“挤出淋膜法”金属卷材复膜技术创新——智能数控共挤流涎复膜装备的诞生

陈耀渠 杨伟光

（汕头市远东轻化装备有限公司）

技术发展方向——新技术

“挤出淋膜法”金属卷材复膜技术创新
——智能数控共挤流涎复膜装备的诞生

陈耀渠 杨伟光

（汕头市远东轻化装备有限公司）

本文介绍近年来国内外复膜铁设备发展现状及工艺技术，详述了智能数控共挤流涎复膜铁装备的创新点，最后分析市场应用前景。

高端装备 智能数控 金属卷材 覆膜 共挤流涎复膜铁 挤出淋膜法

2015年2月，汕头市远东轻化装备有限公司研制的国内首条自主研发的智能数控共挤流涎复膜设备，顺利通过了验收并交付客户使用。该生产线最大特点是采用“挤出淋膜法”应用于金属卷材挤出复膜技术，是为金属素铁及铝箔复膜而设计的专用设备，集光、机、电一体化的新一代高新技术产品。该产品成功实现了高速生产、高效节能、高复合膜剥离强度、控制先进的智能数控共挤出复合新技术装备，提高产品性能、降低产品成本，为客户创造更大价值，是共挤出复合技术在金属卷材领域又一最新研究成果和重大新突破！

本装备是远东公司与西安交大的合作开发，采用基于复杂系统遗传算法对流涎共挤模头进行优化设计，提高了复合精度和壁厚分布的均匀性。采用基于模糊控制的大推力光电气液伺服自动纠编技术，实现大负载下的高精密定位和高速生产。采用具有自主知识产权的智能芯片，结合ZigBee无线网络等先进技术，实现了生产过程的智能控制和故障诊断监控。填补了国内空白，其主要性能指标已达到国内领先、国际先进水平。

金属卷材挤出复膜技术的诞生，是金属罐生产的革命性进步。随着它的广泛应用，传统金属罐生产工艺和技术将得到颠覆，生产率、生产成本、清洁卫生、环境保护等各个方面也都将前进一大步。

采用共挤出复膜工艺替代传统的粘膜工艺，其优点主要从下面几方面详述。

一、复膜铁生产现状

（一）、复膜铁生产现状及存在缺陷

复膜铁，即通过熔融法或粘合法，将塑料薄膜复合在冷轧薄钢板上的复合材料，以替代在镀锡铁（马口铁）、镀铬铁上面用印铁的方式印刷。复膜铁生产线的工艺流程改变了传统的一张张、一套套色、一遍遍烘烤的印铁工艺，而是将整卷板材经清洗后直接将多套色印刷好的薄膜直接热压或粘合在板材上，再按要求分切即可，生产过程全部自动化控制，印刷和复膜均可一次完成，实现了罐用板材复膜铁的工业化生产。

目前我国金属卷材复膜加工装备仍属于粗放型生产模式，无专业的数字化控制设备、控制总线等自动化装备，从而导致效率低、资源利用率低等问题。国内复膜铁（包括国际）生产基本采用粘合法，即采用涂布工艺，即把成卷的冷轧薄钢板通过自动纠偏后经过接料平台、储料架、进入涂布单元涂上一层不干胶，然后上烘箱烘干，把胶水溶剂烘干排去。再进入复合机与经放送机导出的印刷薄膜复合。经冷却辊组进行冷却处理，通过牵引对复合材料进行修边后由表面摩擦卷取机通过气缸压合进行定量卷取，制成复合制品。粘合法生产复膜铁存在两缺陷：

1、烘箱废气排放造成空气污染。由于用于粘合的不干胶需要大量溶剂稀释，然后再采用涂布头（网纹涂布式刀式涂布），均匀涂到板材上。溶剂固含量一般在15－30%之间，也就是说85—70%的溶剂经加热气化后排放到大气中，造成极大的空气污染；

2、复合制品存在卫生问题。由于塑料薄膜和薄钢卷材均有极强的阻气性，复合后制品中胶水残留溶剂极难挥发出来。溶剂缓慢渗透对复合制品的包装性能产生较大制约，特别是制成的食品罐存在较大的卫生隐患。

