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(jìn),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(dǎo)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(yù)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(guān),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(jìn)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(yán)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(xué)成分中有毒元素的含量也有相應(yīng)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(xué)性能見表1。對于涂層罐蓋料和拉環(huán)料還應(yīng)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(zé)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(biāo)對產(chǎn)品質(zhì)量具有遺傳性,很難通過后續(xù)的加工進(jìn)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(guān)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(fù)再結(jié)晶引起的軟化過程幾乎同時存在,這時的回復(fù)和再結(jié)晶是動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶。余啟航[3]通過對應(yīng)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(yīng)力和位錯密度的變化趨勢相同,在相同變形溫度下,隨著應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)更加劇烈,當(dāng)應(yīng)變速率達(dá)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?jǐn)?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?jǐn)?shù)對應(yīng)變速率非常敏感,在一定的變形溫度條件下,當(dāng)應(yīng)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(dāng)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(dá)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(guān)鍵的一環(huán),關(guān)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(shè)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(yīng)變化,由涂層固化引起的回復(fù),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(xué)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(jìn)涂層機組進(jìn)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(yù)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(dǎo)入入口活套。入口活套在正常情況下是充滿的,當(dāng)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(yù)處理段。第一步堿洗,通過雙面噴淋和刷洗達(dá)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(dá)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(fēng)吹掃,用熱風(fēng)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(xué)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(xué)反應(yīng),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(hù)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(yīng)用的鋁合金無鉻鈍化技術(shù)之一。第七步烘干,鈍化后鋁板無需水洗,直接進(jìn)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(jìn)行反應(yīng),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(jìn)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(yù)處理后的帶材上下表面,然后進(jìn)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(xué)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(xué)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(fù)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(jìn)行打孔和切割,然后進(jìn)行進(jìn)一步加工。罐蓋通過一系列的模具進(jìn)行刻痕,拉環(huán)進(jìn)行進(jìn)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(shè)備精度和質(zhì)量要求高,工藝技術(shù)復(fù)雜,隨著我國經(jīng)濟(jì)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(dá)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(dá)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(zé)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(shù),將是主要研究方向。