食品制罐材料及制罐工藝的現(xiàn)代進(jìn)展

中國(guó)發(fā)酵食品工業(yè)研究院高級(jí)工程師/章文燦

罐頭工業(yè)，不僅能使食品供應(yīng)遠(yuǎn)達(dá)海洋，而且是人類基本需求領(lǐng)域中的一項(xiàng)重大發(fā)明。因?yàn)殡S著新世紀(jì)的到來(lái)，人們由于農(nóng)林牧副漁業(yè)的大發(fā)展，一時(shí)消費(fèi)不盡的食物，極需有可靠的、經(jīng)濟(jì)的保存方法，而罐裝食品（Canning Food）已被證實(shí)是可選擇的各方式中的最優(yōu)。

罐裝食品工業(yè)作為人類的一種基本工業(yè)，它至少包括三個(gè)方面的科學(xué)技術(shù)：

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(guān)工程。其中的每一方面，到今天都積累了豐富的知識(shí)，形成了很多專利和國(guó)家（國(guó)際）標(biāo)準(zhǔn)及法規(guī)。本人作為長(zhǎng)期研究制罐及其材料的人員，擬就此領(lǐng)域，向各位介紹其最新進(jìn)展。

(一) 鍍錫薄板生產(chǎn)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(xù)了近百年，此時(shí)，板厚在0.30～0.25mm，鍍錫量多在19.5g/m2～13.5g/m2(每面)，主要生產(chǎn)國(guó)只有英國(guó)。到1900年，英國(guó)薄鋼板產(chǎn)量為420,000噸，其中鍍錫板約為70,000噸。但在1899年，美國(guó)超過(guò)英國(guó)，它的鍍錫板產(chǎn)量已達(dá)360,000噸。

2）電鍍錫薄板生產(chǎn)線，美國(guó)是1917年出現(xiàn)，德國(guó)是1934年出現(xiàn)。此后，電鍍錫薄板的數(shù)量和質(zhì)量都快速增長(zhǎng)，尤其是在二戰(zhàn)以后。在中國(guó)武鋼建成第一條薄板現(xiàn)代生產(chǎn)線的1978年以前，全球鍍錫線達(dá)到140多條，總產(chǎn)能達(dá)到2000萬(wàn)噸左右。成張板材的板寬508～1050mm，板長(zhǎng)712～1200mm。卷板卷重可為4～15噸。70年代，大量應(yīng)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(wàn)噸“1700冷軋生產(chǎn)線”，及12萬(wàn)噸鍍錫板生產(chǎn)線建成，到1998年寶鋼40萬(wàn)噸鍍錫板專用冷連軋鍍錫板廠（投資為650億人民幣）投產(chǎn)，其間，幾個(gè)利用進(jìn)口鋼基板來(lái)生產(chǎn)電鍍錫薄板的生產(chǎn)線（每條投資4,000～9,000萬(wàn)美元）投產(chǎn)。這樣，到21世紀(jì)初，我國(guó)半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，主要依靠進(jìn)口鍍錫板來(lái)支撐自己的食品罐裝工業(yè)的局面，得到了徹底的改觀。

（二）鍍錫薄板及空罐品質(zhì)的提升

1）鋼基板的品質(zhì)

鍍錫薄板，簡(jiǎn)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(zhì)量之根本，在于鋼基板的品質(zhì)。而鋼基板價(jià)值，也會(huì)占總值的80%以上，所以它是鍍錫板品質(zhì)的重中之重。

各國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)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(guó)材料協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)表1）。很可惜，不少人將這個(gè)成分表，當(dāng)成了最高標(biāo)準(zhǔn)。

例如，這個(gè)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(jì)，各國(guó)都進(jìn)一步限定鉛(Pb)必須小于0.01%，這是對(duì)鍍錫板品質(zhì)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(duì)耐腐蝕有不良影響的，各國(guó)都盡力控制使之更小，對(duì)四大金屬成分（錳、銅、鋁、鉻），也要按需進(jìn)行控制。這樣才可能制造出耐腐蝕性和耐加工性都優(yōu)良的鍍錫薄板。

表1 鍍錫軋制品鋼基化學(xué)成分要求

表2 GB/T 2520-2008對(duì)鋼基板的說(shuō)明

我國(guó)鋼廠雖多，但小廠林立，設(shè)備落后。可是只有配備了良好的精煉設(shè)備的現(xiàn)代化大鋼廠，才能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鍍錫薄板基板所需的連鑄鋼。

