陳耀渠 楊偉光

（汕頭市遠東輕化裝備有限公司）

技術發(fā)展方向——新技術

“擠出淋膜法”金屬卷材復膜技術創(chuàng)新
——智能數(shù)控共擠流涎復膜裝備的誕生

陳耀渠 楊偉光

（汕頭市遠東輕化裝備有限公司）

本文介紹近年來國內外復膜鐵設備發(fā)展現(xiàn)狀及工藝技術，詳述了智能數(shù)控共擠流涎復膜鐵裝備的創(chuàng)新點，最后分析市場應用前景。

高端裝備 智能數(shù)控 金屬卷材 覆膜 共擠流涎復膜鐵 擠出淋膜法

2015年2月，汕頭市遠東輕化裝備有限公司研制的國內首條自主研發(fā)的智能數(shù)控共擠流涎復膜設備，順利通過了驗收并交付客戶使用。該生產線最大特點是采用“擠出淋膜法”應用于金屬卷材擠出復膜技術，是為金屬素鐵及鋁箔復膜而設計的專用設備，集光、機、電一體化的新一代高新技術產品。該產品成功實現(xiàn)了高速生產、高效節(jié)能、高復合膜剝離強度、控制先進的智能數(shù)控共擠出復合新技術裝備，提高產品性能、降低產品成本，為客戶創(chuàng)造更大價值，是共擠出復合技術在金屬卷材領域又一最新研究成果和重大新突破！

本裝備是遠東公司與西安交大的合作開發(fā)，采用基于復雜系統(tǒng)遺傳算法對流涎共擠模頭進行優(yōu)化設計，提高了復合精度和壁厚分布的均勻性。采用基于模糊控制的大推力光電氣液伺服自動糾編技術，實現(xiàn)大負載下的高精密定位和高速生產。采用具有自主知識產權的智能芯片，結合ZigBee無線網(wǎng)絡等先進技術，實現(xiàn)了生產過程的智能控制和故障診斷監(jiān)控。填補了國內空白，其主要性能指標已達到國內領先、國際先進水平。

金屬卷材擠出復膜技術的誕生，是金屬罐生產的革命性進步。隨著它的廣泛應用，傳統(tǒng)金屬罐生產工藝和技術將得到顛覆，生產率、生產成本、清潔衛(wèi)生、環(huán)境保護等各個方面也都將前進一大步。

采用共擠出復膜工藝替代傳統(tǒng)的粘膜工藝，其優(yōu)點主要從下面幾方面詳述。

一、復膜鐵生產現(xiàn)狀

（一）、復膜鐵生產現(xiàn)狀及存在缺陷

復膜鐵，即通過熔融法或粘合法，將塑料薄膜復合在冷軋薄鋼板上的復合材料，以替代在鍍錫鐵（馬口鐵）、鍍鉻鐵上面用印鐵的方式印刷。復膜鐵生產線的工藝流程改變了傳統(tǒng)的一張張、一套套色、一遍遍烘烤的印鐵工藝，而是將整卷板材經(jīng)清洗后直接將多套色印刷好的薄膜直接熱壓或粘合在板材上，再按要求分切即可，生產過程全部自動化控制，印刷和復膜均可一次完成，實現(xiàn)了罐用板材復膜鐵的工業(yè)化生產。

目前我國金屬卷材復膜加工裝備仍屬于粗放型生產模式，無專業(yè)的數(shù)字化控制設備、控制總線等自動化裝備，從而導致效率低、資源利用率低等問題。國內復膜鐵（包括國際）生產基本采用粘合法，即采用涂布工藝，即把成卷的冷軋薄鋼板通過自動糾偏后經(jīng)過接料平臺、儲料架、進入涂布單元涂上一層不干膠，然后上烘箱烘干，把膠水溶劑烘干排去。再進入復合機與經(jīng)放送機導出的印刷薄膜復合。經(jīng)冷卻輥組進行冷卻處理，通過牽引對復合材料進行修邊后由表面摩擦卷取機通過氣缸壓合進行定量卷取，制成復合制品。粘合法生產復膜鐵存在兩缺陷：

