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铝板带箔材在包装及容器工业中的开发应用

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2012-01-12 14:08:29
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   1 包装及容器用铝板带箔材的发展概况

  食品业与制药业广泛应用铝,因为铝无毒性、无吸附性、不易碎裂、能抑制细菌生长并能用蒸汽清洗。当集装箱或输送带须进入加热或冷冻区时,铝的低容积比热可以起节能作用。铝的无火花性质,对于面粉厂和其它易受火灾与爆炸危害的工厂而言是宝贵的。铝的抗腐蚀性,对于包装运输脆性商品、贵重化学试剂和化妆品很重要。用于空运、船运、火车和卡车装运的密封铝集装箱,可用来装运不宜散装的化学试剂。

  包装业一直是铝的重要消费市场之一,且发展很快,2005年全世界包装、容器用铝量占全球铝总产量的2l%左右。包装业产品包括家用包装材料、软包装、食品容器、瓶盖、软管、饮料罐、食品罐等。

  铝制饮料罐是铝的应用史中最为成功的一例;铝制食品罐也在加速渗入市场,软饮料、啤酒、咖啡、快餐食品、肉类、酒类,均可包装在铝罐内;生啤酒可在包铝的铝桶内装运;铝还广泛用于牙膏、食品、软膏和颜料的包装软管以及药

  品的软包装袋。归纳起来,包装用铝材的主要形式有:

  ① 用铝箔制成的软包装袋,用于食品工业、医药工业及化妆品行业;

  ② 用铝箔制成的半刚性容器(盒、杯、罐、碟、小箱);

  ③ 家用铝箔和食品包装用铝箔;

  ④ 金属罐盒、玻璃瓶和塑料瓶的密封盖;

  ⑤ 刚性全铝罐,特别是二片全铝啤酒罐和软饮料罐(硬包装罐);

  ⑥ 复合箔制容器;

  ⑦ 软的管形容器;

  ⑧ 大型刚性包装容器,如集装箱、冷藏箱、啤酒桶、氧气瓶、液化天然气罐等。

  美国铝罐料用铝量,1975年为65万t,1980年达100万t以上;2005年美国全铝易拉罐产量为1300亿只左右(消费量1000亿只以上,出口量约占23%),耗铝材200万t以上,约占其铝板带材总产量(465万t)的4l%,处于平稳发展期(年增长1%一2%)。日本2005年铝罐料产消量约为44万t,其中罐盖及拉环l4万t,罐体料30万t,也处于平稳发展阶段(年增长率2%左右)。

  2005年,欧洲的铝罐料产消量约为120万t,韩国11.5万t,巴西11.5万t,其它国家约l0万t,这些国家的年增长率约为5% ~10%。

  目前,全球铝罐料的总产量已达430万tla左右,其中罐体料289万t/a,罐盖及拉环料141万t/a。除美国、日本、欧洲等国家和地区已处于相对稳定发展期外,中国、巴西、印度等国家尚处于高速发展期,因此全球的年增长率仍会保持在8%以上。

  我国铝罐的应用历史不长,基础较差,但近年来发展很快。2003年产消量为75亿只,2004年为82亿只,2005年达103亿只,平均年增长l7.5% 。估计到2010年可达180亿只,以后会以10%的速度增长若干年。2005年全国已有l6家制罐企业,共22条生产线,总生产能力达115亿只/年。预计在不久的将来,我国不仅是铝罐料的生产大国,也会成为铝罐的消费大国。