2）標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

近幾年來(lái)，我國(guó)電鍍錫板的產(chǎn)量，從10年前的年產(chǎn)100多萬(wàn)噸，猛增至484萬(wàn)噸，但是其中絕大多數(shù)的鋼基板，都達(dá)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(guó)的電鍍錫板國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T2520-2008中，沒(méi)有對(duì)各種鋼基板（MR型,L型,D型）的各成分設(shè)置起碼的限定數(shù)值，也是誘因。標(biāo)準(zhǔn)中，基板成分不定，在法規(guī)上就是：薄板的內(nèi)在品質(zhì)，生產(chǎn)方無(wú)需對(duì)用戶明確負(fù)責(zé)。表2是GB/T 2520-2008中，對(duì)鋼基板的全部說(shuō)明。

這樣，從好的方面來(lái)理解，就是要求薄板的采購(gòu)方，必須對(duì)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(cè)系統(tǒng)；從壞的方面來(lái)看，就是只要是一張薄鐵板上面鍍了錫，就可能被認(rèn)可了，甚至也可能對(duì)存在的內(nèi)在缺陷，且通過(guò)用罐前后的技術(shù)檢測(cè)，無(wú)法獲得雙方認(rèn)可。由此可見(jiàn)，如果標(biāo)準(zhǔn)不嚴(yán)謹(jǐn)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，對(duì)用戶就沒(méi)有技術(shù)保證，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致落后技術(shù)沉渣泛起。如再缺乏誠(chéng)信，這種標(biāo)準(zhǔn)，就可能成為蒙騙工具，這樣對(duì)工業(yè)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(zhì)，部分是看得見(jiàn)的，即易于用目視和簡(jiǎn)單測(cè)量就能查明的。例如，平整度，光亮(反映電鍍水平及存放時(shí)間)度，厚度公差等。但更重要的內(nèi)在品質(zhì)，例如耐蝕性能[它由鍍錫量，鐵溶出值（ISV），酸浸時(shí)滯值（PLV），錫鐵合金層電偶（ATC）試驗(yàn)值，晶粒度（TCS）甚至防氧化的鉻層和油膜質(zhì)量等來(lái)綜合確定]和機(jī)械性能（調(diào)質(zhì)度）。就必須依靠精密的檢測(cè)，才能評(píng)定。而這些性能又和鋼基成分、冷軋技術(shù)（例如，軋制過(guò)程不應(yīng)產(chǎn)生過(guò)多的非金屬雜質(zhì)的趨膚效應(yīng)，否則鍍錫過(guò)程中，錫離子將不能鍍?cè)阡摪灞砻娴倪@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(guān)系。

在對(duì)冷軋帶鋼實(shí)施電鍍錫工藝后，從30年代起，人們?yōu)榱藴p小表面錫層的不平以便減少它對(duì)空氣中水分子的吸附。人們?cè)趯⑺坑停ǔＳ每岫林珼OS，3～6mg/m2）之前，增加一道工序：就是在生產(chǎn)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(gè)過(guò)程稱為“軟熔”。

到上世紀(jì)50年代初，一位美國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在軟熔過(guò)程中熔融的錫，會(huì)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(shí)，它有極好的耐蝕性能。他還查清了形成優(yōu)良合金層的相關(guān)技術(shù)條件，其中包括了對(duì)鋼基成分的要求和加熱的最佳溫度時(shí)間，還發(fā)明了測(cè)定錫鐵合金層質(zhì)量的“錫鐵合金層電偶ATC試驗(yàn)”。后人為了紀(jì)念他的發(fā)明，就以他的名字“Kamm”來(lái)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(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)制罐所使用的鍍錫薄板，已經(jīng)逐漸由從前的0.25～0.23mm，減薄至0.21～0.16mm，其實(shí)，歐洲在10年前，生產(chǎn)Φ99的1000ml的食品空罐，就已經(jīng)全部采用0.14mm的薄板了。從冷軋工藝來(lái)看，現(xiàn)代的五機(jī)架（5對(duì)錕軸）連軋?jiān)O(shè)備，加上今天的煉鋼水平，一次冷軋產(chǎn)品的最低厚度可以達(dá)到0.16mm。但要得到等于和低于這個(gè)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(jī)架軋機(jī)，在壓下量為20～30%左右，實(shí)施二次冷軋。即可獲得0.16mm和更薄的鍍錫薄板。當(dāng)下，為了和其他食品包裝材料競(jìng)爭(zhēng)，常用厚度0.14～0.12mm的薄板。目前甚至0.05mm的薄板也都已經(jīng)出現(xiàn)了。

當(dāng)前，鍍層的鍍錫量，也在大多數(shù)情況下，已降至2.8g/m2和1.1g/m2。電鍍的方法，也越來(lái)愈精致，錫層致密度有所提高。這多少?gòu)浹a(bǔ)了一些降低鍍錫量的耐蝕力的損失。