1、烘箱廢氣排放造成空氣污染。由于用于粘合的不干膠需要大量溶劑稀釋，然后再采用涂布頭（網(wǎng)紋涂布式刀式涂布），均勻涂到板材上。溶劑固含量一般在15－30%之間，也就是說85—70%的溶劑經(jīng)加熱氣化后排放到大氣中，造成極大的空氣污染；

2、復合制品存在衛(wèi)生問題。由于塑料薄膜和薄鋼卷材均有極強的阻氣性，復合后制品中膠水殘留溶劑極難揮發(fā)出來。溶劑緩慢滲透對復合制品的包裝性能產生較大制約，特別是制成的食品罐存在較大的衛(wèi)生隱患。

針對“粘合法”存在的生產缺陷，采用“擠出法”金屬卷材復膜的生產方式?！皵D出法”生產工藝流程：將把成卷的冷軌薄鋼板通過自動糾偏后經(jīng)過接料平臺、儲料架、清洗裝置、進入熱輥組加熱，再進入復合機，經(jīng)擠出機加熱擠出后從模頭淋出的聚乙烯或聚丙烯原料流涎體與傳送來的金屬基材在復合冷輥與硅膠輥的滾壓作用下粘合在一起，并經(jīng)過引導架對基材進行翻邊，進入熱輥組對基材加熱后再進行背面淋復；雙面淋復后經(jīng)過固化烘箱進行固化處理、冷卻輥組進行冷卻處理，制成雙面復合制品，通過牽引對復合材料進行修邊后，由表面摩擦卷取機通過氣缸壓合進行定量卷取，當卷取制品達到自動計長儀的設定長度時切斷換卷。

“擠出法”金屬卷材復膜生產方式避免“粘合法”生產方式存在的缺陷。其產品采用調幅式、內阻流結構，設計出高精度流涎共擠模頭，采用基于進化計算與模糊控制等智能算法，結合“熔融法”金屬卷材復膜裝備控制的特點，研發(fā)出能夠智能實現(xiàn)“擠出法”金屬卷材復膜機組自動化生產工藝的高速、高精度開關量、模擬量控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)位置、速度、溫度、壓力等物理量的閉環(huán)精確控制，通過并行化、實時化與最小資源化等處理，采用芯片等技術，將算法硬化到專用芯片上，獲得專用的、自主研發(fā)的、實現(xiàn)“擠出法”金屬卷材復膜裝備工藝的系統(tǒng)芯片。進而采用具有自主知識產權的系統(tǒng)芯片結合ZigBee無線網(wǎng)絡技術研發(fā)“擠出法”金屬卷材復膜裝備工業(yè)控制總線，完成裝備整體控制的同步以及部件運行狀況的收集和診斷等任務，實現(xiàn)裝備的智能溫控加熱、電機的運動控制以及壓力反饋控制等功能。

（二）國內外同類產品和技術情況

國外情況。日本擁有復膜鐵生產線6條，東洋鋼鈑公司3條，新日鐵公司2條和JFE公司1條，產能共計為60萬t／a。2005年，日本復膜鐵的實際產量為49萬t，占TFS產量的60%。從20世紀90年代開始，德、英、美、法等國都研制成功了能完全代替馬口鐵的復膜鐵，在鍍錫板的消費總量中占有很大的比重。隨著錫資源緊缺和嚴酷的環(huán)保要求，迫使復膜鐵近幾年快速的發(fā)展。

國內情況。我國的復膜鐵生產處于起步階段，共有兩家企業(yè)：一是無錫一家私營企業(yè)，擁有3條生產線，以冷軋薄板為復膜基板，采用粘合工藝生產，年產量2萬噸，生產線速度80m／min，薄膜與基板粘合牢度不及國外；二是上海一家公司1998年引進的1條復膜鐵生產線，雖然其產品質量和外觀都優(yōu)于同類型的三片飲料罐產品，但是由于其產品成本太高，完全沒有競爭能力，該生產線從引進到現(xiàn)在都沒能有效開工?？梢哉f，目前市場所需的TFS基板復膜鐵是國內空白點。