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  2 易拉罐用铝合金带材的技术开发与应用

  2.1 铝易拉罐料的应用情况

  目前,美国容器包装工业用铝量,约占美国铝消费总量的25%,占轧制产品的40%左右;全铝二片饮料罐占总饮料罐市场的3/4以上,占啤酒市场的80%,占软饮料罐市场的60%。澳大利亚容器包装工业用铝量,占其铝半成品总量的28%以上;铝罐占啤酒市场用罐量的75%~80%,占饮料罐市场的72%以上。西欧、日本等国的铝罐比例相对较小,但近年来增长很快,特别是日本的铝罐料生产和消费在飞速发展。中国人均易拉消费量(3.8只/人·年)还很低,仅为美国(380只/人·年)的1/100左右,但发展速度很快。按1t带材(0.28HⅡn厚)生产7×10只(外加1.92%工艺废罐)计算,2005年我国共消费103亿只罐,折合罐体料15万t、盖料及拉环7万t,(罐体:罐盖(环)=68:32),计22万t。估计到2010年我国铝易拉罐用铝带材的消费量为39万t/a,2015年可达62.5万t/a,可见中国的易拉罐市场还有广阔的发展空间。

  2.2 易拉罐对铝带材的质量要求

  铝易拉罐的生产要经过40多道工序,其中与铝带材性能相关的主要工序有落料、冲杯、变薄拉深、修边、冲洗、外印、内喷涂、烘干、缩颈、翻边等。铝带材必须具有适当的强度和良好的深冲成型性,以保证连续冲制、变薄拉深的顺利进行和烘烤后具有适当的屈服强度。在易拉罐罐体的生产过程中,首先是将厚度为0.25mill~0.30HⅡn的带材冲落成直径为138mm左右的圆料;然后经两次深冲制成冲杯,其直径减缩率大于50%;再经过三次变薄拉深,壁厚减到0.08HⅡn~0.10HⅡn,拉伸减薄率超过65%。由于变薄拉深加工可使坯料的延伸性处于极低状态,所以即使是很小的夹杂物也会成为破裂、折边的原因;随后,要保证在修边缩颈和翻边过程中不出现断裂,也要求材料具有较好的塑性;经过几次烘烤后,必须保证罐体的轴向承压和罐底耐压能力,要求罐体轴向承压1.35kN,罐底耐压强度630kPa,以确保罐装和储运顺利进行。因此,对罐体用铝带材的综合性能提出了相当严格的要求:抗拉强度270~310MPa,屈服强度250~300MPa,延伸率大于3%,制耳率小于2%;带材表面无明显波纹,表面光洁度均匀一致,无氧化,无肉眼可见的夹杂、压伤、斑痕等缺陷;带厚均匀一致,厚差在0.005mm之内。

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  轻量化一直是易拉罐的发展趋势。随着制罐企业封缝机械和其它技术的不断进步,罐体用铝带材的厚度已由上世纪的0.343咖减为0.250 mm;罐盖用铝带材的厚度也由原来的0.39HⅡn减为0.24mm。为提高生产效率,各制罐厂家也在依靠先进技术不断提高罐体的成形速度,上世纪80年代中期,美国易拉罐生产线的生产能力都在800罐/min左右,而目前已达2 000罐/min。

  综上所述,随着生产技术的不断改进、易拉罐的轻量化和成形速率的提高,对铝带材的性能提出了更加严格的要求。只有不断地提高铝带材的精度、表面质量、内在冶金质量及成形性能,才能适应易拉罐的生产需要。

  2.3 提高易拉罐用铝带材质量的主要工艺措施

  高精度铝合金带材的生产过程主要包括熔炼铸造、铣面、均匀化和加热、热粗轧、热精轧、精整、剪切、退火等工艺过程。要使带材具有良好的深冲成形性能、抗疲劳、抗腐蚀、优良的表面质量、较高的强度、足够的塑性、小制耳率和严格的尺寸偏差,就要求材料具有合适的化学成分,优异的冶金质量,合理的织构和板形公差等。要达到这些要求,必须对铝带材的各个生产环节进行有效的控制,成分控制、铝熔体处理及热轧工艺优化等是提高带材质量的关键环节。