5）食品衛(wèi)生

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

但是從上世紀(jì)80年代，由于人們對(duì)食品中的有害滲入成分的認(rèn)識(shí)越來(lái)越清楚，對(duì)商品和環(huán)境保護(hù)要求愈來(lái)愈高。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織FAO，世界衛(wèi)生組織WHO，各國(guó)權(quán)威單位（常以美國(guó)的食品和藥物管理局為代表）都發(fā)布了相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。這對(duì)從空罐內(nèi)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(lái)愈嚴(yán)格的限定。這也迫使人們?nèi)チ韺じ鼉?yōu)良的解決之道。

6）環(huán)境保護(hù) 復(fù)膜鐵

從90年代初，德國(guó)和日本，分別找出了更清潔更衛(wèi)生的、稍厚的聚酯薄膜，用熱壓的方法，將它復(fù)合在鍍鉻薄板的表面，以取代用印涂工藝生產(chǎn)的涂料鐵，這樣，大大減少了印涂涂膜（主要是環(huán)氧酚醛等樹(shù)脂構(gòu)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(fù)膜的致密度和厚度都提高了，復(fù)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(jīng)實(shí)用和我們檢測(cè)雙重證實(shí)，都遠(yuǎn)優(yōu)于印涂的內(nèi)涂膜。所以，它在食品衛(wèi)生方面，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

在2006年，筆者到日本考察，那時(shí)，他們已經(jīng)將全國(guó)幾十家印涂生產(chǎn)線幾乎全部關(guān)閉，同時(shí)，部分歐洲的鍍錫薄板廠也宣告，可以供應(yīng)復(fù)膜的電鍍錫板。由于印涂工藝對(duì)環(huán)境的污染極其嚴(yán)重，而復(fù)膜鐵不僅有極優(yōu)的耐蝕力及衛(wèi)生效果，而且對(duì)環(huán)境的污染也極小。這些優(yōu)勢(shì)，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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)變形印刷，加上高速的精密沖床的大量應(yīng)用，食品空罐由三片罐大量轉(zhuǎn)而采用工藝簡(jiǎn)單得多的淺沖兩片罐，就是當(dāng)前的另一個(gè)重要趨勢(shì)。這些的優(yōu)勢(shì)，在小罐型上表現(xiàn)得更為明顯，因此現(xiàn)在購(gòu)置三片罐生產(chǎn)線就很不明智了。

食品制罐另一顯著發(fā)展，是大量使用另一重要材料：鋁合金薄板。這是因?yàn)榻陙?lái)，用于制罐的鋁合金薄板的價(jià)格快速下降，所以綜合考慮價(jià)格和耐蝕、美觀等方面后。發(fā)達(dá)國(guó)家，不僅鋁深沖拔罐多，淺沖鋁兩片罐，也就愈來(lái)愈多。這時(shí)，如果考慮到不少產(chǎn)品，由于可以有良好的運(yùn)輸條件下，這時(shí)再采用易撕蓋EPE（鋁質(zhì)，鐵質(zhì)的都有），罐裝成本又會(huì)有所下降，且品質(zhì)提高，重量更輕巧。

由于鋁合金薄板的制造、加工，總是和先進(jìn)的航空工業(yè)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(kāi)蓋或罐底，其制作罐身工藝，都比生產(chǎn)鍍錫板和制罐更簡(jiǎn)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(kāi)蓋，由于都需要沖出一個(gè)鉚釘，同時(shí)又不破壞局部的材料，并保證開(kāi)啟刻痕深度均勻并易于開(kāi)啟，所以對(duì)所用薄板的要求就十分嚴(yán)格，尤其是采用二次冷軋板（厚度0.16mm以下）時(shí)。所以近10年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家，已逐漸轉(zhuǎn)向采用最簡(jiǎn)單的、厚度僅為50um上下的鋁箔或鋼箔。當(dāng)然，這里的核心技術(shù)是密封的方法。

具體的密封方法，除常見(jiàn)的粘合（用食品級(jí)粘合劑）法以外，針對(duì)具有負(fù)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(shù)

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(jī)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(zhì)更少、品質(zhì)更好的必然結(jié)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(shí)，只須調(diào)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(kāi)蓋時(shí)，也只需重新設(shè)定模具間隙。以下是各國(guó)二次冷軋鍍錫板的技術(shù)參數(shù)表(表3)。

(三)結(jié)束語(yǔ)

超薄的鍍錫和鍍鉻板，以及復(fù)膜鐵和鋁薄板的出現(xiàn)和改進(jìn)，是制罐材料的創(chuàng)新。這表明，材料的創(chuàng)新是食品空罐和制罐工藝改進(jìn)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。所以，追求用更衛(wèi)生、更安全、更輕巧、更美觀的材料，通過(guò)新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備，來(lái)做成新的空罐，永遠(yuǎn)是我們的目標(biāo)。

表3 各國(guó)主要廠家的二次冷軋工藝技術(shù)參數(shù)