食品制罐材料及制罐工藝的現代進展

中國發酵食品工業研究院高級工程師/章文燦

罐頭工業，不僅能使食品供應遠達海洋，而且是人類基本需求領域中的一項重大發明。因為隨著新世紀的到來，人們由于農林牧副漁業的大發展，一時消費不盡的食物，極需有可靠的、經濟的保存方法，而罐裝食品（Canning Food）已被證實是可選擇的各方式中的最優。

罐裝食品工業作為人類的一種基本工業，它至少包括三個方面的科學技術：

1） 食品（培育、獲取、整理、加工）工藝；

2）卷封加熱殺菌工藝；

3）制罐、用罐工藝和制罐材料相關工程。其中的每一方面，到今天都積累了豐富的知識，形成了很多專利和國家（國際）標準及法規。本人作為長期研究制罐及其材料的人員，擬就此領域，向各位介紹其最新進展。

(一) 鍍錫薄板生產史

1）早期1810～1900年，制罐材料是薄鐵板并熱浸錫，這種方式持續了近百年，此時，板厚在0.30～0.25mm，鍍錫量多在19.5g/m2～13.5g/m2(每面)，主要生產國只有英國。到1900年，英國薄鋼板產量為420,000噸，其中鍍錫板約為70,000噸。但在1899年，美國超過英國，它的鍍錫板產量已達360,000噸。

2）電鍍錫薄板生產線，美國是1917年出現，德國是1934年出現。此后，電鍍錫薄板的數量和質量都快速增長，尤其是在二戰以后。在中國武鋼建成第一條薄板現代生產線的1978年以前，全球鍍錫線達到140多條，總產能達到2000萬噸左右。成張板材的板寬508～1050mm，板長712～1200mm。卷板卷重可為4～15噸。70年代，大量應用于500克食品空罐的薄板厚度，多維持在0.25mm，鍍錫量多半使用8.4g/m2，11.2g/m2和5.6g/m2。

3）從1978年武鋼第一條200萬噸“1700冷軋生產線”，及12萬噸鍍錫板生產線建成，到1998年寶鋼40萬噸鍍錫板專用冷連軋鍍錫板廠（投資為650億人民幣）投產，其間，幾個利用進口鋼基板來生產電鍍錫薄板的生產線（每條投資4,000～9,000萬美元）投產。這樣，到21世紀初，我國半個世紀以來，主要依靠進口鍍錫板來支撐自己的食品罐裝工業的局面，得到了徹底的改觀。

（二）鍍錫薄板及空罐品質的提升

1）鋼基板的品質

鍍錫薄板，簡言之就是由比較純凈的低碳冷軋軟鋼基板，兩面鍍錫而成。其質量之根本，在于鋼基板的品質。而鋼基板價值，也會占總值的80%以上，所以它是鍍錫板品質的重中之重。

各國的國家標準，對商品用鋼基板的成分，大都提出了明確的最低要求。最有代表性的，是美國材料協會（ASTM）標準ASTM A 623-2011。其中列出了用于食品制罐的三種鋼基板的成分起碼要求（見表1）。很可惜，不少人將這個成分表，當成了最高標準。

例如，這個成分表，要求鋼基板中的含鉛量（Pb）不得大于0.02%，即200ppm。但到21世紀，各國都進一步限定鉛(Pb)必須小于0.01%，這是對鍍錫板品質的提升。表1中的其他成分，尤其是四大非金屬成分(硫、硅、磷、碳)中，對耐腐蝕有不良影響的，各國都盡力控制使之更小，對四大金屬成分（錳、銅、鋁、鉻），也要按需進行控制。這樣才可能制造出耐腐蝕性和耐加工性都優良的鍍錫薄板。

表1 鍍錫軋制品鋼基化學成分要求

表2 GB/T 2520-2008對鋼基板的說明

我國鋼廠雖多，但小廠林立，設備落后。可是只有配備了良好的精煉設備的現代化大鋼廠，才能生產優質鍍錫薄板基板所需的連鑄鋼。

2）標準問題

近幾年來，我國電鍍錫板的產量，從10年前的年產100多萬噸，猛增至484萬噸，但是其中絕大多數的鋼基板，都達不到供食品空罐用的（即表1所示）最低要求。原因固然很多，但是我國的電鍍錫板國家標準GB/ T2520-2008中，沒有對各種鋼基板（MR型,L型,D型）的各成分設置起碼的限定數值，也是誘因。標準中，基板成分不定，在法規上就是：薄板的內在品質，生產方無需對用戶明確負責。表2是GB/T 2520-2008中，對鋼基板的全部說明。