针对“粘合法”存在的生产缺陷，采用“挤出法”金属卷材复膜的生产方式。“挤出法”生产工艺流程：将把成卷的冷轨薄钢板通过自动纠偏后经过接料平台、储料架、清洗装置、进入热辊组加热，再进入复合机，经挤出机加热挤出后从模头淋出的聚乙烯或聚丙烯原料流涎体与传送来的金属基材在复合冷辊与硅胶辊的滚压作用下粘合在一起，并经过引导架对基材进行翻边，进入热辊组对基材加热后再进行背面淋复；双面淋复后经过固化烘箱进行固化处理、冷却辊组进行冷却处理，制成双面复合制品，通过牵引对复合材料进行修边后，由表面摩擦卷取机通过气缸压合进行定量卷取，当卷取制品达到自动计长仪的设定长度时切断换卷。

“挤出法”金属卷材复膜生产方式避免“粘合法”生产方式存在的缺陷。其产品采用调幅式、内阻流结构，设计出高精度流涎共挤模头，采用基于进化计算与模糊控制等智能算法，结合“熔融法”金属卷材复膜装备控制的特点，研发出能够智能实现“挤出法”金属卷材复膜机组自动化生产工艺的高速、高精度开关量、模拟量控制算法，实现系统位置、速度、温度、压力等物理量的闭环精确控制，通过并行化、实时化与最小资源化等处理，采用芯片等技术，将算法硬化到专用芯片上，获得专用的、自主研发的、实现“挤出法”金属卷材复膜装备工艺的系统芯片。进而采用具有自主知识产权的系统芯片结合ZigBee无线网络技术研发“挤出法”金属卷材复膜装备工业控制总线，完成装备整体控制的同步以及部件运行状况的收集和诊断等任务，实现装备的智能温控加热、电机的运动控制以及压力反馈控制等功能。

（二）国内外同类产品和技术情况

国外情况。日本拥有复膜铁生产线6条，东洋钢钣公司3条，新日铁公司2条和JFE公司1条，产能共计为60万t／a。2005年，日本复膜铁的实际产量为49万t，占TFS产量的60%。从20世纪90年代开始，德、英、美、法等国都研制成功了能完全代替马口铁的复膜铁，在镀锡板的消费总量中占有很大的比重。随着锡资源紧缺和严酷的环保要求，迫使复膜铁近几年快速的发展。

国内情况。我国的复膜铁生产处于起步阶段，共有两家企业：一是无锡一家私营企业，拥有3条生产线，以冷轧薄板为复膜基板，采用粘合工艺生产，年产量2万吨，生产线速度80m／min，薄膜与基板粘合牢度不及国外；二是上海一家公司1998年引进的1条复膜铁生产线，虽然其产品质量和外观都优于同类型的三片饮料罐产品，但是由于其产品成本太高，完全没有竞争能力，该生产线从引进到现在都没能有效开工。可以说，目前市场所需的TFS基板复膜铁是国内空白点。

（三）市场预测和发展趋势

随着技术发展、消费观念与时尚的变化，在包装材料中金属、塑料、纸张和玻璃之间的竞争日趋激烈。而金属包装材料以其密闭性好、质地坚硬、弹性好、阻光性好、阻气性好等特点，在包装领域一直占有重要地位，尤其对于肉类、蔬菜等产品，金属容器仍是首选。镀锡板作为金属包装材料的重要组成部分，在食品、饮料、气雾罐和化工罐等领域有着重要的角色。但是，由于锡为主要的战略资源，价格较贵，且资源日益枯竭，因此镀铬铁、复膜铁产品等作为镀锡板及低锡板的替代产品，越来越为人们所关注。目前，复膜工艺有两种：一是高温高压下的挤压工艺，采用高温复膜及急冷重结晶等技术，有机膜覆合的牢度极高（欧美国家和日本多采用此工艺）；二是粘合工艺法，采用低温粘合，其粘合牢度不及高温高压法。

