(xù)的加工進一步提高和改善,因此研究熱軋溫度、變形速率與軋制壓力、組織的關系有利于制定合理的加工工藝。

熱軋過程中塑性變形引起的硬化過程和回復再結(jié)晶引起的軟化過程幾乎同時存在,這時的回復和再結(jié)晶是動態(tài)回復和動態(tài)再結(jié)晶。余啟航[3]通過對應變速率0.01/s～10/s,溫度300 ℃～500 ℃條件下罐用5182高溫壓縮熱模擬實驗發(fā)現(xiàn),流變曲線峰值應力和位錯密度的變化趨勢相同,在相同變形溫度下,隨著應變速率的升高而增大;相同變形速率下隨著變形溫度的增加而減小。應變速率從低到高的區(qū)間內(nèi),流變曲線分別表現(xiàn)為硬化與軟化相平衡的狀態(tài),低應變速率下,晶粒均為沿著變形方向拉長的纖維組織,隨著變形溫度的上升,動態(tài)回復更加劇烈,當應變速率達到10/s,發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,且隨變形溫度的上升,再結(jié)晶分數(shù)更大。經(jīng)過低溫、低速變形后,合金的亞晶尺寸較小,胞壁不清晰,位錯密度較大;經(jīng)過高溫、高速變形后,發(fā)現(xiàn)了等軸狀的亞晶,亞晶尺寸較大,晶界清晰,位錯密度較小,此亞晶可能在熱變形過程中成為再結(jié)晶晶粒。

張輝[4]等人研究發(fā)現(xiàn)5182鋁合金的再結(jié)晶百分數(shù)對應變速率非常敏感,在一定的變形溫度條件下,當應變速率≥1/s時,發(fā)生再結(jié)晶到再結(jié)晶完成所需的保溫時間相當短暫。為了控制熱軋最終產(chǎn)品質(zhì)量,控制從軋輥出口到卷取階段的冷卻速度和時間尤為重要。

國內(nèi)外一般采用熱連軋方式生產(chǎn)罐蓋、拉環(huán)和罐體料,如1+3熱連軋、1+4熱連軋、1+5熱連軋,而1+3熱連軋生產(chǎn)的穩(wěn)定性略低于1+4熱連軋和1+5熱連軋。對于罐蓋料,1+3生產(chǎn)線中間坯厚度約20 mm,可保證精軋后成品厚度達到3 mm;采用1+4熱連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)時,粗軋后中間坯厚度約為26 mm,1+5熱連軋生產(chǎn)線生產(chǎn)時,中間坯厚度約32 mm。

1+4熱連軋或1+5熱連軋時,中間坯溫度約為400 ℃～410 ℃,噴淋乳液冷卻到約350 ℃～360 ℃后,送精軋機列軋到2.5 mm以下,終軋溫度大于300 ℃。此時材料中有一定比例的立方織構(gòu),再經(jīng)過冷軋后在冷軋織構(gòu)和立方織構(gòu)共同作用下,沖杯時具有低的制耳率。因此,1+5熱連軋、1+4熱連軋較1+3熱連軋在保證產(chǎn)品質(zhì)量上有一定優(yōu)勢。

3 冷軋生產(chǎn)工藝

冷軋生產(chǎn)工藝通常是冷軋—(中間退火)—冷軋。國內(nèi)罐蓋、拉環(huán)料生產(chǎn)廠家一般兼顧生產(chǎn)罐體、罐蓋和拉環(huán)料生產(chǎn),為了提高生產(chǎn)效率大多配備有多機架冷連軋機。厚度的控制能力是材料減薄過程中很關鍵的一環(huán),關系到對最終產(chǎn)品厚度的控制能力,冷軋機的厚度控制一般配備在線厚度測量設備(測厚儀),采用AGC閉環(huán)控制,包括質(zhì)量流、厚度前饋、厚度反饋,另外軋輥的輥型和軋輥的潤滑冷卻對罐蓋料生產(chǎn)也有很大的影響。

5182合金帶材最終需涂上有機涂料,在高溫下固化。涂料可以由下游制罐廠加到帶材上,也可由鋁加工廠以高速卷材涂層作業(yè)加涂料,這兩種工藝其結(jié)果都是使鋁帶材的屈服強度和抗拉強度發(fā)生相應變化,由涂層固化引起的回復,降低了材料的屈服強度和抗拉強度,實際生產(chǎn)中可以通過改變生產(chǎn)工藝來獲得鋁合金強化和提高鋁合金耐熱性的效果。