這樣，從好的方面來理解，就是要求薄板的采購方，必須對鋼種，即鋼基成分與耐蝕能力的最新科技信息完全掌握，也促使用戶必須建立完善的檢測系統；從壞的方面來看，就是只要是一張薄鐵板上面鍍了錫，就可能被認可了，甚至也可能對存在的內在缺陷，且通過用罐前后的技術檢測，無法獲得雙方認可。由此可見，如果標準不嚴謹，在市場經濟中，對用戶就沒有技術保證，同時也會導致落后技術沉渣泛起。如再缺乏誠信，這種標準，就可能成為蒙騙工具，這樣對工業體系的損害就不可估量了。

3）鍍錫薄板的耐蝕性能及“K板”

鍍錫薄板的品質，部分是看得見的，即易于用目視和簡單測量就能查明的。例如，平整度，光亮(反映電鍍水平及存放時間)度，厚度公差等。但更重要的內在品質，例如耐蝕性能[它由鍍錫量，鐵溶出值（ISV），酸浸時滯值（PLV），錫鐵合金層電偶（ATC）試驗值，晶粒度（TCS）甚至防氧化的鉻層和油膜質量等來綜合確定]和機械性能（調質度）。就必須依靠精密的檢測，才能評定。而這些性能又和鋼基成分、冷軋技術（例如，軋制過程不應產生過多的非金屬雜質的趨膚效應，否則鍍錫過程中，錫離子將不能鍍在鋼板表面的這些地方，于是形成了鍍層的漏洞即微孔，這就破壞了錫層致密，耐蝕效果受到損害）有極密切的、直接的關系。

在對冷軋帶鋼實施電鍍錫工藝后，從30年代起，人們為了減小表面錫層的不平以便減少它對空氣中水分子的吸附。人們在將它涂油（常用葵二酸二辛脂DOS，3～6mg/m2）之前，增加一道工序：就是在生產線上，將電鍍錫后的半成品，短暫加熱至232℃，再急冷。于是得到很閃亮的鍍層表面。這個過程稱為“軟熔”。

到上世紀50年代初，一位美國學者發現，在軟熔過程中熔融的錫，會滲入到鋼基表面的鐵的晶格中，從而形成薄薄的錫鐵合金層。這一層，研究證實，它有極好的耐蝕性能。他還查清了形成優良合金層的相關技術條件，其中包括了對鋼基成分的要求和加熱的最佳溫度時間，還發明了測定錫鐵合金層質量的“錫鐵合金層電偶ATC試驗”。后人為了紀念他的發明，就以他的名字“Kamm”來命名這種高耐蝕鍍錫薄板。中文就稱“K板”或“K鐵”。

4）二次冷軋薄板和鍍鉻薄板

進入21世紀，我國制罐所使用的鍍錫薄板，已經逐漸由從前的0.25～0.23mm，減薄至0.21～0.16mm，其實，歐洲在10年前，生產Φ99的1000ml的食品空罐，就已經全部采用0.14mm的薄板了。從冷軋工藝來看，現代的五機架（5對錕軸）連軋設備，加上今天的煉鋼水平，一次冷軋產品的最低厚度可以達到0.16mm。但要得到等于和低于這個厚度的薄板，一般都采用二次冷軋，即先軋出0.20～0.18mm的帶鋼，并在退火、清洗表面之后，再用雙機架軋機，在壓下量為20～30%左右，實施二次冷軋。即可獲得0.16mm和更薄的鍍錫薄板。當下，為了和其他食品包裝材料競爭，常用厚度0.14～0.12mm的薄板。目前甚至0.05mm的薄板也都已經出現了。

當前，鍍層的鍍錫量，也在大多數情況下，已降至2.8g/m2和1.1g/m2。電鍍的方法，也越來愈精致，錫層致密度有所提高。這多少彌補了一些降低鍍錫量的耐蝕力的損失。

5）食品衛生

另一方面，為了提高空罐的耐蝕能力，降低罐內壁重金屬滲入食品，從上世紀30年代起，人們就開始使用天然的或人造的樹脂，涂覆在空罐內壁。這樣還可以逐步減小內壁的鍍錫量。這套工藝方法，一直延續到今天。

