易拉罐盖料及拉环料用铝合金板带材生产概述

马玉蕊,张 瑜

(中色科技股份有限公司,河南 洛阳471039)

1 国内罐料用铝材生产现状

随着国内双碳战略的持续推进,高污染、高耗能的玻璃瓶制造业和PET瓶制造业都有不同程度的收缩,铝罐市场持续增长。比较其它包装方式铝易拉罐具有很多优点,如,重量轻,方便携带;不易碎裂,安全性好;密封性优良,内容物保质期长;导热性好,罐装饮品冷却快;可循环再生,回收率在所有包装容器中最高。目前,全世界每年生产各种易拉罐约4000亿罐,中国人均年消费24罐,而美国人均消费约460罐,铝易拉罐市场具备较大发展空间。2019年中国铝易拉罐消费量430亿只,罐用铝材量75万t;2020年中国铝易拉罐消费量470亿只,罐用铝材量79万t;2021年中国铝易拉罐消费量500亿只,罐用铝材量84万t[1]。预计到2025年,我国饮料用易拉罐的数量为600亿只左右,罐用铝材发展潜力巨大。

罐用铝材包括罐体料、罐盖料、拉环料(包括封口片和拉环组合件)。罐体采用3104 H19铝合金带材,罐盖常用5052H19、5082H19和5182H19铝合金材料。罐盖和拉环对铝合金材料的要求主要与其使用的场合有关,主要包括:高成型性能、高强度、高精度、高表面、低含杂率。罐盖在成型时需要经过落料与卷边,在装配拉环时需要经过铆接,为了保证加工成型时不发生破裂,需要一定的深冲性能,还需要低的制耳率。这是因为落料完成后,受板材各向异性的影响,会使得罐料产生一定量的制耳,高的制耳会造成卷边不齐,使产品堆叠困难,需要多余的工序进行修边,从而降低生产效率,影响批量生产。为了方便在饮用时用铆钉开启易拉罐,需要在罐盖上冲压出梨形压痕,压痕既需要一定的深度,保证使用时能通过拉环顺利开启易拉罐,又要保证易拉罐的密封性,避免在压痕处造成漏罐等事故,因此材料既需要较高的强度,又需要一定的韧性。还有严格的板型要求包括:厚度、宽度、长度、对角线偏差以及侧边弯曲度、端头翘曲度。表面要求不允许有划伤、油斑、油污、条纹、色差、辊印等。罐盖和拉环一般用于食品包装,其化学成分中有毒元素的含量也有相应的要求如:Pb≤0.01%,Cd≤0.01%,As≤0.01%。

本文介绍易拉罐盖料及拉环料用铝合金板带材的主要生产工艺,主要包括热轧、冷轧、涂层、成型等工艺,其生产工艺流程如图1所示。

图1 易拉罐盖料及拉环料用铝合金板带材生产工艺流程

易拉罐盖料及拉环料用铝合金板带材力学性能见表1。对于涂层罐盖料和拉环料还应满足一定的涂层性能,如涂层表面密度、耐巴氏杀菌、耐高温灭菌、耐酸蚀性、耐硫蚀性、附着性等。

国内罐料生产厂家主要有山东南山铝业股份有限公司、中铝瑞闽股份有限公司、河南中孚实业股份有限公司、山东魏桥铝业有限公司、中铝西南铝业有限责任公司、天津忠旺铝业有限公司等企业。国内主要罐用铝材生产企业情况见表2。

表2 国内主要罐用铝材生产企业情况

2 热轧生产工艺

良好的的热轧工艺是获得高质量罐盖料的必要因素,热轧板材的板型、性能等指标对产品质量具有遗传性,很难通过后续的加工进一步提高和改善,因此研究热轧温度、变形速率与轧制压力、组织的关系有利于制定合理的加工工艺。

热轧过程中塑性变形引起的硬化过程和回复再结晶引起的软化过程几乎同时存在,这时的回复和再结晶是动态回复和动态再结晶。余启航[3]通过对应变速率0.01/s～10/s,温度300 ℃～500 ℃条件下罐用5182高温压缩热模拟实验发现,流变曲线峰值应力和位错密度的变化趋势相同,在相同变形温度下,随着应变速率的升高而增大;相同变形速率下随着变形温度的增加而减小。应变速率从低到高的区间内,流变曲线分别表现为硬化与软化相平衡的状态,低应变速率下,晶粒均为沿着变形方向拉长的纤维组织,随着变形温度的上升,动态回复更加剧烈,当应变速率达到10/s,发生了动态再结晶,且随变形温度的上升,再结晶分数更大。经过低温、低速变形后,合金的亚晶尺寸较小,胞壁不清晰,位错密度较大;经过高温、高速变形后,发现了等轴状的亚晶,亚晶尺寸较大,晶界清晰,位错密度较小,此亚晶可能在热变形过程中成为再结晶晶粒。