高温高压生产复膜铁的工艺：是在冷轧薄钢板／镀铬铁（一般为卷料钢板）两面覆盖上多层的复合薄膜（厚度约为10～25μm），为一种兼有塑料薄膜和金属卷材双重特点的金属功能材料。理论上复膜铁基板可直接采用冷轧薄钢板，即留空复膜铁。彩色薄膜留空复膜技术为中国独有技术，但是，留空复膜铁制罐时罐身焊缝处易产生锈蚀，且粘合力不牢。在欧美和日本，复膜铁技术多采用镀铬铁TFS作基板，即不宜留空复膜铁。其有机膜覆合的牢度极高，这主要是由于TFS产品表面存在一层铬的水合氧化物膜，与有机膜以氢键的形式结合在一起。

20世纪90年代后，作为镀锡板代用品之一的TFS（无锡钢板）产品在美、日两国获得了广泛应用。其主要用途为：四旋盖；三片罐的顶底盖和浅冲罐；食油罐头、调味品罐头；固体形状的食品、茶叶、洗涤剂等普通容器；内燃机燃料油、油漆、涂料罐等。但TFS产品存在2个缺点：一是产品两面都需涂上防护性涂膜才能使用，而印涂过程对环境和人类都造成很严重的苯污染；二是某些涂料存在难以避免的微量残留，影响人体健康。因此，20世纪80年代后期，日本成功生产出以镀铬铁为基板的复膜铁。但是，该产品推出初期不能深拉伸，和DI罐的成本差距较大，且市场需求有限，因此没有得到广泛应用。目前这一技术问题已经得到完美解决，且复膜铁的优点（不但产品本身不含有害物质，其后续生产过程也很环保），也得到了用户广泛认同，复膜铁产量迅速提高。

二、汕头远东公司研发产品的技术关键问题及创新点

（一）研究开发和重点解决的技术关键问题

金属卷材双主机塑料挤出复膜机组是为金属素铁及铝箔复膜而设计的专用设备，机组集光、机、电一体化的新一代高新技术产品。机组以金属素铁或铝箔材料为放送基材，基材通过自动纠编后经过接料平台、储料架、清洗装置进入热辊组加热，再进入复合机，经挤出机加热挤出后从模头淋出的聚乙烯或聚丙烯原料流涎体与传送来的金属基材在复合冷辊与硅胶辊的滚压作用下，粘合在一起并经引导架，对基材进行翻边、进入热辊组对基材另一面加热后再进行背面淋复。双面淋复后经过固化烘箱进行固化处理、冷却辊组进行冷却处理，制成双面复合制品。通过牵引对复合材料进行修边后由表面摩擦卷取机通过气缸压合进行定量卷取，当卷取制品达到自动计长仪的设定长度时切断换卷。

研究开发试制中解决的关键技术问题

1、“挤出法”金属卷材复膜装备自动化生产装备的生产线设计和实现。生产线的机械结构是项目的实体构架，是产品的核心支撑，主要完成高精度流涎共挤膜头、双工位转塔式大转盘翻转装置、大张力全自动收卷装置、高精度的镜面（亚光）激冷复合辊、组合式高效节能烘箱和大推力光电气液伺服自动纠偏的设计和研发。

2、“挤出法”金属卷材复膜装备自动化生产装备的数字控制系统的设计和实现。数字控制系统是自动化生产装备灵魂，是自动化生产装备核心关键。仅数字控制系统能够提高现有金属卷材复膜装备的科技含量水平，提升设备的利润空间，并且将金属卷材复膜装备特殊的、有特色的工艺控制算法固化在芯片中，通过与独特的机械结构设计相结合，最大程度提高系统的稳定性，以及自有知识产权的保密性。通过本项目与西安交大的合作创新，改变我国的轻工装备制造业都存在着“机强电弱”的问题，打破轻工装备所有关键部位的控制器均采用国外企业品牌的通用控制产品的现状。