但是從上世紀80年代，由于人們對食品中的有害滲入成分的認識越來越清楚，對商品和環境保護要求愈來愈高。聯合國糧農組織FAO，世界衛生組織WHO，各國權威單位（常以美國的食品和藥物管理局為代表）都發布了相關的法規和標準。這對從空罐內壁和印涂涂膜，可能遷入食品的各種微量高分子單體和重金屬，有了愈來愈嚴格的限定。這也迫使人們去另尋更優良的解決之道。

6）環境保護 復膜鐵

從90年代初，德國和日本，分別找出了更清潔更衛生的、稍厚的聚酯薄膜，用熱壓的方法，將它復合在鍍鉻薄板的表面，以取代用印涂工藝生產的涂料鐵，這樣，大大減少了印涂涂膜（主要是環氧酚醛等樹脂構成）中的有害的酚、醛等高分子單體，遷移到食品中。此外，由于這種復膜的致密度和厚度都提高了，復合工藝又使附著力也都提高了3倍以上，所以其耐蝕能力經實用和我們檢測雙重證實，都遠優于印涂的內涂膜。所以，它在食品衛生方面，具有很大的優勢。

在2006年，筆者到日本考察，那時，他們已經將全國幾十家印涂生產線幾乎全部關閉，同時，部分歐洲的鍍錫薄板廠也宣告，可以供應復膜的電鍍錫板。由于印涂工藝對環境的污染極其嚴重，而復膜鐵不僅有極優的耐蝕力及衛生效果，而且對環境的污染也極小。這些優勢，使之成為了食品空罐的“明日之星”。

7）淺沖罐 鋁薄板

如果再考慮到能借助輔助設計實現變形印刷，加上高速的精密沖床的大量應用，食品空罐由三片罐大量轉而采用工藝簡單得多的淺沖兩片罐，就是當前的另一個重要趨勢。這些的優勢，在小罐型上表現得更為明顯，因此現在購置三片罐生產線就很不明智了。

食品制罐另一顯著發展，是大量使用另一重要材料：鋁合金薄板。這是因為近年來，用于制罐的鋁合金薄板的價格快速下降，所以綜合考慮價格和耐蝕、美觀等方面后。發達國家，不僅鋁深沖拔罐多，淺沖鋁兩片罐，也就愈來愈多。這時，如果考慮到不少產品，由于可以有良好的運輸條件下，這時再采用易撕蓋EPE（鋁質，鐵質的都有），罐裝成本又會有所下降，且品質提高，重量更輕巧。

由于鋁合金薄板的制造、加工，總是和先進的航空工業掛鉤，所以不論是要制造各種成分的鋁鎂或鋁錳合金二次冷軋薄板，或做淺沖、深沖罐身，或是作各式各樣的易開蓋或罐底，其制作罐身工藝，都比生產鍍錫板和制罐更簡單，更易于控制，也更易獲得更好的后果。

8）易撕蓋EPE

大家都十分熟悉：鍍錫薄板或鋁合金薄板易開蓋，由于都需要沖出一個鉚釘，同時又不破壞局部的材料，并保證開啟刻痕深度均勻并易于開啟，所以對所用薄板的要求就十分嚴格，尤其是采用二次冷軋板（厚度0.16mm以下）時。所以近10年來，發達國家，已逐漸轉向采用最簡單的、厚度僅為50um上下的鋁箔或鋼箔。當然，這里的核心技術是密封的方法。

具體的密封方法，除常見的粘合（用食品級粘合劑）法以外，針對具有負壓的食品罐，或有正壓的啤酒之類，卷封是密封牢度更好的方法，下面的附圖是一些典型的事例。

9）二次冷軋鍍錫薄板參數

由于二次冷軋薄板厚度雖在0.16mm以下，但它總是更硬，且各種機械性能和耐蝕性能常常更好。這是由于他們的鋼基板中有害雜質更少、品質更好的必然結果，所以它更易制作罐身或罐蓋。用二次冷軋板做三片罐罐身時，只須調低焊輪間壓力、電流、成圓滾輪等等的間隙和壓力即可。在制作兩片罐和易開蓋時，也只需重新設定模具間隙。以下是各國二次冷軋鍍錫板的技術參數表(表3)。

(三)結束語

超薄的鍍錫和鍍鉻板，以及復膜鐵和鋁薄板的出現和改進，是制罐材料的創新。這表明，材料的創新是食品空罐和制罐工藝改進創新的基礎。所以，追求用更衛生、更安全、更輕巧、更美觀的材料，通過新工藝、新技術、新設備，來做成新的空罐，永遠是我們的目標。

表3 各國主要廠家的二次冷軋工藝技術參數