用於製造包裝用鋼帶的方法和相關設備與流程

2023-06-01 19:14:11 1

術語「包裝用鋼」包括用於食品、飲料和工業非食品(例如氣溶膠氣體或油漆)的包裝的所有基於鋼的材料。

包裝鋼包括馬口鐵等，馬口鐵是被一層錫覆蓋的具有低碳含量(通常小於0.08％)的鋼。

在錫的沉積之後施加鈍化層，且該鈍化層使得可以限制氧化錫的形成等。可以通過沉積含水鈍化溶液(例如磷化或鍍鉻溶液)或可溶性化合物的溶液(例如草酸鈦、硫酸鈦或硫酸鋯)來完成鈍化。首先以溼膜的形式施加沉積物，其中，溶液呈含水形式，然後使經塗覆產品乾燥以獲得幹膜。通常通過使經塗覆帶穿過裝備有沿帶的方向噴射熱空氣的噴嘴的通道來進行乾燥。為了小於10nm的幹鈍化塗層厚度，所沉積的溼膜的厚度通常小於5μm。事實上，鈍化塗層機械地弱，並且其厚度越大，內聚破裂的風險就越高。這種內聚破裂導致可能稍後施加的有機塗層(例如清漆或油漆)的分層或粘附的損失。

鈍化層可以通過「噴/浸/擠壓」方法來沉積，根據所述方法，待塗覆的表面通過噴塗或浸沒而被設置為與含水鈍化溶液接觸，此後，過量的溶液藉助於擠壓輥來消除。該方法的缺點在於，所沉積的溼膜的厚度不取決於被設置為與帶接觸的溶液的量，而取決於塗布線的速度。藉助於擠壓輥移除的溶液的量顯著地取決於帶在這些輥之間行進的速度。因此，無論線的速度如何，通過這種方法都難以獲得鈍化層的均勻厚度。

用於沉積鈍化層的另一方法包括將含水鈍化溶液以由轉盤產生的液滴的均勻流的形式噴塗在帶上，然後藉助於鋪展輥(spreader roller)使鈍化層平滑。該方法的優點在於，即使在線的速度變化的情況下，所沉積的溼膜的厚度仍可以通過調節由轉盤噴塗的溶液的流量來保持恆定。然而，溶液的均勻鋪展在很大程度上取決於液滴形成均勻液體流所需的時間以及鋪展輥與帶之間的接觸力，其由於輥的磨損、帶的平直度的變化和輥的幾何形狀的公差以及輥的對準而不易於控制。因此，在鈍化層的厚度的均勻性方面存在對於包裝應用來說不能接受的缺陷。

為了消除這些均勻性問題，可以增加由轉盤噴塗的溶液的量，但是其導致溼膜的更高的平均厚度，這反過來又引起乾燥問題。事實上，必須蒸發所增加的量的水，以實現鈍化層的所需乾燥厚度並且消除帶上殘留水分的存在。然後，一種可能性是通過使線減速來增大帶穿過乾燥裝置所花費的時間，特別是對於通常以大於或等於400m/分鐘的速度運行的這種類型的線來說，這造成生產率問題。另一解決方案可以是增大乾燥單元的長度，但是該解決方案給線造成空間問題。另一種可能性包括增大沿帶吹送的空氣的溫度，但是該增大導致能量消耗的增大和鈍化溶液的劣化。

本發明的目的是提供一種沒有上述缺點的方法。因此，本發明的目的特別是提供一種無論生產線的速度如何都允許沉積具有恆定厚度的鈍化層的方法。

為此目的，本發明的目標是如權利要求1中所描述的製造方法。

該製造方法還可以包括權利要求2至10中所描述的特徵，所述特徵被單獨地或組合地考慮。

本發明的另外的目標是一種用於實施如權利要求11中所描述的方法的設備。

該設備還可以包括權利要求12至15中所描述的特徵，所述特徵被單獨地或組合地考慮。

下面更詳細地描述本發明的附加特徵和優點。

為了說明本發明，已經進行了測試，並且將通過非限制性示例、特別是參照附圖來描述這些測試，在附圖中：

圖1示出了根據本發明的一個實施方案的用於包裝用鋼帶的製造設備。

圖2示出了根據本發明的一個實施方案的塗覆裝置。

圖3A和圖3B是使用SIMS裝置拍攝的分別使用現有技術的方法和根據本發明的方法沉積的鈍化膜的照片。

圖4是雙重曲線圖，第一曲線圖示出了生產線隨時間變化的速度，第二曲線圖示出了溼鈍化膜的隨相同時間段變化的厚度。

圖5是表示通過根據本發明的製造方法沉積的溼鈍化膜在橫向方向考慮的帶的不同點處的厚度的曲線。

圖1示出了沿著方向D行進穿過塗覆裝置2的鋼帶1。帶1首先穿過塗覆裝置3，其目的是施加含水鈍化溶液的溼膜，然後穿過乾燥單元4，其目的是消除該溼膜中所含的水分。測量所沉積的溼膜厚度的裝置5位於塗覆裝置3和乾燥單元4之間並且連接至塗覆裝置3的控制單元6。