（三）市場預測和發(fā)展趨勢

隨著技術發(fā)展、消費觀念與時尚的變化，在包裝材料中金屬、塑料、紙張和玻璃之間的競爭日趨激烈。而金屬包裝材料以其密閉性好、質地堅硬、彈性好、阻光性好、阻氣性好等特點，在包裝領域一直占有重要地位，尤其對于肉類、蔬菜等產品，金屬容器仍是首選。鍍錫板作為金屬包裝材料的重要組成部分，在食品、飲料、氣霧罐和化工罐等領域有著重要的角色。但是，由于錫為主要的戰(zhàn)略資源，價格較貴，且資源日益枯竭，因此鍍鉻鐵、復膜鐵產品等作為鍍錫板及低錫板的替代產品，越來越為人們所關注。目前，復膜工藝有兩種：一是高溫高壓下的擠壓工藝，采用高溫復膜及急冷重結晶等技術，有機膜覆合的牢度極高（歐美國家和日本多采用此工藝）；二是粘合工藝法，采用低溫粘合，其粘合牢度不及高溫高壓法。

高溫高壓生產復膜鐵的工藝：是在冷軋薄鋼板／鍍鉻鐵（一般為卷料鋼板）兩面覆蓋上多層的復合薄膜（厚度約為10～25μm），為一種兼有塑料薄膜和金屬卷材雙重特點的金屬功能材料。理論上復膜鐵基板可直接采用冷軋薄鋼板，即留空復膜鐵。彩色薄膜留空復膜技術為中國獨有技術，但是，留空復膜鐵制罐時罐身焊縫處易產生銹蝕，且粘合力不牢。在歐美和日本，復膜鐵技術多采用鍍鉻鐵TFS作基板，即不宜留空復膜鐵。其有機膜覆合的牢度極高，這主要是由于TFS產品表面存在一層鉻的水合氧化物膜，與有機膜以氫鍵的形式結合在一起。

20世紀90年代后，作為鍍錫板代用品之一的TFS（無錫鋼板）產品在美、日兩國獲得了廣泛應用。其主要用途為：四旋蓋；三片罐的頂?shù)咨w和淺沖罐；食油罐頭、調味品罐頭；固體形狀的食品、茶葉、洗滌劑等普通容器；內燃機燃料油、油漆、涂料罐等。但TFS產品存在2個缺點：一是產品兩面都需涂上防護性涂膜才能使用，而印涂過程對環(huán)境和人類都造成很嚴重的苯污染；二是某些涂料存在難以避免的微量殘留，影響人體健康。因此，20世紀80年代后期，日本成功生產出以鍍鉻鐵為基板的復膜鐵。但是，該產品推出初期不能深拉伸，和DI罐的成本差距較大，且市場需求有限，因此沒有得到廣泛應用。目前這一技術問題已經(jīng)得到完美解決，且復膜鐵的優(yōu)點（不但產品本身不含有害物質，其后續(xù)生產過程也很環(huán)保），也得到了用戶廣泛認同，復膜鐵產量迅速提高。

二、汕頭遠東公司研發(fā)產品的技術關鍵問題及創(chuàng)新點

（一）研究開發(fā)和重點解決的技術關鍵問題

金屬卷材雙主機塑料擠出復膜機組是為金屬素鐵及鋁箔復膜而設計的專用設備，機組集光、機、電一體化的新一代高新技術產品。機組以金屬素鐵或鋁箔材料為放送基材，基材通過自動糾編后經(jīng)過接料平臺、儲料架、清洗裝置進入熱輥組加熱，再進入復合機，經(jīng)擠出機加熱擠出后從模頭淋出的聚乙烯或聚丙烯原料流涎體與傳送來的金屬基材在復合冷輥與硅膠輥的滾壓作用下，粘合在一起并經(jīng)引導架，對基材進行翻邊、進入熱輥組對基材另一面加熱后再進行背面淋復。雙面淋復后經(jīng)過固化烘箱進行固化處理、冷卻輥組進行冷卻處理，制成雙面復合制品。通過牽引對復合材料進行修邊后由表面摩擦卷取機通過氣缸壓合進行定量卷取，當卷取制品達到自動計長儀的設定長度時切斷換卷。

