Основные материалы для производства металлической тары

Лекция 4

МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ТАРА

Основные материалы для производства металлической тары

Металлическая тара является удобной жесткой тарой, герме­тичной, способной выдерживать высокое давление, прочной и светонепроницаемой. Транспортная металлическая тара — возврат­ная, многооборотная и ремонтопригодная.

Потребительская металлическая тара по-прежнему остается неза­менимой для консервированной продукции длительного хранения.

Преимущества металлической тары заключаются в ее высокой механической прочности, меньшей по сравнению со стеклянными банками массе, она выдерживает высокие перепады температур (пригодна для стерилизации), имеет высокую степень утилизации.

Недостатки металлической тары — подверженность коррозии, возможность перехода соединений тяжелых металлов в продукт, необходимость нанесения защитного слоя олова и дополнительно лакового слоя, большой объем при транспортировании пустой тары.

Основными материалами для производства металлической по­требительской и транспортной тары являются стальные и алюми­ниевые сплавы.

Сталь. Ее получают из железосодержащих руд путем выплавки в мартеновских или конверторных печах, а специальные марки — в электроплавильных печах.

Сталь представляет собой сплав железа преимущественно с углеродом, содержание которого составляет от 0,1 до 1,3%, но не превышает 2,14%. Сплав с большим количеством углерода назы­вается чугуном. Содержание углерода в расплаве 2,14% соответ­ствует наибольшей концентрации, при которой расплав существует со структурой аустенита и начинается выпадение кристаллов цементита Fе₃С. На диаграмме фазового состояния Fе—Fе₃С это соответствует началу линии солидуса (твердение сплава). Приня­тое разграничение совпадает с предельной растворимостью угле­рода в аустенитном сплаве. Сталь с аустенитной структурой обла­дает повышенной пластичностью по сравнению с чугуном.

Кроме углерода, в стали содержатся примеси марганца, крем­ния, фосфора, серы, кислорода, азота, водорода в долях процен­та и каждая из них придает особые свойства сплаву. Сталь выпус­кают различных марок и назначения.

Углеродистой сталь названа по основному элементу — углеро­ду, сильно влияющему как на структуру, так и на свойства. Его количество в них не более 1,35%. С увеличением его содержания возрастают твердость, прочность, упругость стали и снижаются пластичность, относительное удлинение. В зависимости от степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокой­ную (пс), спокойную (сп). Раскисление — это введение в сплав добавок металлов, которые снижают содержание кислорода в спла­ве.

Конструкционные углеродистые стали содержат углерод в не­большом количестве — 0,06 — 0,85 %. Такие стали обладают высо­кой пластичностью, хорошо обрабатываются давлением, напри­мер прокатываются в лист.

Жесть — тонколистовая углеродистая сталь с покрытием или без него. Исходным материалом для производства жести служит горячекатаный листовой прокат толщиной 2 — 2,4 мм из низкоуг­леродистой стали марок 08 кп и 08 пс раскисленный алюминием или кремнием.

Жесть для производства тары подразделяют на белую и черную. Белую жесть чаще используют в производстве тары для пищевых продуктов. Черную жесть лакируют, хромируют, цинкуют, нике­лируют, покрывают алюминием и используют для производства различных видов тары, но применение ее ограничено.

Белая жесть — тонколистовая углеродистая сталь, покрытая с обеих сторон слоем олова. Олово — серебристо-белый металл, ко­торый облачает низкой температурой плавления (232 °С), высо­кой пластичностью и мягкостью. Олово 99,9 % чистоты является безопасным, так как содержание свинца в нем не превышает 0,1 %, а реально составляет 0,05 %. Олово устойчиво к действию холод­ной и горячей воды, органических кислот, очень медленно ра­створяется в разбавленных минеральных кислотах и растворах щелочей и не образует токсичных соединений с пищевыми про­дуктами. Около 90 % всей производимой белой жести идет на из­готовление тары для консервов.