3、“挤出法”金属卷材复膜装备自动化生产装备的故障诊断系统的设计和实现。故障诊断系统在金属卷材复膜装备中的应用可以提高设备安全、稳定运行的能力，并且能够大幅度的降低设备的后期的维护成本。对于提高金属卷材复膜装备的技术附加值有着非常重要的意义。

（二）产品特点

该产品是经收集国内不同公司的同类设备的资料介绍，分析设备的功能及结构特点，集各家之所长而自行开发设计的，主要内容有：

通过工业设计，做好结构优化和提升功能的设计，集人体、工程学、安全、美学等设计，把机器构建成为具有现代气息的工业艺术品；

采用传感测控、伺服等先进技术，具有逻辑判断、数据的统计处理、自检测、自诊断、自校准、人机对话、远程传输监控、信息储存与记忆、安全密匙并具有自动声光报警等功能，整机从放送到收卷实现自动化、智能化，实现现代装备制造业机电一体化技术与工业设计的深度融合。

1、驱动系统：挤出机和复合机采用交流变频电机进行驱动、进退，放送、收卷由交流变频电机驱动，实现整机动态同步控制。

2、双工位放送：采用双工位转塔式大转盘翻转（放卷采用无轴放送），全自动不降速放卷驳接装置，自动恒张力控制，采用进口气敏纠偏装置，回转式双工位放送机承重两卷基材放送及工位转换过程稳定性，储接料工作台及电阻焊接技术解决了换卷连续性的生产。

3、卷取机：锥度张力控制大卷径中心收卷采用交流变频电机，配备安川闭环式矢量变频调速器，全自动切断及接驳装置，自动卸卷装置，全自动张力控制器，三辊冷却辊组降低了复铁收卷前的热惯性，双工位摩擦收卷机及装卸卷技术应用方便了产品装卸，以确保技术指标达到进口同类设备水平。

4、挤出机：采用多层共挤的方式生产双层复合膜，从结构上来看，两层膜的作用不同。内壁外层起到阻遏作用，内壁内层起到与镀铬铁黏合及防腐蚀的作用，外壁外层起到防划伤以及便于印刷等作用，外壁内层起到与镀铬铁黏合的作用。挤出机分五段自动控温，长寿换网过滤器分二段自动控温，采用固态调压模块及数字式智能自整定控制。牵引修边配电动修边机。复合机配电晕处理装置，以保证复膜高效及节约能源。

5、热固化烘箱：烘箱长9米，烘箱开合采用单侧开门方式，气缸顶起，上部开门，配备密封结构。分三段控温，配E＋L纠偏器（超声波），自动张力控制系统。烘箱内部过料区间控制精度，温差± 1．5℃，该指标在国内属领先地位。远红外电热管加热，经烘箱固化后粘合剥离力不少于10N／10mm，固化烘箱加热方式确保复膜铁的时效稳定性。

6、电气自动化控制系统：

1）采用先进的传感测控技术，具有逻辑判断、精确的数据统计处理；

2）具有自检测、自诊断、自校准、人机对话、信息储存与记忆、安全密匙等功能，具备远程诊断及维护、自动声光报警等功能，整机实现智能化控制；

3）配置中央控制的PLC和人机界面触摸屏，温控单元采用高精度温度控制模块；

4）挤出及机械传动采用变频调速，牵引采用增量型编码器反馈速度，收卷采用伺服电动机驱动，确保生产线调速准确；

5）控制操作系统的页面具备中文、英文的切换功能。金属卷材双主机塑料挤出复膜机组采用具有自主知识产权的核心芯片研发挤出装备的专用的数控设备，实现挤出装备的智能温控加热、电机的运动控制以及压力反馈控制等，并进一步结合ZigBee无线网络技术，完成挤出装备的工业控制总线，实现装备整体控制的同步以及部件运行状况的收集和诊断。

7、其他重要装置：

放卷、收卷轴均采用气涨轴，复合冷辊为镜面（亚光）激冷复合辊，以保证产品质量。

（三）与西安交大的合作，智能数控创新点

1、基于复杂系统遗传算法优化的高精度流涎共挤模头技术采用基本复杂系统遗传算法优化方法，优化设计出调幅式、内阻流结构的高精度流涎共挤模头，在满足挤出工艺目标的前提下目标获得挤出模的最优的各个参数以及模头内部流导结构等，最终完成高速、高精度流涎共挤模头开发，获得具有复膜厚度偏差小，能耗低等优点的高速挤出效果。