研究開發(fā)試制中解決的關鍵技術問題

1、“擠出法”金屬卷材復膜裝備自動化生產裝備的生產線設計和實現(xiàn)。生產線的機械結構是項目的實體構架，是產品的核心支撐，主要完成高精度流涎共擠膜頭、雙工位轉塔式大轉盤翻轉裝置、大張力全自動收卷裝置、高精度的鏡面（亞光）激冷復合輥、組合式高效節(jié)能烘箱和大推力光電氣液伺服自動糾偏的設計和研發(fā)。

2、“擠出法”金屬卷材復膜裝備自動化生產裝備的數(shù)字控制系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。數(shù)字控制系統(tǒng)是自動化生產裝備靈魂，是自動化生產裝備核心關鍵。僅數(shù)字控制系統(tǒng)能夠提高現(xiàn)有金屬卷材復膜裝備的科技含量水平，提升設備的利潤空間，并且將金屬卷材復膜裝備特殊的、有特色的工藝控制算法固化在芯片中，通過與獨特的機械結構設計相結合，最大程度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及自有知識產權的保密性。通過本項目與西安交大的合作創(chuàng)新，改變我國的輕工裝備制造業(yè)都存在著“機強電弱”的問題，打破輕工裝備所有關鍵部位的控制器均采用國外企業(yè)品牌的通用控制產品的現(xiàn)狀。

3、“擠出法”金屬卷材復膜裝備自動化生產裝備的故障診斷系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。故障診斷系統(tǒng)在金屬卷材復膜裝備中的應用可以提高設備安全、穩(wěn)定運行的能力，并且能夠大幅度的降低設備的后期的維護成本。對于提高金屬卷材復膜裝備的技術附加值有著非常重要的意義。

（二）產品特點

該產品是經(jīng)收集國內不同公司的同類設備的資料介紹，分析設備的功能及結構特點，集各家之所長而自行開發(fā)設計的，主要內容有：

通過工業(yè)設計，做好結構優(yōu)化和提升功能的設計，集人體、工程學、安全、美學等設計，把機器構建成為具有現(xiàn)代氣息的工業(yè)藝術品；

采用傳感測控、伺服等先進技術，具有邏輯判斷、數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理、自檢測、自診斷、自校準、人機對話、遠程傳輸監(jiān)控、信息儲存與記憶、安全密匙并具有自動聲光報警等功能，整機從放送到收卷實現(xiàn)自動化、智能化，實現(xiàn)現(xiàn)代裝備制造業(yè)機電一體化技術與工業(yè)設計的深度融合。

1、驅動系統(tǒng)：擠出機和復合機采用交流變頻電機進行驅動、進退，放送、收卷由交流變頻電機驅動，實現(xiàn)整機動態(tài)同步控制。

2、雙工位放送：采用雙工位轉塔式大轉盤翻轉（放卷采用無軸放送），全自動不降速放卷駁接裝置，自動恒張力控制，采用進口氣敏糾偏裝置，回轉式雙工位放送機承重兩卷基材放送及工位轉換過程穩(wěn)定性，儲接料工作臺及電阻焊接技術解決了換卷連續(xù)性的生產。

3、卷取機：錐度張力控制大卷徑中心收卷采用交流變頻電機，配備安川閉環(huán)式矢量變頻調速器，全自動切斷及接駁裝置，自動卸卷裝置，全自動張力控制器，三輥冷卻輥組降低了復鐵收卷前的熱慣性，雙工位摩擦收卷機及裝卸卷技術應用方便了產品裝卸，以確保技術指標達到進口同類設備水平。