Белая жесть имеет ровную, блестящую поверхность и химичес­ки устойчива из-за высокой устойчивости олова. Белая жесть име­ет еще одно название — луженая жесть, поскольку основной техно­логией ее получения до 30-х гг. XX в. был метод горячего лужения — нанесение олова на лист стали из расплава. В настоящее время применяют в основном метод электролитического лужения. Тон­кий слой олова наносят на стальной лист из электролитов в галь­ванической ванне электрохимическим методом. Электролитичес­кое лужение — наиболее производительный и экономный спо­соб, поскольку при правильном подборе компонентов и парамет­ров ванны (плотность тока, концентрация электролита, время на­несения и пр.) удается получить прочное, равномерное покрытие, но меньшей толщины, чем при горячем лужении. Небольшое количество белой жести горячего лужения производят в основном для производства упаковки продукции длительного хранения.

Производство белой листовой жести включает следующие ста­дии обработки: холодная прокатка углеродистой стали, элект­ролитическая очистка поверхности для удаления неровностей, окисленного слоя, отжиг, обезжиривание и подготовка полосы к основному процессу — лужению; электролитическое лужение; нарезка на листовые заготовки. Основным производителем бе­лой жести в России является Магнитогорский металлургический комбинат.

Толщина слоя олова определяет срок годности банки, поскольку при нарушении целостности покрытия в процессе производства или при хранении упакованного продукта, содержащего воду, соли и т.п., в этих местах жесть начинает быстро ржаветь в присут­ствии влаги, из-за возникновения гальванической пары олово — железо (электрохимическая коррозия). Поэтому чем толще слой олова, тем больше продолжительность его защитного действия.

При производстве полуфабриката — листового или рулонного материала для производства банок покрытие принято делить по толщине на три класса: I класс —2,8 г/м²; II класс — 5,6 г/м²; III класс — 11,2 г/м² с каждой из сторон листа. Толщина покры­тия III класса достигает 1,5 мкм. При горячем способе лужения средний расход олова составляет 20 г/м², а средняя толщина слоя 3 мкм (колебания 1,6—5 мкм). Толщина стального листа составляет около 200—250 мкм (0,20—0,25 мм). За 170 лет, прошедших с на­чала промышленного производства жестяной тары, толщина сталь­ного листа уменьшилась на 67 %, а оловянного покрытия — на 98,5% (с 13 до 0,2 мкм).

Жесть с покрытием III класса практически не производится из-за большого расхода олова. Во всем мире заводы-изготовители перешли на покрытия I и II классов как более дешевых и конку­рентоспособных. Наиболее часто используется белая жесть марки ЭЖК II класса, для увеличения ее коррозионной стойкости при­меняют дополнительное лакирование поверхности олова, а так­же другие приемы.

Повышение коррозионной стойкости белой жести заключает­ся в следующих технологических операциях:

- пассивирование, т.е. получение тонкой оксидной пленки толщиной 1 - 2 нм на поверхности олова. Для этого поверхность жести электролитического лужения обрабатывают окислителями в спе­циальных ваннах. Пассивирование способствует повышению устой­чивости олова к сероводороду, выделяющемуся из продукта при стерилизации мяса, рыбы, некоторых овощей;

- нанесение масляной пленки снижает трение и, следовательно, вероятность повреждения олова при обработке металла. Вместо растительного масла сейчас используют органические синтетичес­кие эфиры с низким коэффициентом трения;

- лакирование поверхности осуществляют полимерными смола­ми (эпоксиды, акрилаты). Слой лака защищает олово от повреж­дения. Наибольшее применение находит эпоксифенольный лак, который разрешен для контакта с пищевыми продуктами. Тонкая пленка высохшего (за счет химической реакции отвердения) лака является инертной и не переходит в раствор. Консервную ленту покрывают также фенольно-масляными лаками, белково-устойчивыми эмалями и др.

Важную роль в повышении стойкости оловянного покрытия играет уменьшение пористости покрытия. Скорость коррозии сни­зилась, если бы удалось получить плотное, непористое покрытие. К сожалению, покрытие олова на белой жести всегда получается пористым. Чем тоньше слой олова, тем больше вероятность полу­чения системы сообщающихся пор, которые открывают путь для проникновения влаги внутрь покрытия к поверхности стали. В более толстых слоях (например, 4—5 мкм) олова горячего лужения ве­роятнее, что поры перекрывают друг друга и такая жесть лучше защищает слой железа от окисления.