陳志強[4]研究了不同冷軋軋制工藝,完全退火工藝中(350 ℃保溫2 h),改變中間退火前后的軋制比,在后續(xù)烘烤時,烘烤前小軋制比板材比大軋制比板材的強度小。2.7 mm—1.0 mm—中間退火—0.8 mm—0.54 mm—0.35 mm—0.24 mm工藝生產(chǎn)的板材強度,高于2.7mm—1.4mm中間退火—0.8mm—0.54mm—0.35mm—0.24mm工藝的。中間半退火(250℃保溫3 h)工藝有利于性能提高。采用這種工藝生產(chǎn)的涂層后板材的力學性能優(yōu)于其它工藝下的材料。中間不退火軋制工藝(2.3 mm—1.4 mm—1.0 mm—0.74 mm—切邊—0.54 mm—0.4 mm—0.29 mm)滿足用戶的要求,但是生產(chǎn)難度大,增加了一個道次,軋制速度很難提高,板形控制比較困難。這三種工藝比較而言最優(yōu)的是中間半退火工藝。

4 涂層生產(chǎn)工藝

經(jīng)過軋制的帶材根據(jù)下游客戶的要求送進涂層機組進行下一步處理。罐蓋及拉環(huán)涂層生產(chǎn)線主要由四部分組成,包括引入段、預處理段、涂裝段(涂漆、烘烤)和引出段。

(1)引入段。開卷機將卷材的頭部送入前夾送機,夾送機提供卷材頭部到剪切、鉚接機前等待連接,剪切機用于除去有缺陷的帶頭和帶尾,鉚接機將兩卷帶材的頭尾連接到一起。張力輥從作業(yè)線的入口段拉帶材導入入口活套。入口活套在正常情況下是充滿的,當入口段在連接停車時,它仍將帶材供給到繼續(xù)運行的清洗輥涂工藝段。

(2)預處理段。第一步堿洗,通過雙面噴淋和刷洗達到清洗帶材表面油污的目的。第二步水洗,采用純水洗噴淋清洗帶材表面。第三步酸洗,用于鋁帶表面酸洗噴淋、沖洗,達到中和帶材表面堿液的目的。第四步水洗,用于沖洗鋁帶表面酸液。第五步熱風吹掃,用熱風吹干鋁帶表面。第六步鈍化,鈍化處理的作用是在鋁材表面上形成化學轉(zhuǎn)化膜,使涂層帶具有較強的耐腐蝕性能,同時能增強鋁材同涂料的附著力。轉(zhuǎn)化膜形成機理是通過一系列化學反應,生成的不溶性化合物沉積并結(jié)合在金屬表面上,形成連續(xù)致密的保護層的過程。目前鈍化體系主要包括:鉬酸鹽鈍化、稀土鹽鈍化、有機硅烷鈍化、有機酸類鈍化、鈦鋯鈍化等。鈦鋯鈍化是目前為數(shù)不多在工業(yè)上已擁有成功應用的鋁合金無鉻鈍化技術之一。第七步烘干,鈍化后鋁板無需水洗,直接進入烘干箱,烘干鈍化后鋁板表面的水膜。在烘干過程中,鈍化液與鋁板進行反應,生成鈍化膜,烘干后固化,烘干溫度約60 ℃～80 ℃。鋁板經(jīng)烘干處理后進入后儲料機組,以實現(xiàn)機組的連續(xù)運行緩沖。對于DOS料烘干后直接涂DOS油(癸二酸二辛酯)。

(3)涂裝段。涂裝目前選用輥涂法較多,一般采用正、反面同時涂布的形式。其工藝段處理是由輥涂機的沾料輥沾液態(tài)涂料,經(jīng)涂敷輥將涂料涂到經(jīng)預處理后的帶材上下表面,然后進入固化爐加熱烘烤,將涂料中的溶劑完全揮發(fā)出去,并將含溶劑的廢氣排送至焚燒爐處理。