在圖1中所示的實施方案中，塗覆裝置3能夠同時塗覆帶的兩個面，但是在一個替代性實施方案中，塗覆裝置3可以僅由該裝置的上半部3A或下半部3B構成以使得塗覆裝置3僅塗覆帶的單個面。

在圖2中示出了塗覆裝置3的上部部分3A的一個實施方案。由於下部部分3B與上部部分3A相對於帶1對稱，因此未描述下部部分3B。

該裝置包含第一輥，其被稱為轉移輥7。該轉移輥7一方面與帶1接觸而另一方面與第二輥接觸，該第二輥被稱為塗覆輥8。塗覆輥8與轉移輥7接觸且與槽9接觸，槽9包含待沉積在帶1上的含水鈍化溶液。在圖2中所示的實施方案中，槽9裝備有將溶液擠壓在塗覆輥8的表面上的裝置10。

在製造過程期間，塗覆輥8處於旋轉中並且浸漬在包含含水鈍化溶液的槽9中。該水溶液的粘度與水的粘度接近，並且在20℃下小於1.5×10-3Pa·s。所討論的溶液可以是例如矽烷、三價鉻的水溶液或的水溶液。塗覆輥8可以沿順時針方向或相反方向旋轉。

根據本發明，塗覆輥8具有多個六邊形的蜂窩狀室，該蜂窩狀室的行數為每釐米50行至200行，並且該蜂窩狀室的體積為每平方米輥表面5×10-6m3至10×10-6m3，並且優選地為每平方米輥表面5×10-6m3至7×10-6m3。

塗覆輥8的這些蝕刻特徵使得能夠沉積所需量的含水鈍化溶液以均勻地在帶的整個表面上獲得溼鈍化膜的所需厚度。

塗覆輥8的蜂窩狀室填充有含水鈍化溶液。擦拭裝置10使得能夠確保輥8塗覆有必需量的待沉積的溶液以獲得所需的溼膜厚度。該裝置10可以由兩個葉片構成，例如，第一葉片位於輥8進入槽9的點處並且使得能夠除去由於輥8在前穿過槽9而剩下的殘留水溶液，並且第二葉片位於輥8離開槽9的點處，使得能夠除去過量的溶液。第一葉片可以由例如塑料製成，並且第二葉片可以由不鏽鋼或碳纖維製成。裝置10還可以是單個葉片，例如位於輥8離開槽9的點處的由不鏽鋼製成的葉片。

塗覆輥8的表面可以由例如陶瓷製成，並且蜂窩狀室可以藉助於例如雷射或機械工具來蝕刻。

在穿過槽9之後，塗覆有水溶液的塗覆輥8的表面與轉移輥7接觸，轉移輥7沿與塗覆輥8的旋轉方向相反的旋轉方向被自身驅動。

轉移輥7或至少其表面優選地由使得溶液的最佳轉移成為可能的材料製成，溶液的最佳轉移即，使溶液由於例如被製成輥或其表面的材料吸收的損失或相反地溶液在該輥的表面上的過度滑動而產生的損失最小化的轉移。該材料還可以表現出耐化學腐蝕以及耐機械磨損。轉移輥7由例如彈性體製成，並且優選地由氯磺化聚乙烯或製成。

塗覆輥8與轉移輥7之間的接觸壓力必須足以將含水鈍化溶液從塗覆輥8轉移至轉移輥7，但是該接觸壓力不能大到使得其引起可能導致溶液的損失以及由此溶液的非最佳轉移的飛濺。兩個輥7、8之間的這種壓力可以例如藉助於安裝在塗覆輥8上的柱(未示出)來施加。施加至輥8的總力FRR優選地為1500N至3000N每米帶1寬度。

在這種接觸之後，用待沉積在帶1上的含水鈍化溶液塗覆轉移輥7。

轉移輥7與帶1之間的接觸壓力不能太大(存在擦掉太多的所沉積的溼鈍化溶液膜的風險)，也不能太小(存在用溶液不充分潤溼帶的風險)。此外，最小壓力必須由輥施加在帶上以補償帶中潛在的平整度缺陷。轉移輥7與帶1之間的該壓力可以例如藉助於安裝在轉移輥7上的至少一個柱(未示出)來施加。施加至輥7的總力FTB優選地為3000N至5000N每米帶1寬度。