Подверженность коррозии. Она происходит при соприкоснове­нии с влагой в окружающей атмосфере или с жидкой пищевой средой. При этом поврежденный слой олова или транспортная пора порождают возникновение гальванической пары олово-железо, которая и является причиной разрушения покрытия. В зависимости от электродного потенциала металла, концентрации жидкости, наличия или отсутствия кислорода механизмы протекания элект­рохимических реакций различны. В неблагоприятной ситуации, когда слой олова локально нарушен, оно становится катодом, а сталь — анодом, происходит быстрая коррозия стали. На катоде (8п) вос­станавливается водород:

2Н⁺ + 2е^- → Н₂↑

В результате такого процесса, протекающего внутри банки, происходит ее вспучивание. На аноде железо (Fе) отдает электро­ны, превращается в ионы и переходит в раствор: Fе – 2е^- → Fе ⁺² , или «химический бомбаж», который может привести к механическому разрушению банки.

В сильнокислых продуктах (высокая концентрация ионов Н⁺), с большим количеством заливочной жидкости возможна не толь­ко поверхностная, но и сквозная коррозия. При этом происходит растворение железа: Fе + 2Н⁺ → : Fе ⁺² + Н₂↑ Этот процесс характерен для консервированных соленых огур­цов, спаржи, зеленого горошка, моркови.

На жести без лакированного слоя коррозия может привести к отслоению олова на большой поверхности внутри банки. Этот про­цесс ускоряют такие вещества, как органические кислоты, и чаще всего щавелевая, свободные жирные кислоты, амины, полифе­нолы, полифосфаты и нитраты. Возможна следующая схема ра­створения олова без выделения водорода:

4Sn + NО₃ + 10Н⁺ → NН⁺₄ + 4Sn⁺² + ЗН₂0

Так, нитраты в связи с их широким использованием в качестве удобрений могут быть в повышенном количестве в питьевой воде и растительном сырье. Известно, что концентрация нитратов в продукте 52 мг/кг достаточна, чтобы вызвать разрушение слоя олова, а это приведет, в свою очередь, к увеличению содержа­ния соединений олова в продукте до 400 мг/кг, что значительно выше норматива.

Процесс коррозии ускоряется в присутствии кислорода. Для внутренней коррозии это может быть оставшийся в банке кисло­род, для внешней коррозии — повышенная влажность окружаю­щей среды при хранении на складе.

При консервировании белковых продуктов (мясо, рыба, бо­бовые, зеленый горошек) в процессе их стерилизации выделя­ются сернистые соединения, или сероводород, которые образу­ют сульфиды на поверхности олова, а при проникновении через поры — сульфиды железа. Сульфиды олова пассивируют поверх­ность и защищают олово от дальнейшей коррозии. В результате это­го взаимодействия внутренняя поверхность банки покрывается пятнами различной окраски — от светло-желтой до фиолетовой. Такое явление называется побежалостью, или мраморностью. Суль­фид железа имеет темную окраску. В том случае, если сульфиды железа или олова изменяют цвет продукта, такой дефект считает­ся недопустимым и носит название сульфидной коррозии.

Для выбора качества покрытия, т.е. толщины слоя олова, не­обходимо использовать жесть не ниже II класса покрытия. Белая луженая жесть является лучшим материалом для консервирова­ния сильноагрессивных пищевых продуктов.

Хромированная жесть. Ее использование позволяет расширить ассортимент металлической тары. В последние десятилетия олово стало дорогостоящим металлом вследствие уменьшения запасов в месторождениях, поэтому для покрытия начали применять дру­гие металлы, например хром, алюминий, никель (лакирован­ные).

Хромированная жесть имеет характерный голубовато-белый цвет металлического хрома. Хром имеет плотность, близкую к плотно­сти железа, устойчив к окислению кислородом воздуха и стоек к действию воды, но растворяется в разбавленных кислотах. Метал­лический хром малотоксичен и обладает высокой коррозионнойстойкостью, поэтому применяется для хромирования металличес­ких поверхностей. Хромовое покрытие более дешевое, чем оло­вянное, и хром не является дефицитным металлом.