  目前各国主要采用3104合金作为罐体材料,该合金的Mn、Mg含量均为1%左右。添加Mn可以提高合金强度,Mn低于0.5%时强度不足,但高于2%时则在A1一Mn—Fe系合金结晶过程中形成粗大的一次晶化合物,使材料的成形性能变差,并可能导致罐体成形时产生针孔或撕裂;Mg能比Mn更有效地提高合金强度。Mg低于0.2%时则强化作用不足,增加Mg含量可以提高带材的屈服强度,但高于2%时带材的变薄拉伸性及罐底凸缘成形性能变差,且在拉伸时易造成罐体划伤;Si在A1一Mn—Fe合金中可以促使一次晶化合物转变为a相,改善变薄拉伸性能,同时si还与Mg形成gzSi析出相从而提高带材强度,因此si含量必须在0.1%以上,但不得超过0.5%,否则会降低加工性能;Fe与Mn形成(FeMn)A1化合物,对拉深有利,因此其含量应大于0.2%,但大于0.7%时会恶化成形性能;Cu含量低于0.05%时不能起强化作用,而大于0.5%时会降低耐蚀性能。

  为了避免形成粗大金属间化合物,在DC铸锭中,Fe、Mn、Mg含量应满足以下关系:W(Fe)+W(Mn)×1.07+W(Mg)×0.27<.0%W(Fe)+W(si)<0.9%铸锭质量对后续加工和最终产品性能有着决定性作用,因此对铝熔体进行排杂、除气净化是提高其冶金质量的关键。国内外在铝熔体净化处理技术方面已做了大量的工作,开发出了一些较先进的净化方法与装置,如SNIF法、ALPUR法、RDU快速除气法、RID法、旋转叶轮法、FIL1)法、MINT法等。这些方法或装置大多数是从除气净化的角度出发设计的,其除氢效率虽然比较明显,但对于一些纯净度要求较高的高成形性铝材仍很难满足要求。

  长期研究发现,夹杂物与氢气之间存在着某种相互依存的关系,夹杂物是形成气孔的主要因素,因此进行高效排杂处理也是提高铝材冶金质量的关键。

  此外,铝熔体处理还包括变质处理和晶粒细化处理等。粗大的一次晶及大晶粒组织等对铝带材性能的影响也很突出。研究表明,当一次晶化合物长度超过459.m时,则会增加翻边裂口的频率及变薄拉伸中的撕裂;冷轧板材晶粒宽度大于25,ttm时,罐体颈缩成形性能变差,且不能有效减薄罐体壁厚。

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  由于易拉罐用铝合金带材自身的特殊性,必须采用热轧供坯的生产工艺。在热轧过程中必须合理地控制带坯的冶金组织、力学性能、表面质量、几何尺寸、板形等,以满足后续加工和最终产品的质量要求。

  一般情况下,用作罐体料的AA3004/3104 铝合金带材的加工工艺过程是:半连续铸造(铸锭厚度500—750rain),580~610℃均匀化处理4~12h,约530—550℃进行热粗轧、热精轧,终轧厚度2~3.5rain。对制耳率的控制是相当关键的,若制耳率较大,不仅会增加修边量,浪费材料,增加生产成本,而且在深冲和变薄拉深过程中容易在两制耳间产生开裂。目前罐料生产企业为降低制耳率所采取的措施主要是控制热轧的终轧温度,使材料处于完全再结晶状,再严格控制冷轧变形量,最终使带材的轧制织构占再结晶织构的25%左右。3104合金带材热轧终了温度高于300℃时,有利于形成再结晶立方织构,增大再结晶织构量的比例,从而抑制制耳率。采用1+4式热连轧生产线轧制罐料时,粗轧带坯厚度为3O~48mm温度为400~410℃,喷淋乳液冷却到350~36℃后,再经热精轧轧至厚2.5mm;若第4机架的轧制速度大于400m/mn,则带坯的温度可达325℃,成卷后自然冷却,材料可达充分再结晶状态,其再结晶立方织构可达85%以上;再冷轧3道次可达到0.28mm厚、H19状态,冷轧织构与再结晶立方织构的搭配最为合理,带材的制率最低。当然,制耳率与材料中夹杂物粒子的大小与多少也有关系,粒子越细,分布越均匀,有利于降低制耳率。