张辉[4]等人研究发现5182铝合金的再结晶百分数对应变速率非常敏感,在一定的变形温度条件下,当应变速率≥1/s时,发生再结晶到再结晶完成所需的保温时间相当短暂。为了控制热轧最终产品质量,控制从轧辊出口到卷取阶段的冷却速度和时间尤为重要。

国内外一般采用热连轧方式生产罐盖、拉环和罐体料,如1+3热连轧、1+4热连轧、1+5热连轧,而1+3热连轧生产的稳定性略低于1+4热连轧和1+5热连轧。对于罐盖料,1+3生产线中间坯厚度约20 mm,可保证精轧后成品厚度达到3 mm;采用1+4热连轧生产线生产时,粗轧后中间坯厚度约为26 mm,1+5热连轧生产线生产时,中间坯厚度约32 mm。

1+4热连轧或1+5热连轧时,中间坯温度约为400 ℃～410 ℃,喷淋乳液冷却到约350 ℃～360 ℃后,送精轧机列轧到2.5 mm以下,终轧温度大于300 ℃。此时材料中有一定比例的立方织构,再经过冷轧后在冷轧织构和立方织构共同作用下,冲杯时具有低的制耳率。因此,1+5热连轧、1+4热连轧较1+3热连轧在保证产品质量上有一定优势。

3 冷轧生产工艺

冷轧生产工艺通常是冷轧—(中间退火)—冷轧。国内罐盖、拉环料生产厂家一般兼顾生产罐体、罐盖和拉环料生产,为了提高生产效率大多配备有多机架冷连轧机。厚度的控制能力是材料减薄过程中很关键的一环,关系到对最终产品厚度的控制能力,冷轧机的厚度控制一般配备在线厚度测量设备(测厚仪),采用AGC闭环控制,包括质量流、厚度前馈、厚度反馈,另外轧辊的辊型和轧辊的润滑冷却对罐盖料生产也有很大的影响。

5182合金带材最终需涂上有机涂料,在高温下固化。涂料可以由下游制罐厂加到带材上,也可由铝加工厂以高速卷材涂层作业加涂料,这两种工艺其结果都是使铝带材的屈服强度和抗拉强度发生相应变化,由涂层固化引起的回复,降低了材料的屈服强度和抗拉强度,实际生产中可以通过改变生产工艺来获得铝合金强化和提高铝合金耐热性的效果。

陈志强[4]研究了不同冷轧轧制工艺,完全退火工艺中(350 ℃保温2 h),改变中间退火前后的轧制比,在后续烘烤时,烘烤前小轧制比板材比大轧制比板材的强度小。2.7 mm—1.0 mm—中间退火—0.8 mm—0.54 mm—0.35 mm—0.24 mm工艺生产的板材强度,高于2.7mm—1.4mm中间退火—0.8mm—0.54mm—0.35mm—0.24mm工艺的。中间半退火(250℃保温3 h)工艺有利于性能提高。采用这种工艺生产的涂层后板材的力学性能优于其它工艺下的材料。中间不退火轧制工艺(2.3 mm—1.4 mm—1.0 mm—0.74 mm—切边—0.54 mm—0.4 mm—0.29 mm)满足用户的要求,但是生产难度大,增加了一个道次,轧制速度很难提高,板形控制比较困难。这三种工艺比较而言最优的是中间半退火工艺。

4 涂层生产工艺

经过轧制的带材根据下游客户的要求送进涂层机组进行下一步处理。罐盖及拉环涂层生产线主要由四部分组成,包括引入段、预处理段、涂装段(涂漆、烘烤)和引出段。

(1)引入段。开卷机将卷材的头部送入前夹送机,夹送机提供卷材头部到剪切、铆接机前等待连接,剪切机用于除去有缺陷的带头和带尾,铆接机将两卷带材的头尾连接到一起。张力辊从作业线的入口段拉带材导入入口活套。入口活套在正常情况下是充满的,当入口段在连接停车时,它仍将带材供给到继续运行的清洗辊涂工艺段。

(2)预处理段。第一步碱洗,通过双面喷淋和刷洗达到清洗带材表面油污的目的。第二步水洗,采用纯水洗喷淋清洗带材表面。第三步酸洗,用于铝带表面酸洗喷淋、冲洗,达到中和带材表面碱液的目的。第四步水洗,用于冲洗铝带表面酸液。第五步热风吹扫,用热风吹干铝带表面。第六步钝化,钝化处理的作用是在铝材表面上形成化学转化膜,使涂层带具有较强的耐腐蚀性能,同时能增强铝材同涂料的附着力。转化膜形成机理是通过一系列化学反应,生成的不溶性化合物沉积并结合在金属表面上,形成连续致密的保护层的过程。目前钝化体系主要包括:钼酸盐钝化、稀土盐钝化、有机硅烷钝化、有机酸类钝化、钛锆钝化等。钛锆钝化是目前为数不多在工业上已拥有成功应用的铝合金无铬钝化技术之一。第七步烘干,钝化后铝板无需水洗,直接进入烘干箱,烘干钝化后铝板表面的水膜。在烘干过程中,钝化液与铝板进行反应,生成钝化膜,烘干后固化,烘干温度约60 ℃～80 ℃。铝板经烘干处理后进入后储料机组,以实现机组的连续运行缓冲。对于DOS料烘干后直接涂DOS油(癸二酸二辛酯)。