4、擠出機：采用多層共擠的方式生產雙層復合膜，從結構上來看，兩層膜的作用不同。內壁外層起到阻遏作用，內壁內層起到與鍍鉻鐵黏合及防腐蝕的作用，外壁外層起到防劃傷以及便于印刷等作用，外壁內層起到與鍍鉻鐵黏合的作用。擠出機分五段自動控溫，長壽換網(wǎng)過濾器分二段自動控溫，采用固態(tài)調壓模塊及數(shù)字式智能自整定控制。牽引修邊配電動修邊機。復合機配電暈處理裝置，以保證復膜高效及節(jié)約能源。

5、熱固化烘箱：烘箱長9米，烘箱開合采用單側開門方式，氣缸頂起，上部開門，配備密封結構。分三段控溫，配E＋L糾偏器（超聲波），自動張力控制系統(tǒng)。烘箱內部過料區(qū)間控制精度，溫差± 1．5℃，該指標在國內屬領先地位。遠紅外電熱管加熱，經(jīng)烘箱固化后粘合剝離力不少于10N／10mm，固化烘箱加熱方式確保復膜鐵的時效穩(wěn)定性。

6、電氣自動化控制系統(tǒng)：

1）采用先進的傳感測控技術，具有邏輯判斷、精確的數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理；

2）具有自檢測、自診斷、自校準、人機對話、信息儲存與記憶、安全密匙等功能，具備遠程診斷及維護、自動聲光報警等功能，整機實現(xiàn)智能化控制；

3）配置中央控制的PLC和人機界面觸摸屏，溫控單元采用高精度溫度控制模塊；

4）擠出及機械傳動采用變頻調速，牽引采用增量型編碼器反饋速度，收卷采用伺服電動機驅動，確保生產線調速準確；

5）控制操作系統(tǒng)的頁面具備中文、英文的切換功能。金屬卷材雙主機塑料擠出復膜機組采用具有自主知識產權的核心芯片研發(fā)擠出裝備的專用的數(shù)控設備，實現(xiàn)擠出裝備的智能溫控加熱、電機的運動控制以及壓力反饋控制等，并進一步結合ZigBee無線網(wǎng)絡技術，完成擠出裝備的工業(yè)控制總線，實現(xiàn)裝備整體控制的同步以及部件運行狀況的收集和診斷。

7、其他重要裝置：

放卷、收卷軸均采用氣漲軸，復合冷輥為鏡面（亞光）激冷復合輥，以保證產品質量。

（三）與西安交大的合作，智能數(shù)控創(chuàng)新點

1、基于復雜系統(tǒng)遺傳算法優(yōu)化的高精度流涎共擠模頭技術采用基本復雜系統(tǒng)遺傳算法優(yōu)化方法，優(yōu)化設計出調幅式、內阻流結構的高精度流涎共擠模頭，在滿足擠出工藝目標的前提下目標獲得擠出模的最優(yōu)的各個參數(shù)以及模頭內部流導結構等，最終完成高速、高精度流涎共擠模頭開發(fā)，獲得具有復膜厚度偏差小，能耗低等優(yōu)點的高速擠出效果。

2、基于模糊控制的大推力光電氣液伺服自動糾偏技術。

采用模糊控制器將先驗知識和閉環(huán)控制技術相結合，根據(jù)光電傳感器檢測的卷材邊緣位置，將測得的位置誤差信號送入模糊控制器，經(jīng)過控制單元判斷處理后，控制驅動電機、氣動、液壓系統(tǒng)將發(fā)生偏差位置的卷材糾正到正確的位置，大推力電氣液伺服系統(tǒng)其推力達到5噸以上（可推50噸小車），最終實現(xiàn)大負載下高精密定位的自動糾編問題，其自動糾編精度達到±0．5mm。

3、金屬卷材擠出復膜機組專用的數(shù)控設備技術。

采用具有自主知識產權的核心芯片研發(fā)擠出裝備的專用的數(shù)控設備，實現(xiàn)擠出裝備的智能溫控加熱電機的運動控制以及壓力反饋控制等，并進一步結合ZigBee無線網(wǎng)絡技術，完成擠出裝備的工業(yè)控制總線，實現(xiàn)裝備整體控制的同步以及部件運行狀況的收集和診斷。