目前世界各国基本上都是采用热连轧供坯方式生产高精度高质量的铝罐料。连铸轧、单机架单卷取热轧和单机架双卷取热轧供坯方式很难生产出高质量罐料,甚至1+1热轧供坯因质量不稳定也已很少被采用。表1所列为世界十大铝板带热连轧生产线及我国近几年建成或拟建的热连轧生产线,它们大多用于生产高质量铝易拉罐坯料。

  2.4 易拉罐用铝合金带材的开发

  2.4.1 罐体用铝合金带材

  制罐厂对铝罐料的要求非常严格,不但要求内在质量好,化学成分优化,含气量、含渣量低,还要求有很好的深冲性能,制耳率要低,同时要求厚度公差小,板形好,有很好的表面质量。

  目前罐体用铝合金仍然是A1一Mn系的AA3004、AA3104、AA3204 等合金,状态为H19。

  为获得高质量坯料,从熔铸开始到热轧、冷轧、精整等各道工序都应严格控制。铸造时为了防止混入20~30p.m以上的夹杂物,须用SNIF法或陶瓷管过滤器对熔体进行过滤,并使用rri—B细化剂细化铸态组织。为了防止生成粗大化合物,细化剂的添加量须控制在最佳范围。罐体料的生产必须采用热轧供坯,最好采用热连轧,保证热轧后的温度在320 oC以上,再经过3~4道冷轧,厚度达到0.25~0.32 lnrn。冷轧后进行清洗、涂层、拉矫,在切边、重卷时进行静电涂油,然后包装出成品。热轧和冷轧时,重要的是控制带材的厚度、凸度、表面质量、力学性能及异向性等,制耳率规定在4% 以下。由于罐体坯料需要具有一定的强度和成形性,所以现在都采用3104一H19合金带材。表2所示是3104 一H19带材的典型性能。

  铝罐的发展方向是薄壁化(即轻量化),以减少材料用量。350mL罐通常采用0.40—0.35n`l//l厚的带材,薄壁化后,带材厚度可减至0.32—0.25 n`l//l。单只铝罐的用料量已由1980年的12.93 g减少到10.71 g以下。

  2.4.2 罐盖(盖、拉环件等)用铝合金带材

  有内压的啤酒、碳酸饮料罐和没有内压的果汁罐分别采用5082(或5182)和5052合金带材,状态为H38。带材先经氧化处理,以提高涂料附着性和耐蚀性;两面涂漆烘干后,再进行罐盖成形加工。

  2.4.3 容器封口材料

  容器封口材料不属于易拉罐范畴,这里只是顺便加以介绍。近年来封IZl技术发展迅速,各种瓶装饮料、食品、药品等广泛采用铝制防盗盖、撕扯式密封盖等。

  最早的防盗盖采用1200或3003合金带材制造,由于不能满足用户一次冲制成形的要求,因此研制开发出了A1一Fe—si系LT98合金(类似于8011合金)和AI—Mg—Mn(Cr)系的封口合金。选用铝盖的主要理由是材料卫生、可保证商品质量、密封性好、容易开栓(或开封)取出内装物,此外,还具有良好的防盗性、加工性及装饰效果。现在流行的盖用铝带材的种类、性能及用途如表3所示。

  2.5 铝易拉罐材料的发展新动向

  铝易拉罐的发展趋势是减小壁厚,降低成本,便于回收和方便使用:

  ① 罐体材料的厚度由0.42 n`l//l向0.254 n`l//l减薄,目前大部分为0.28 n`l//l厚,30年间减薄了39.5%。罐料每减薄0.01 I111/1,则每公斤带材可节省0.22美元;

  ② 正在研发一种单一的合金来代替原用的3104、5182、5052等3—4种合金,以便于管理、生产和回收;

  ③ 美国正在研发一种0.3 nlnl厚的罐料,并改冲杯圆片为多边形,据说可更节省材料;

  ④由于易拉罐的盖子被拉开后无法重新密封,因此日本几家公司开始把旋转式瓶盖转用到易拉罐上。据说,新式易拉罐的密封性更好,可有效防止饮料与太阳光及氧接触;此外,重量更轻,且便于回收和再循环;