(3)涂装段。涂装目前选用辊涂法较多,一般采用正、反面同时涂布的形式。其工艺段处理是由辊涂机的沾料辊沾液态涂料,经涂敷辊将涂料涂到经预处理后的带材上下表面,然后进入固化炉加热烘烤,将涂料中的溶剂完全挥发出去,并将含溶剂的废气排送至焚烧炉处理。

涂层固化是将涂覆在铝带表面的液体涂料经烘烤完成固化的物理或化学过程,并使之转变成符合要求的干膜。固化温度约为190～260 ℃。

烘烤试验表明,高温短时间烘烤后(240～260 ℃,1 min),抗拉强度和屈服强度较大,杯突值较低,制耳率较高;低温长时间烘烤(195～215 ℃,10 min)后的强度较小,杯突值较高,制耳率较低;低温多次烘烤(205 ℃,2 min+2 min+2 min+2 min+2 min;205 ℃,2 min+3 min+5 min)后的屈服强度在所有方案中最高,抗拉强度和杯突值与高温短时烘烤后的相近,制耳率较高。因此以上工艺中低温长时间烘烤满足力学性能的同时深冲性能好[3]。

根据下游厂家不同的要求涂层带材需要涂蜡或涂油,涂油主要起防止氧化和划伤的作用。涂油的油品为DOS润滑油。

废气处理工艺常用RTO型焚烧炉。焚烧炉的作用是采用燃烧的方法处理铝带材在调漆、涂漆及固化时从涂料中挥发出的有机溶剂,同时加热新鲜空气来保证固化炉内的温度,燃烧炉内的燃烧温度约为780 ℃。

(4)引出段。张紧机为出口活套提供后张力,出口活套在正常运行时是空的,在出口段停车卸料或分卷时,出口活套把继续从辊涂工艺段来的带材贮存起来,在下一卷开始卷取后,出口段就加快速度,把活套拉空,以保证工艺段的连续作业。

5 成型工艺

罐盖的成型工艺包括开卷、落料与卷边、涂密封胶、装配拉环、检验、涂漆、烘干和包装入库。

片材(卷材)通过冲压机每分钟压出数千个圆片,并且在同一工序盖片折出边缘,罐盖通过一个加衬机在每个盖子的卷边里精确地加入一个复合物的密封条,然后通过一个视频检测系统用来检测罐盖是否密封完全。拉环由经过纵切的窄铝片制成,首先对铝片进行打孔和切割,然后进行进一步加工。罐盖通过一系列的模具进行刻痕,拉环进行进一步的成型,然后拉环被加载到罐盖上,最终形成带拉环的罐盖。

6 发展方向

罐用铝材是民用铝合金高端制造的代表之一,设备精度和质量要求高,工艺技术复杂,随着我国经济的快速发展,罐用铝材消费量将继续增加。铝罐盖料的发展方向主要包括:(1)材料轻量化。1985年,206盖、204盖面世,厚度从0.34 mm减为0.235 mm。1995年,开发出202盖、202-B64盖型,厚度从0.235 mm减为0.217～0.224 mm,相对于204盖单盖减重12%。2005年以后,国外从202-B64到202/200CDL、202super end(目前优化到了ISE)、202LOF+等,厚度可达到0.208 mm。虽然罐用铝材的减薄提升了材料的利用率,但产品的厚度减薄仍需要保证其优良的综合性能。对超薄易拉罐盖铝板的开发和产业化是罐用铝板带的重要方向。(2)材料一体化。目前每个易拉罐由两种或三种不同牌号的铝合金制成,这不仅在生产时工序繁琐,也不利于回收利用。美国戈登铝业公司已经开发出两种新牌号铝合金,分别为5017合金和5349合金,这两种合金均可实现罐体、盖、拉环一体化。(3)再生保级循环利用。目前国外诺贝丽斯、海德鲁等企业的罐料保级循环利用率已经达到了90%以上。国内河南中孚实业股份有限公司和中铝西南铝业有限责任公司两家企业也开始使用回收铝罐生产罐料,真正实现“罐到罐”的循环,铝罐回收方式及回收后直接用于罐体料的生产技术,将是主要研究方向。