2、基于模糊控制的大推力光电气液伺服自动纠偏技术。

采用模糊控制器将先验知识和闭环控制技术相结合，根据光电传感器检测的卷材边缘位置，将测得的位置误差信号送入模糊控制器，经过控制单元判断处理后，控制驱动电机、气动、液压系统将发生偏差位置的卷材纠正到正确的位置，大推力电气液伺服系统其推力达到5吨以上（可推50吨小车），最终实现大负载下高精密定位的自动纠编问题，其自动纠编精度达到±0．5mm。

3、金属卷材挤出复膜机组专用的数控设备技术。

采用具有自主知识产权的核心芯片研发挤出装备的专用的数控设备，实现挤出装备的智能温控加热电机的运动控制以及压力反馈控制等，并进一步结合ZigBee无线网络技术，完成挤出装备的工业控制总线，实现装备整体控制的同步以及部件运行状况的收集和诊断。

三、新产品鉴定验证及市场应用前景

汕头市远东轻化装备有限公司生产的智能数控共挤流涎复膜铁设备，已通过鉴定及用户验证，达到国内领先、国际先进水平。

远东公司研制出国内首创塑料共挤流涎覆膜铁生产线，具有工艺先进、质量稳定、复合牢固等优点。国内已有生产商采用远东公司研制SJFM1200塑料挤出共挤流涎覆膜铁设备投入生产。宽幅规模化生产线设备SJ75－FMS2200型塑料挤出共挤流涎覆膜铁机组已通过鉴定，预计2016年底正式投产。该机组采用具有自主知识产权的核心芯片研发挤出装备的专用的数控设备，实现挤出装备的智能温控加热、电机的运动控制以及压力反馈控制等，并进一步结合ZigBee无线网络技术，完成挤出装备的工业控制总线，实现装备整体控制的同步以及部件运行状况的收集和诊断。机组加工的宽幅达2200mm，工作速度达120m／min。基材直径达1500mm，载荷达到20吨以上。

随着我国经济的高速发展，金属包装容器行业随之迅猛发展，作为包装行业的主要原材料——马口铁的用量急剧上升。根据有关的统计资料表明，我国马口铁市场供需矛盾日趋突出。为此，马口铁销售价格也随之一路飚升，涨幅达86．5%，在这种情况下，必然要引发生产成本的相应转移：一是向下游涨价，二是利用高新技术降低成本。涨价，企业对此难以统一，只有选用高新技术，否则将无法应对前所未有的挑战和考验。在当前市场形势下，用高新技术改造传统生产工艺和企业，显得尤为重要，制胜把握更大，与传统的马口铁胶印相比，该技术不但使复膜制品提高了包装容器的理化稳定性、外观装饰性，而且在生产上还具有显著优越性：速度快，效率高，是传统印铁的3倍；粘合法生产速度在40m／min左右。更为突出的是，由于复膜工艺采用卷材加工，可省去老工艺中的咬口和进行整卷中裁，材料利用率可提高4．5%，这些都为制罐企业实现低成本竞争起到了十分重要的作用。因此一经问世便大受青睐，很快在包装、家电、建筑装饰领域得到广泛应用，罐用板材留空复膜技术及制品先进可靠，使生产成本降低，经济效益明显提高，在印铁包装产品使用领域日趋广泛、微利时代到来的今天，该技术的革命性突破将会对印铁及包装容器、制罐行业创造良好的经济效益和社会效益。

复膜铁在国内属于朝阳产业，由于其性能优越、产品和工艺环保、价格有竞争优势，在不久的将来一定会在金属包装行业内逐步取代马口铁。目前，我国用于食品包装的马口铁每年消耗约400万吨。因此，覆膜铁未来在我国的发展潜力十分巨大。

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

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