  ⑤在开发新合金、新品种的同时,罐料加工技术(如热连轧、冷连轧、热处理等)也在向更宽、更薄、更罐盖用铝合金带材所需具备的特性之一是异向性要小。为了尽量减小带材的力学性能或成形性的波动,除控制合金成分外,还要严格控制热、冷轧条件,板厚偏差应在-t-5 btm以内。

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  3 包装用铝箔的技术开发与应用

  3.1 铝箔包装业的发展概况

    铝箔因其优良的特性,广泛用作食品、饮料、香烟、药品、照相底版、家庭日用品等的包装材料,电解电容器材料,建筑、车辆、船舶、房屋等的绝热材料,装饰用金银线、壁纸,以及各类文具、印刷品和轻工产品的装潢商标等。在上述各种用途中,能最有效地发挥铝箔性能特点的是作包装材料。铝箔是柔软的金属薄膜,不仅具有防潮、气密、遮光、耐腐蚀、保香、无毒无味等优点,而且还具有优雅的银白色光泽,易于加工出各种美丽的图案和花纹,因而受到人们的青睐。

  特别是铝箔与塑料和纸复合之后,把铝箔的屏蔽性与纸的强度、塑料的热密封性融为一体,进一步提高了作为包装材料所必需的对水汽、空气、紫外线和细菌等的屏蔽性能,大大拓宽了铝箔的应用市场;被包装的物品与外界的光、湿、气等充分隔绝,从而受到了良好的保护;使用这种复合铝箔包装蒸煮食品,至少可以保证一年以上不变质,而且加热和开包都很方便,深受消费者欢迎。

  随着人民生活水平的提高和旅游事业的发展,啤酒、汽水等饮料和罐头食品的需求量日益增多,需要有现代化的包装与装潢,以利于国际市场上的竞争。近年来,为适应市场要求,也开发出了屏蔽性好的塑料薄膜和喷镀箔等包装材料,但它们的综合性能都不如铝箔。尽管铝箔有不可避免的针孔缺陷,但通过涂层和层压加工能得到弥补和改善。因此可以说,铝箔是具有多种优良性能、比较完美的包装材料,在诸多领域中都充分显示出它的广阔前景。

  由于铝箔的应用范围十分宽广,是发展最快的铝加工材之一。当前,全世界的铝箔工业进入了一个崭新的发展时期。2004年全球铝箔产量245万t,2005年超过了260万t,其中双零箔产量约为46万t。2005年,美国铝箔产量约68万t,欧洲80万t,日本18万t。用于包装业的铝箔占铝箔总产量的75%以上。表4所示为2002年日本的铝箔消费结构。

  表4 2002年日本的铝箔消费结构

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  为了提高轧制效率和产品质量,现代化铝箔轧机在向大卷、宽幅、高速、自动化方向发展。铝箔轧机的辊身宽度已达2200mm以上,轧制速度达2000m/min以上,卷重达20t以上;自动化水平也大大提高,普遍安装了厚度自动控制系统(AGC),大多数安装了板形仪(AFC)。铝箔工业正面临一个高速发展的时期。表5所示为国外部分大于2000mm的铝箔轧机;表6为国内外铝箔技术指标比较。

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  表5 我国已建或在建的大于2000mm的铝箔轧制分布情况

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  表6 中国铝箔产量、进出口量与消费量/kt

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  我国的铝箔工业发展十分迅猛,目前共有铝箔厂150多家,各种铝箔轧机400多台,其中大于2000mm的铝箔轧机(含在建的)达33台,为世界之冠,见表7。表7 我国已建或在建的大于2000mm的铝箔轧机分布情况。

  表7 铝箔包装用途一览表

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  2005年我国铝箔总产量达62.54万t,比2005年的51.2万t上升22.5% ,仅比美国的68.3万t低8.4%,居世界第二位。估计到2006年,中国的铝箔产消量(大于70万t/a)均会超过美国。目前中国已成为铝箔净出口国,见表8。

  表8 我国铝箔消费结构预测 万t/a

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  3.3 包装用铝箔的技术开发

  素箔一般用纯铝(1050、1350等)生产,近年来也开始开发3XXX和5XXX合金箔。采用素箔包装容易。

  3.2 铝箔在包装业中的应用与消费结构

  铝箔的第一大用户是包装业。在Et本及西方工业发达国家,铝箔在食品、饮料包装与Et用品包装方面的用量分别占铝箔总消费量的45%、25% 以上,合计占铝箔总消费量的75%以上,而且还在逐年增加。铝箔包装除用于上述两方面外,还有一个消费大户就是香烟包装。由于我国的生活方式与发达国家不同,所以铝箔的消费结构也大不一样。

  一般来说,单独使用素箔包装的场合较少,大多使用的是经过各种深加工的铝箔或复合铝箔。铝箔的加工方式及在包装上的用途列于表9;表l0为我国铝箔消费结构预测。

  在使用过程中形成针孔而降低其阻隔性能,因此常将铝箔与纸、高分子聚合物或其它金属薄板等制成复合包装材料,广泛用于制作食品、医药、化妆品、卷烟等商品的包装及包装衬里。目前已开发的铝箔复合包装材料主要有:

  ① 铝箔复合纸,其中40% 50%用于香烟包装;

  ② 铝塑复合罐材,用铝箔与塑膜、牛皮纸(纸板)复合而成,可以制成方形、圆形、长方形、锥形等多种包装罐;

  ③ 铝塑复合软膜,广泛应用于食品包装、蒸煮袋,以及化学药品、工业产品及军用品包装等;

  ④ 铝塑复合软管包装材料,用于包装牙膏、化妆品、洗涤品、化学品、颜料等;

  ⑤铝塑复合泡罩包装材料,主要用于药品罩包装等。近年来,包装用铝箔渐成市场发展的主流,应用范围不断扩大,特别是在食品、饮料、奶制品、医药、化妆品、化工、电子产品等领域发展迅速,以箔代罐方面也取得了不少成果。新品种和新产品层出不穷,如法国Cofresco公司研发出一种黑铝箔,采用了纳米技术,用于容器和家用箔,可与食品一起加热;荷兰某公司研发的微波炉用速食品用铝碗,极易加热,使用方便;加拿大某公司开发出的屏蔽铝箔用的衬里材料,可对食品提供全方位保护。

  总的来说,铝箔在包装业获得了十分广泛的应用,研发出了大量的新材料、新品种和新产品,不仅大大促进了铝箔生产技术的发展,同时对包装业的发展也起了重要的推动作用。

  3.4 包装用铝箔生产技术的发展方向

  ① 铝箔厚度向更薄的方向发展。2015年某些企业可商业化生产0.0055mm箔,大部分包装箔将为0.006mm(稍负一些)箔;2020年有可能批量生产0.005mm箔;

  ② 幅度向更宽方向发展。到2015年,宽度≥1800mm的铝箔可能占到20% ,宽度≥1600mm<1800mm的铝箔可能占到30% 以上;

  ③ 轧制速度向更高方向发展。目前铝箔轧机的最高轧制速度为2500m/min,到2015年可能会有所增加,但预计不会超过3000m/min;

  ④ 品种向多样化方向发展,合金材料向多元化方向发展,新产品、新材料会不断增加,以满足不同用途的需求。

  4 结语

  铝合金是一种优良的包装、容器用材料,在各种硬包装和软包装中获得了广泛的应用。随着经济的发展和社会的进步,这种趋势会得到进一步的发展,在一段相当长的时间内,包装业将仍然是铝板带箔材的主要用户之一。

  目前世界上,包装用高精度高性能特薄铝板带和高性能铝箔的生产技术已达到了相当高的水平,并正向更薄、更精、更宽和多品种的方向发展。

  我国是铝业大国,高性能铝板带和铝箔的生产水平、产消量已走在世界前列。预计在不久的将来,产品品种和质量也会赶上或超过世界先进水平,成为铝板带箔的生产和消费强国。

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