Хромированную жесть выпускают лакированной с обеих сто­рон. Использование хромированной жести без дополнительного защитного слоя невозможно по ряду причин. Хромовое покрытие является более жестким по сравнению с оловом и является абра­зивным, что приводит к более быстрому износу оборудования для производства банок. Защитные свойства хрома по отношению к железу в хромированной жести ниже, чем у олова в луженой же­сти. Хромированная жесть сравнительно быстро растворяется в кис­лых средах с выделением водорода. Недостатком хромированной жести является сложность закатывания банок с высокой скоростью.

В связи с этим хромированную жесть используют для производ­ства кронен-пробок, крышек для закатки стеклянных банок, ба­нок под сыпучие пищевые продукты, а также для консервирова­ния некоторых малоагрессивных продуктов (см. табл. 3.1).

Хромированную жесть используют для производства банок под лакокрасочные материалы, сыпучие товары бытовой химии, в комбинированной таре.

Черная и оцинкованная жесть. Черная лакированная жесть ра­нее широко применялась для производства кронен-пробок для укупоривания бутылок, однако ее не используют для упаковыва­ния пищевых продуктов.

Черную жесть используют при производстве потребительской тары для непродовольственных товаров. Лаковые покрытия слу­жат защитой от коррозии во влажной атмосфере.

В настоящее время черную лакированную жесть применяют в ограниченном ассортименте вследствие низких эстетических свойств и более высокой степени подверженности коррозии.

Для производства потребительской и транспортной тары для непродовольственных товаров используют оцинкованную жесть (оцинкованную сталь). Цинк — светло-серый легкоплавкий (419 °С) металл, устойчив к атмосферным воздействиям благодаря образо­ванию защитной оксидной пленки. Цинк применяют для получе­ния защитных покрытий на стальных изделиях. Качественное цин­ковое покрытие имеет характерный морозный узор из кристаллов цинка.

Цинковые покрытия не выдерживают воздействия горячей воды, пищевых, минеральных кислот и щелочей. Соединения цинка токсичны, поэтому на изделия, предназначенные для контакта с пищевыми продуктами, цинковые покрытия не наносят. Оцинко­ванную жесть применяют для производства тары под лакокрасоч­ные и иные строительные и хозяйственные материалы. В России выпускают потребительскую тару из оцинкованной жести в виде ведер с крышками.

Алюминий — основной компонент алюминиевых сплавов. Алю­миний получают из бокситовых руд электролизом расплава соле­вых соединений в присутствии криолита, снижающего темпера­туру плавления. Алюминий имеет низкую плотность (2200 кг/м³), очень пластичный и мягкий. Известно, что на поверхности алю­миния образуется тонкая, прочная оксидная пленка, что обеспе­чивает ему стойкость к атмосферным воздействиям, влиянию орга­нических кислот, щелочей, аммиака и т.д. Стоимость алюминия в 3 — 4 раза выше жести, однако алюминий легче, так что удельная стоимость единицы массы продукции сопоставима.

Алюминиевые сплавы по способу изготовления из них изделий подразделяют на деформируемые — Д (получаемые методами пла­стической деформации, например банки, тубы, баллоны) и ли­тейные — Л (изготовляемые литьем, например обручи для фляг).

Деформируемые алюминиевые сплавы классифицируют на уп­рочняемые и неупрочнясмые с помощью термообработки.

Упрочняемыми деформируемыми сплавами алюминия являются дуралюмины марок Д1, Д2 (цифры показывают номер сплава). Основной легирующий элемент данных сплавов — медь (3,8 — 4,8 %); в сплаве содержатся также магний (0,4 — 2,3 %), марганец (0,4—0,8 %). Легирующие элементы придают дуралюминам твер­дость, прочность и некоторую пластичность. Эти свойства закреп­ляются при термообработке. Для коррозионной стойкости листы из дуралюмина подвергают плакировке — покрывают слоем чис­того алюминия с последующим нагревом и прокаткой.

К деформируемым алюминиевым сплавам, неупрочняемым тер­мической обработкой, относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием марок АМц (марганца до 1,8%) и АМг1— АМг6 (цифры показывают среднее содержание магния). Эти сплавы отличаются повышенной устойчивостью к механическим нагрузкам, коррозии. Для упрочнения поверхности сплава проводят нагартовку (отбивку).