三、新產品鑒定驗證及市場應用前景

汕頭市遠東輕化裝備有限公司生產的智能數(shù)控共擠流涎復膜鐵設備，已通過鑒定及用戶驗證，達到國內領先、國際先進水平。

遠東公司研制出國內首創(chuàng)塑料共擠流涎覆膜鐵生產線，具有工藝先進、質量穩(wěn)定、復合牢固等優(yōu)點。國內已有生產商采用遠東公司研制SJFM1200塑料擠出共擠流涎覆膜鐵設備投入生產。寬幅規(guī)?；a線設備SJ75－FMS2200型塑料擠出共擠流涎覆膜鐵機組已通過鑒定，預計2016年底正式投產。該機組采用具有自主知識產權的核心芯片研發(fā)擠出裝備的專用的數(shù)控設備，實現(xiàn)擠出裝備的智能溫控加熱、電機的運動控制以及壓力反饋控制等，并進一步結合ZigBee無線網(wǎng)絡技術，完成擠出裝備的工業(yè)控制總線，實現(xiàn)裝備整體控制的同步以及部件運行狀況的收集和診斷。機組加工的寬幅達2200mm，工作速度達120m／min?；闹睆竭_1500mm，載荷達到20噸以上。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，金屬包裝容器行業(yè)隨之迅猛發(fā)展，作為包裝行業(yè)的主要原材料——馬口鐵的用量急劇上升。根據(jù)有關的統(tǒng)計資料表明，我國馬口鐵市場供需矛盾日趨突出。為此，馬口鐵銷售價格也隨之一路飚升，漲幅達86．5%，在這種情況下，必然要引發(fā)生產成本的相應轉移：一是向下游漲價，二是利用高新技術降低成本。漲價，企業(yè)對此難以統(tǒng)一，只有選用高新技術，否則將無法應對前所未有的挑戰(zhàn)和考驗。在當前市場形勢下，用高新技術改造傳統(tǒng)生產工藝和企業(yè)，顯得尤為重要，制勝把握更大，與傳統(tǒng)的馬口鐵膠印相比，該技術不但使復膜制品提高了包裝容器的理化穩(wěn)定性、外觀裝飾性，而且在生產上還具有顯著優(yōu)越性：速度快，效率高，是傳統(tǒng)印鐵的3倍；粘合法生產速度在40m／min左右。更為突出的是，由于復膜工藝采用卷材加工，可省去老工藝中的咬口和進行整卷中裁，材料利用率可提高4．5%，這些都為制罐企業(yè)實現(xiàn)低成本競爭起到了十分重要的作用。因此一經(jīng)問世便大受青睞，很快在包裝、家電、建筑裝飾領域得到廣泛應用，罐用板材留空復膜技術及制品先進可靠，使生產成本降低，經(jīng)濟效益明顯提高，在印鐵包裝產品使用領域日趨廣泛、微利時代到來的今天，該技術的革命性突破將會對印鐵及包裝容器、制罐行業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

復膜鐵在國內屬于朝陽產業(yè)，由于其性能優(yōu)越、產品和工藝環(huán)保、價格有競爭優(yōu)勢，在不久的將來一定會在金屬包裝行業(yè)內逐步取代馬口鐵。目前，我國用于食品包裝的馬口鐵每年消耗約400萬噸。因此，覆膜鐵未來在我國的發(fā)展?jié)摿κ志薮蟆?/p>

Extrusion Coating and Laminating Method，the innovation of lamination technology for metal coils ---The birth of Intelligent CNC co-extrusion casting equipments

chenyaoqu Yangweiguang
（Shantou Far East Light Industry and Chemical Industry Equipment Co．，Ltd．）

this paper introduces the compound iron equipment in China and abroad in recent years development present situation and the technology，details the intelligent CNC co－extrusion salivate iron compound membrane equipment innovation point，in the final analysis the market application prospect

high－end equipment Intelligent CNC Metal coil film laminated iron sheet Co－extrusion casting film laminated iron sheet Extrusion membrane