轉移輥7和塗覆輥8的旋轉速度可以與帶1的位移速度同步。

在本發明的一個實施方案中，藉助於厚度測量裝置5來測量所沉積的鈍化層的溼膜的厚度。如果所測量的厚度小於目標厚度，則增大槽9中的水溶液的濃度，反之亦然。

此外，或者在本發明的另外的實施方案中，塗覆輥8的旋轉速度可以由圖1中所示的控制單元6控制。該控制單元6連接至測量鈍化塗層的溼膜厚度的裝置5。如果厚度小於目標厚度，則增大塗覆輥8的速度，反之亦然。

厚度可以例如藉助於電磁輻射儀(electromagnetic radiation gauge)來測量。這些儀表優選地儘可能靠近塗覆裝置3安裝，這是因為水分非常快速地從膜蒸發，這會導致測量值的顯著變化。

所沉積的溼鈍化膜的厚度大致小於3μm，優選地小於1.5μm。

在沉積含水鈍化層的步驟之後，帶經過乾燥步驟。該乾燥步驟藉助於乾燥裝置4來進行。該裝置4是例如裝備有噴嘴的乾燥通道，所述噴嘴在80℃至190℃的溫度下沿經塗覆帶的方向噴射空氣。在優選地為80℃至150℃的溫度下噴射空氣並且該空氣的水分含量小於15％。控制所噴射的空氣的水分含量使得能夠降低所用的空氣的溫度，這表示在用於加熱空氣的能量方面的節省以及在減小損壞鈍化層的風險方面的優點。該控制可以例如藉助於位於通道中的多個位置中的抽氣噴嘴(extraction nozzle)來進行。

在該乾燥階段之後，幹鈍化膜的厚度通常小於15nm，優選地小於8nm。

在另一實施方案(未示出)中，帶可以在乾燥步驟之前經過預加熱步驟而達到低於80℃的溫度。該預加熱步驟可以例如藉助於感應加熱器或紅外輻射來進行。

圖3A和圖3B是使用二次電離質譜儀或SIMS拍攝的照片。

兩張照片示出了1456水溶液在馬口鐵鋼上的沉積。在兩種情況下，線的速度、1456水溶液的濃度和乾燥過程是相同的。在第一種情況下(照片3A)，1456已藉助於如上所述的現有技術的轉盤方法沉積。在第二種情況下(照片3B)，1456已通過根據本發明的方法沉積。

在這兩張照片中，顯著的是，區域越暗，1456的濃度越高以及因此所沉積的鈍化塗層的厚度越高。圖3A示出了試樣的表面上的不均勻鈍化塗層的暗區域特徵，而在圖3B中沒有觀察到此種區域。因此，根據本發明的方法使得能夠獲得鈍化層的恆定厚度，用現有技術的方法則不然。

圖4包括兩個曲線圖。第一曲線圖示出了根據本發明的生產線隨時間變化的速度。第二曲線圖示出了在該線上所沉積的溼鈍化膜隨時間變化的厚度。

用於該測試的生產線包括允許將含水鈍化溶液沉積在鋼帶的頂面上的塗覆裝置。該塗覆裝置由轉移輥、塗覆輥構成，轉移輥由製成，塗覆輥的表面由陶瓷製成並且包括以每釐米大約160行間隔開的多個六邊形形狀的蜂窩狀室，蜂窩狀室的總體積為每平方米輥表面7.5×10-6m3。該塗覆輥浸入包含1456水溶液的槽中，該水溶液的濃度按市售1456溶液的體積計為大約8％。槽裝備有擦拭裝置，該擦拭裝置在該槽的入口處具有塑料葉片，在出口處具有不鏽鋼葉片。

如第一曲線圖中所示出的，線的速度在180m/分鐘至500m/分鐘變化。第二曲線圖示出了：不管該速度變化如何，所沉積的溼鈍化膜的厚度都保持恆定在±0.3μm。所觀察到的峰值對應於焊接兩個連續帶的步驟，且被忽略。

因此，根據本發明的方法使得能夠獲得鈍化塗層的恆定厚度，而不管生產線的速度如何。

圖5是示出了溼鈍化膜在帶上的不同點處的厚度的曲線圖，該厚度是在帶的橫向方向上的不同位置中測得的。鈍化膜是在與圖4中所描述的條件相同的條件下沉積的1456的膜。

帶的厚度在這裡用每平方米表面鈦的毫克來表示，這是因為1456的厚度與其按重量計的鈦含量直接相關。

該曲線圖表明，1456膜在乾燥之前的厚度從帶的一側向另一側在0.78mg/m2和0.88mg/m2之間變化。因此，本發明所要求保護的方法使得能夠獲得鈍化塗層的恆定厚度，該恆定厚度為±0.15mg/m2Ti。