Литейные алюминиевые сплавы обладают хорошей жидкотс-кучестью, малой усадкой, пористостью. Большинство марок этих сплавов расшифровываются так: АЛ (цифра) — алюминий ли­тейный; цифра означает порядковый номер сплава, химический состав которого регламентируется ГОСТ. Наиболее широко ис­пользуют алюминиевые литейные сплавы 1 группы с кремнием (силумины). Силумины не подвергают термической обработке, их прочность повышают путем добавления модификаторов. В сплавах для изделий, контактирующих с пишевымн продуктами, содер­жание свинца не должно превышать 0,15 %, цинка — 0,3 %, мышь­яка — 0,015 %, примесь бериллия не допускается.

Алюминий хорошо прокатывается в тонкую фольгу, которая применяется для производства полужесткой металлической упа­ковки и комбинированных материалов. Толщина алюминиевой фольги составляет от 10 до 200 мкм. При калибровании (прокатке через последнюю пару валов) прокатывают сдвоенные полосы фольги, поэтому внутренняя сторона их слегка матовая, а внеш­няя — с зеркальным блеском, но их свойства идентичны. Очень тонкая фольга имеет микроразрывы или трещины, эти отверстия делают ее проницаемой для паров воды и кислорода, поэтому требуется специальная обработка лаком.

2. Металлические банки для консервов

Цилиндрические банки металлические и крышки к ним, пред­назначенные для фасования консервируемой продукции ОКП 14 1740, выпускают по ГОСТ 5981 - 88 «Банки металлические для консервов. ТУ». Стандарт не распространяется на алюминиевые банки с легковскрываемыми крышками и жестяные банки с язычком.

Различают литографированные и нелитографированные банки. Последние имеют производственную маркировку на дне и крышке и бумажную этикетку в виде ленты. На литографированных банках маркировка нанесена краской на металлическую поверхность банок.

Металлические банки для консервов в зависимости от конст­рукции изготовляют двух типов:

тип I — сборные (круглые и прямоугольные);СЛАЙД

тип II — цельные (круглые, фигурные, прямоугольные, оваль­ные и эллиптические).

Банки изготавливают со сварным или паяным продольным швом.

Сборные банки состоят из трех частей: корпус в форме обечай­ки спродольным швом сварным или паяным и двух концов — крышки и донышка (слайде).

СЛАЙД. Общий вид металлических банок: а — типI; б — тип II; в — формирование двойного закаточного шва; г — лито­графированные банки с продукцией; 1. — крышка (донышко); 2 — корпус; 3 — боковой шов

Регламентируемая толщинаметалла для банок (слайд)

Цельные банки состоят из двух составных частей: цельнотя­нутого корпуса с донышком, полученного штамповкой из листо­вой заготовки жести или алюминия, и крышки (рис. 6.1, б). Кор­пус банки может иметь (или не иметь) ребра жесткости (зиги).Концы в сборных банках прифальцовываются двойным закаточ­ным швом. Этот шов состоит из пяти слоев жести (см. рис. 6.1, в). Крышку после заполнения банки прифальцовывают двойным за­каточным швом. Производство цельных банок более технологично и выгодно, однако лист должен быть лакированным, поскольку при штамповке часто нарушается полуда за счет вытяжки листа.

Рекомендуемая толщина металла, приемлемая для производства банок, приведена в табл. 6.1. В перспективе для банок отечественно­го производства предполагается снижение толщины стального листа и слоя олова вследствие улучшения качества лакового покрытия.

Производство жестяных банок.Оно различно в зависимости от типа банки. Неизменным остается только вид двойного закаточ­ного шва. Технологический процесс проходит на двух параллель­ных линиях — производство корпуса и крышки и (или) донышка. Изготовление донышек и крышек аналогично для всех типов ба­нок. Стадии производства корпуса различаются в зависимости от типа банки. В сборной («трехчастной») банке формируется про­дольный шов на корпусе.

