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文/郭文渊博士、高级工程师、研发部部长助理，上海宝钢包装股份有限公司 两片易拉罐是目前市场上常见的饮料包装形式之一，其罐体是经冲压拉伸而成的一体杯状结构。由于整个包装罐由罐体和罐盖两部分组成，故称为两片罐，以区别于由罐身、罐底和罐盖三部分组成的三片罐。两片罐的材质主要有钢和铝两种。 上世纪80年代，中国开始引进两片易拉罐生产线。由于当时国内不能生产制罐用钢、铝的D&I（drawn and ironed，减薄拉伸）材，并且受到设计、安装制罐线的美国工程公司影响，因此所有制罐线都采用铝材生产两片易拉罐。 钢制两片易拉罐的减量化背景 1996年，宝钢集团与UNINOR（现ArcelorMittal）、Hoogovens（现Tata）合资成立了上海宝翼制罐有限公司（以下简称宝翼制罐，现为上海宝钢包装股份有限公司子公司），建设了中国第一条两片钢罐生产线。之后几年，宝钢又陆续在唐山、成都和佛山等地投资建设了三条两片钢罐生产线。截止目前，上海宝钢包装股份有限公司（以下简称宝钢包装）共拥有四条两片钢罐生产线，年产能在25亿只左右。 在宝翼制罐投产初期，使用的是0.282mm厚度的进口钢D&I材。随着宝钢股份在1999年成功开发出0.28mm厚的D&I材，宝翼制罐开始使用宝钢D&I材，并逐步全面取代了进口D&I材。 两片钢罐与两片铝罐是同质度极高的产品，钢罐与铝罐之间的竞争更多意义上体现的是成本之间的竞争。为了在中国市场上进一步推广两片钢罐，就必须保证两片钢罐对两片铝罐的成本竞争优势。为了降低成本，易拉罐生产商主要采取的一个方式是，通过原材料厚度的持续减薄来实现易拉罐的持续减重。同时，原材料厚度的持续减薄还可减少原材料生产商的单位能源消耗，节约资源并减少环境污染。经过简单测算，易拉罐生产商使用的D&I材每减薄0.005mm，则每个钢罐就能减重约0.5g，按一条生产线产能6亿只易拉罐计算，每年可节约钢材300吨左右，即降低材料成本约240万元。 在2000年左右，国际主流两片钢罐生产商主要采用厚度0.25～0.26mm的D&I材制罐。因此，不论是D&I材生产技术，还是D&I材制罐技术，宝钢股份和宝翼制罐都落后于国际先进水平。 在此背景下，宝钢股份决定和宝钢包装合作，开展钢制两片易拉罐的减量化研究。 两片易拉罐成形原理 目前世界各国制造易拉罐的生产设备种类有很多，但设备基本原理和生产工艺流程基本相同。图1和图2分别为钢制两片易拉罐成形过程示意图和易拉罐在成形各阶段的形状示意图。易拉罐的罐体拉伸凸模为圆柱形，在罐体冲压减薄过程中，罐底作为传力区几乎不发生变形，所以罐底材料厚度变化不大。罐壁作为变形区，其在拉伸凸模作用下强行通过凸凹模之间的杯形间隙，从而厚度变薄、高度增加。而位于凸模顶部圆角区域的金属受力情况最恶劣，其在轴向、切向两向受拉，径向受压，减薄趋势最严重，也最容易发生断裂，从而导致拉伸失败。通常，在拉伸前都要进行工艺计算，以选择允许的拉伸系数来控制变形程度，不会因变形程度过大而拉破。
易拉罐的减重主要是通过降低罐底及罐壁的厚度来实现，这意味着金属的变形条件更加苛刻，在拉伸过程中更容易发生断裂。原材料的厚度决定了罐底的厚度，降低罐底厚度的有效办法就是使用更薄的原材料，而罐壁的厚度则可以通过模具的调整、拉伸工艺的优化而改变。在罐底及罐壁厚度变薄的同时，为了满足轴向承载能力及拱底耐压能力，要求原材料具有更优异的力学性能。因此，易拉罐的减重对原材料、拉伸工艺和变形程度都提出了更高的要求。 两片易拉罐减重方案 两片易拉罐减重方案两片易拉罐减重技术方案有以下三种可以选择：减壁不减底；减底不减壁；减底又减壁。 该技术方案对易拉罐的减重幅度大，产生的经济效益也最大，但是需要解决的技术难题却是最多的，主要体现在以下三个方面。 第一，新材料的研制。由于罐壁减薄，必须提高原材料板坯和罐壁的强度才能满足轴向承载要求。同时，由于罐壁的减薄增加了缩颈皱褶出现的机率，所以必须使用缩口能力强的材料。 第二，需对影响缩颈皱褶的因素进行分析并提出针对性的解决方案，如对缩颈模具重新设计，以便对整条生产线进行相应指标的控制。 第三，生产线部分设备的技术改造。首先是冲杯机的改造。两片易拉罐的冲压特点决定了罐底减薄只能通过使用减薄的原材料板坯来实现。在不改变落料直径的条件下，板坯过分减薄，则罐壁可能难以满足轴向承载要求。因此，为了使罐壁不至过分减薄，必须增大落料直径，这就需要对冲杯机及其传输线进行相应改造。 其次是缩颈翻边模具的改造。目前，两片易拉罐的缩颈工艺多种多样，即使是同一种缩颈方法，也可以通过改变模具的缩颈过渡圆角、调整模具间隙等方法来提高其缩颈能力。 方案三综合了方案一和方案二，投入的人力、物力和财力都很大，因而很少有易拉罐生产商采用此方案。 宝钢的两片钢罐减重历程 由于宝钢具有从D&I材开发、应用研究到制罐工业化生产整个工艺链上各个工艺单元合作研发的优势，因此在钢制两片易拉罐持续减量化研究过程中，始终采用了前述最难的“减底又减壁”的技术方案。 2001年，宝钢股份成功开发出0.266mm厚度的D&I材。与此同时，宝翼制罐开展了0.266mm厚度D&I材制罐工艺研究，确定了制罐成型工艺，重新进行了相关的模具设计，并进行了多次小批量试制，经过多次模具优化设计，最终实现了0.266mm厚度D&I材的大批量应用制罐。 在此之后的十多年时间里，宝钢股份继续与宝钢包装合作，持续进行钢制两片易拉罐的轻量化研究。到2012年，D&I材已减薄至0.22mm，两片钢制空罐质量已减至23.2g。宝钢D&I材的减薄历程和两片钢罐的减重历程分别如图3和图4所示。
目前在国内市场，宝钢包装生产的钢制两片易拉罐主要用来包装碳酸饮料和啤酒，客户包括可口可乐、百事可乐、百威啤酒、雪花啤酒、青岛啤酒、燕京啤酒、喜力啤酒等国际、国内知名饮料生产商。这些饮料生产商见证了宝钢包装两片钢罐的减量化历程，甚至有部分饮料生产商还参与其中。 未来：钢种改变推动两片罐持续减重 目前宝钢包装两片钢罐采用的冲杯落料直径是131mm，使用的D&I材厚度最薄可达0.22mm。在采用当前落料直径的情况下，如果保持罐型不变，D&I材继续减薄，那么必然会在拉伸成形过程中出现短罐现象。如果保持底型设计不变，减小罐壁（包括薄壁和厚壁）厚度以保证修边高度，那么过小的薄壁厚度会导致罐身的轴向承载能力进一步下降，同时容易出现拉伸断罐以及缩颈过程中的罐身压塌现象；而过小的厚壁厚度则很容易导致缩颈皱褶的出现。可以说，目前的两片钢罐已经接近减重极限。 在两片钢罐减量化上，欧洲一直走在我们前面。为了实现两片钢罐进一步减重，欧洲领先水平的钢铁厂生产的D&I材基板材质已完成由低碳铝镇静钢向超低碳钢的转变。钢种的改变让D&I材成型性能显著提高，推动两片钢罐向更轻、更薄发展，而这也将是未来国内钢制两片易拉罐继续减量化的必由之路。 （来源：本文选自《金属包装》2016年第一期） |
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