涂層固化是將涂覆在鋁帶表面的液體涂料經(jīng)烘烤完成固化的物理或化學過程,并使之轉(zhuǎn)變成符合要求的干膜。固化溫度約為190～260 ℃。

烘烤試驗表明,高溫短時間烘烤后(240～260 ℃,1 min),抗拉強度和屈服強度較大,杯突值較低,制耳率較高;低溫長時間烘烤(195～215 ℃,10 min)后的強度較小,杯突值較高,制耳率較低;低溫多次烘烤(205 ℃,2 min+2 min+2 min+2 min+2 min;205 ℃,2 min+3 min+5 min)后的屈服強度在所有方案中最高,抗拉強度和杯突值與高溫短時烘烤后的相近,制耳率較高。因此以上工藝中低溫長時間烘烤滿足力學性能的同時深沖性能好[3]。

根據(jù)下游廠家不同的要求涂層帶材需要涂蠟或涂油,涂油主要起防止氧化和劃傷的作用。涂油的油品為DOS潤滑油。

廢氣處理工藝常用RTO型焚燒爐。焚燒爐的作用是采用燃燒的方法處理鋁帶材在調(diào)漆、涂漆及固化時從涂料中揮發(fā)出的有機溶劑,同時加熱新鮮空氣來保證固化爐內(nèi)的溫度,燃燒爐內(nèi)的燃燒溫度約為780 ℃。

(4)引出段。張緊機為出口活套提供后張力,出口活套在正常運行時是空的,在出口段停車卸料或分卷時,出口活套把繼續(xù)從輥涂工藝段來的帶材貯存起來,在下一卷開始卷取后,出口段就加快速度,把活套拉空,以保證工藝段的連續(xù)作業(yè)。

5 成型工藝

罐蓋的成型工藝包括開卷、落料與卷邊、涂密封膠、裝配拉環(huán)、檢驗、涂漆、烘干和包裝入庫。

片材(卷材)通過沖壓機每分鐘壓出數(shù)千個圓片,并且在同一工序蓋片折出邊緣,罐蓋通過一個加襯機在每個蓋子的卷邊里精確地加入一個復合物的密封條,然后通過一個視頻檢測系統(tǒng)用來檢測罐蓋是否密封完全。拉環(huán)由經(jīng)過縱切的窄鋁片制成,首先對鋁片進行打孔和切割,然后進行進一步加工。罐蓋通過一系列的模具進行刻痕,拉環(huán)進行進一步的成型,然后拉環(huán)被加載到罐蓋上,最終形成帶拉環(huán)的罐蓋。

6 發(fā)展方向

罐用鋁材是民用鋁合金高端制造的代表之一,設備精度和質(zhì)量要求高,工藝技術復雜,隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,罐用鋁材消費量將繼續(xù)增加。鋁罐蓋料的發(fā)展方向主要包括:(1)材料輕量化。1985年,206蓋、204蓋面世,厚度從0.34 mm減為0.235 mm。1995年,開發(fā)出202蓋、202-B64蓋型,厚度從0.235 mm減為0.217～0.224 mm,相對于204蓋單蓋減重12%。2005年以后,國外從202-B64到202/200CDL、202super end(目前優(yōu)化到了ISE)、202LOF+等,厚度可達到0.208 mm。雖然罐用鋁材的減薄提升了材料的利用率,但產(chǎn)品的厚度減薄仍需要保證其優(yōu)良的綜合性能。對超薄易拉罐蓋鋁板的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化是罐用鋁板帶的重要方向。(2)材料一體化。目前每個易拉罐由兩種或三種不同牌號的鋁合金制成,這不僅在生產(chǎn)時工序繁瑣,也不利于回收利用。美國戈登鋁業(yè)公司已經(jīng)開發(fā)出兩種新牌號鋁合金,分別為5017合金和5349合金,這兩種合金均可實現(xiàn)罐體、蓋、拉環(huán)一體化。(3)再生保級循環(huán)利用。目前國外諾貝麗斯、海德魯?shù)绕髽I(yè)的罐料保級循環(huán)利用率已經(jīng)達到了90%以上。國內(nèi)河南中孚實業(yè)股份有限公司和中鋁西南鋁業(yè)有限責任公司兩家企業(yè)也開始使用回收鋁罐生產(chǎn)罐料,真正實現(xiàn)“罐到罐”的循環(huán),鋁罐回收方式及回收后直接用于罐體料的生產(chǎn)技術,將是主要研究方向。