Изготовление банок типа I начинается с формирования обечайки (корпуса). Листовая жесть разрезается на заготов­ки — бланки. Из штабеля блан­ки по одному проходят узел на­сечки. В узле формообразования заготовка принимает цилинд­рическую форму заданного ди­аметра, а продольный шов отбортовывается (слайд).

В зависимости от техноло­гии соединение шва произво­дится способом сварки или пайки (с использованием при­поев).

Специальный калибрующий венец оформляет нахлест кра­ев заготовки, чтобы подгото­вить ее к сварке. После сварки корпус банки поступает на уста­новку, где на внутреннюю и наружную поверхности сварного шва наносят лак и сушат его. Затем корпус отбортовывают и соединя­ют в фальц с предварительно подготовленным донышком, затем закатывают двойным швом. После формирования банки ее конт­ролируют на герметичность. Негерметичные банки выбраковы­вают.

Производство цельных банок типа II проще. Листовой или ру­лонный материал поступает на пресс, где производится глубо­кая вытяжка металла, затем механическая вырубка и отбортовка горловины; лакирование внутренней поверхности и отвердение лака.

Производство концов, т.е. донышек и крышек, происходит по-разному, в зависимости от того, имеют они устройство для облег­чения вскрывания (легковскрываемые крышки) или нет.

Если донышки и крышки однотипны (для обычных сборных банок), их изготовление одинаково. Лист поступает в зону штам­па, и производится штамповка-вырубка одновременно несколь­ких заготовок. Отштампованные крышки (донышки) передаются по транспортеру для подвивки и гуммирования, т.е. введения в фальц крышки уплотнительной, герметизирующей пасты. Затем пасту подсушивают в туннельной печи. Донышки для сборных ба­нок направляют на соединение с корпусом. Крышки переводят в вертикальное положение и направляют на упаковку.

В России выпускают свыше 60 разновидностей металлических банок различной вместимости в диапазоне от 50 до 9590 см³. Наи­более часто используемые банки приведены на схеме.

Слайд. Схема производства консерв­ных банок:

1 - насечка заготовки; 2 - отбортовка; 3- формирование цилиндрического корпуса; 4 — соединение и сварка про­дольного шва; 5 — подвивка и гуммиро­вание донышка (крышки); 6 -соедине­ние с донышком (верхний конец отбор­тован)

На слайде Наиболее распространенные разновидности металлических банок для консервов

Для мясных и рыбных консервов в основном используют ме­таллические банки следующих номеров: № 3 и 4 массой нетто 250 г, № 8 — 325 г, № 9 — 350 г, № 12 — 550 г. Металлические банки большей вместимости используют для продуктов: яичных замороженных (меланж и др.) массой нетто 2,8 кг (№ 14), 4,5 кг (№ 47), 8 кг (№ 15), 10 кг (прямоугольные), плодоовощных кон­сервов для общественного питания и промышленной переработ­ки — массой нетто до 10 кг; рыбных пресервов (соленые сель­ди) — массой нетто до 5 кг.

В статистике учет ведется в пересчете на условные банки. За одну условную объемную банку в пищевой промышленности принята банка № 8 вместимостью 353 см³. Для банок иной вместимости существует коэффициент пересчета, который получают делением фактической вместимости банки на 353, т.е. на вместимость банки № 8. За массовую условную единицу принято 400 г продукта.

При изготовлении банок для консервов применяют следую­щие материалы:

жесть холоднокатаная белая, листовая или рулонная по ГОСТ 13345-85 марок ЭЖК, ЭЖК-Д и ГЖК;

жесть белая холоднокатаная горячего лужения в рулонах;

жесть белая листовая лакированная (по НД);

жесть белая листовая и рулонная (по НД);

жесть белая листовая литографированная (по НД);

жесть хромированная лакированная марки ХЛЖК;

алюминиевая лакированная лента или листы (по НД);

припой оловянно-свинцовый по ГОСТ 21930 - 76 с номиналь­ным содержанием олова 40 %;

уплотнительные пасты (по НД);

материал лакокрасочный шовный (по НД).

Санитарно-химические требования к жестяной таре для про­дукции пищевого назначения строго регламентируют. На слайде представлены санитарно-химические нормативы для жестяной тары

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: