Технология изготовления алюминиевой фольги

Технология изготовления алюминиевой фольги

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ»

Кафедра материаловедения и технологии машиностроения

Реферат

на тему:

Технология изготовления алюминиевой фольги

Выполнил студент:

гр. 134 Вечур В.В.

Проверил:

д.т.н Гропянов А.В.

Санкт-Петербург

Алюминий - наиболее распространенный металл на Земле и третий по содержанию в земной коре после кислорода и кремния. Является легким парамагнитным металлом серебристо-серого цвета. Легко поддается формовке, литью, механической обработке. Обладает низкой плотностью, высоко тепло- и электропроводностью, хорошей коррозионной стойкостью во многих средах за счет образования на поверхности металла плотной оксидной пленки Al2O3.

Алюминий обладает следующими физическими характеристиками

·Плотность - 2,7 г/см³

·Температура плавления у технического алюминия - 658 °C, у алюминия высокой чистоты - 660 °C

·Временное сопротивление литого алюминия - 10-12 кг/мм², деформируемого - 18-25 кг/мм², сплавов - 38-42 кг/мм²

·Твердость по Бринеллю - 24…32 кгс/мм²

·Высокая пластичность: у технического - 35 %, у чистого - 50 %, прокатывается в тонкий лист и даже фольгу

·Удельное сопротивление 0,0262..0,0295 Ом·мм²/м

Алюминий образует сплавы почти со всеми металлами. Наиболее известны сплавы с медью и магнием (дюралюминий) и кремнием (силумин).

По различным данным, примерно четверть из всего веса производства алюминия в мире, идет на производство упаковки, а в некоторых странах доля производимой из алюминия упаковки составляет 75%.

Для того, чтобы придать алюминиевым сплавам специальные свойства, в процессе производства могут вводиться микродобавки различных металлов. Благодаря этому становится возможным придать металлу коррозионную стойкость, повысить пластичность, устойчивость к высоким температурам, улучшить перерабатываемость (влияние различных добавок на сплавы алюминия показано в таблице 1).

Таблица 1. Влияние добавок на изменение характеристик сплавов алюминия

№Добавки в сплавеУлучшаемые характеристики1Марганец и магнийПрочность и формуемость2Медь и цинкПрочность3Хром и марганецОднородность структуры4Магний и кремнийПрочность5Железо и кремнийКачество поверхности изделия6Хром и титанОднородность структуры7Магний, кремний и медьПредел текучести8Магний, литий и медьПредел текучести9Магний, цинк и медьПредел текучести

По европейскому стандарту EN 573-1 алюминий и его сплавы обозначаются четырехзначной цифрой - от 1000 до 8000 (серии). К 1000-ой серии относится чистый алюминий, с содержанием алюминия ~99%, чистота которого указывается в двух последних цифрах в сотых долях процента, следующих за величиной 99%. К примеру, чистота алюминия 1198-ой серии составляет 99,98%. Вторая цифра серии (от 1 до 9) обозначает градации пределов примесей в алюминии. Если вторая цифра ноль, то алюминий имеет природный уровень примесей. Для обозначения алюминиевых сплавов, которые содержат различные добавки (Таблица 2) используются цифровые серии от 2000 до 8000. Последние две цифры в этих сериях обозначают идентификационный номер сплава, а вторая - его модификацию. Такая же нумерация используется в стандарте США.

Таблица 2. Добавки в алюминиевых сплавах различных серий по европейскому стандарту

Серия сплаваДобавки в сплаве2000Медь3000Марганец4000Кремний5000Магний6000Магний+кремний7000Цинк+магний+медь8000Прочие (железо, кремний, медь, марганец, литий)алюминий фольга плавление технический

Для производства упаковочных материалов большая часть алюминия используется в виде тонколистового проката - фольги. Следует отметить, что международный стандарт ISO относит к фольгам прокат толщиной до 200 мкм.

Фольга - тонкий металлический лист (в большинстве стран толщина фольги до 0,2 мм). Фольгу могут изготавливать из алюминия, стали, олова, золота. При том, для железа и его сплавов определение «фольга» обычно не применяется, а используют слово «жесть». Фольгу широко используют в электротехнике, как тепло- и пароизоляцию в строительстве, для тиснения в полиграфии, а также в упаковочной промышленности для пищевых продуктов и фармацевтических средств. Ежегодное производство алюминиевой фольги в Европе составляет ~900 тысяч тонн.

Алюминиевая фольга - очень тонкий лист алюминия, толщиной около 200 нм. Его ширина будет зависеть только от назначения фольги - для гибкой упаковки, коробок, крышек из фольги и так далее. Важно знать то, что алюминиевая фольга, к окончанию процесса ее производства, благодаря отжигу, становится стерильной. Это придало ей большую значимость в упаковывании различных пищевых продуктов и лекарственных препаратов. Помимо этого, алюминиевая фольга обладает высокой термостойкостью - ее можно нагревать до высоких температур без деформирования или плавления, что является идеальным условием для запайки.

Процесс производства алюминиевой фольги состоит из трех основных этапов - отливки слитков, прокатки слитков на ленточную заготовку и прокатки фольги из ленточной заготовки.

Сначала следует подробнее описать процесс получения алюминиевых слитков. Он состоит из следующих операций:

.Подготовка шихты (смеси исходных материалов)

.Расплавление шихты

.Рафинирование расплава

.Отливка слитка

.Разрезание слитка

.Фрезерование слитка

Под рафинированием расплава понимается процесс очистки металла от окислов, неметаллических включений и растворенных в расплаве газов. Если исключить рафинирование из производственного процесса, то из-за наличия неметаллических включений и газов, на ленточной заготовке будут образовываться пузыри, а на фольге сквозные отверстия. Для рафинирования применяют специализированные флюсы (неорганические вещества, которые добавляют для образования шлака надлежащей степени плавкости). Флюсы содействуют извлечению окислов алюминия и препятствуют насыщению металла газами. Их вводят в печь после расплавления шихты, чтобы создать покровную пленку на поверхности расплава. Для алюминия чаще всего используют флюсы из хлористого калия, хлористого натрия или же криолит (гексафторалюминат натрия Na3[AlF6]).

Слитки из алюминия и алюминиевых сплавов отливают следующим образом: из плавильных печей расплавленный металл поступает в стационарный миксер по закрытому желобу. Миксер находится ниже уровня печей. У лётки (отверстие для выпуска жидкого металла) миксера есть приемник, в который поступает металл при открытии лётки. Из приемника, через отверстие с клапаном, которое располагается внизу приемника, металл поступает в распределительную коробку и далее, через распределительные клапаны, в кристаллизаторы. Машина для полунепрерывного литья располагается ниже уровня миксера, что благоприятствует плавному переливу металла, а это в свою очередь способствует отсутствию нарушений в поверхности окисной пленки, которая образуется на поверхности металла. Это исключает попадание в слитки окислов и появлению сквозных отверстий в фольге. Перед разливкой в миксер температура расплава алюминия должна быть в пределах 730о-760оС, а в самом миксере, перед отливом слитков в пределах 690о-710оС.

Алюминий отливают полунепрерывным способом на литейных машинах, которые имеют целый ряд преимуществ:

·Охлаждение слитков интенсивно, так как их поверхность омывается водой

·Получение плотных слитков без пор, усадочных и газовых раковин благодаря направленному охлаждению снизу-вверх.

·Получение мелкой и равномерной структуры, что благоприятствует обрабатываемости и улучшению механических свойств.

После отлива слитки разрезают на мерные длины, которые необходимы для последующей прокатки. Резка проводится на быстроходных дисковых пилах. Если пила обладает высокой производительностью, то после резки у слитка получается чистая поверхность реза металла. Диаметр дисков пилы составляет 810-1245 миллиметров, а скорость реза 40-50 метров в секунду. Все литейные дефекты устраняются фрезерованием слитков на машинах с горизонтальными или вертикальными фрезголовками. С каждой большой стороны слитка снимается от 3 до 6 миллиметров. Практикой установлено, что если отливка ведется на верхнем пределе скорости, то можно получить слитки с гладкой поверхностью без наплывов и складок. Но для этого так же необходимо высокая точность изготовления и шлифовки кристаллизаторов. Такие слитки не требуется фрезеровать, и они хорошо прокатываются на ленту и фольгу, как и фрезерованные.

При отливке могут встретиться следующие виды брака продукции:

·Трещины - возникают в следствие перегрева металла в процессе плавки, высокой скорости литья, большого количества кремния в алюминиевом расплаве или неравномерного охлаждения. Трещины выявляются как при литье, так и при горячей прокатке.

·Наплывы

·Складки

Эти два вида брака (наплывы и складки) могут образоваться при колебании скорости литья, плохо подготовленной поверхности кристаллизатора или при изменении уровня металла в кристаллизаторе.

После отливки следует прокатка ленточной заготовки, которая состоит из нескольких шагов:

.Нагрев слитков

.Горячая прокатка слитков

.Холодная прокатка ленты до толщины 0,3-0,6 миллиметров

.Отжиг ленты

.Перемотка и разбраковка

Нагрев слитков проводиться в электрических печах непрерывно (с одной стороны слитки поступают в печь, проходят через нее, подвергаясь нагреву, и с другой стороны выходят). Слитки укладываются в жароупорные поддоны (преимущественно сделанные из стали марки ЭИ316), которые двигаются по жароупорным направляющим, уложенным на подине (нижней части рабочего пространства) печи. Поддоны со слитками проталкиваются через печь, и после нагрева слитки выталкиваются на стол выдачи, откуда по одному передаются тельфером (подвесное грузоподъемное устройство с электрическим приводом) на конвейер стана горячей прокатки. Прокатку могут проводить на двух-, трёх- или четырехвалковых прокатных станах. Алюминиевый слиток прокатывается в несколько подходов. Обжатие на каждом проходе различно.

Таблица 3. Схема прокатки алюминиевого слитка весом 185 кг и с габаритами 135ммХ510Х1020 на заготовку с габаритами 6,8ммХ510мм

ПроходТолщина, ммАбсолютное обжатие, ммОтносительное обжатие, %начальнаяконечная1135-14210533,524,22105753028,6375453040,0445252044,0525141144,06149535,0796,82,224,4

Для того, чтобы получить заготовку одинаковой ширины после прокатки осуществляют операцию резания кромки на дисковых ножницах, которые устанавливаются на выходной части конвейера стана горячей прокатки. Возможно исключение этой операции, если слитки отливаются с гранями, скошенными сверху и снизу.

Так же существует возможность бесслитковой прокатки - получения ленты непосредственно из расплава металла. В методе бесслитковой прокатки расплавленный металл поступает к водоохлаждаемым движущимся кристаллизаторам, в который проходит кристаллизация. Далее он обжигается и выходит в виде ленты. Такой метод позволяет уменьшит число производимых операций. Дальнейшую прокатку ленты, полученной таким способом ведут по обычным схемам для ленты, прокатанной в горячем состоянии. Механические свойства прокатанной ленты мало отличаются от свойств ленты полученной обычным способом. Бесслитковую ленту можно прокатывать в фольгу толщиной до 15-30 мкм. При прокатке на более тонкие размеры наблюдается повышенная дырчатость фольги.

После получения ленточной заготовки горячей прокаткой наступает очередь холодной прокатки (без промежуточного отжига) на двух- или четырехвалковых станах. Такие станы могут устанавливаться как вдоль линии горячей прокатки, для ее продолжения, так и вне её. Если установка станов горячей прокатки ведется вдоль линии горячей прокатки, то заготовка сразу поступает в станы холодной прокатки: заготовка толщиной 6-7 миллиметров в неостывшем состоянии (теплая прокатка при температуре 200о-300оС) поступает на стан, где происходит прокатка при обильной подаче эмульсии (смазки, для предотвращения налипания алюминия на валки стана) в один проход, после чего полученная лента сматывается в рулон. Если же станы холодной прокатки установлены отдельно, то после горячей прокатки проводится обрезка кромок и сматывание заготовки в рулон на специальной машине. Холодная прокатка осуществляется после остывания рулонов. Следует заметить, что при холодной прокатке сразу после горячей, исключается необходимость в свертывании ленты в рулоны, поверхность получается чище (меньше царапин, забоин и задиров, которые могут появиться вследствие транспортировки). Для производства фольги распространены следующие виды заготовок:

Таблица 4. Габариты ленточных заготовок для производства фольги

Ширина, мм4806701020Толщина, мм0,30,50,7

После прокатки ленту, смотанную в рулоны диаметром 500-600 миллиметров, подвергают отжигу в электрических печах сопротивления. Для обеспечения необходимого, равномерного отжига, в электрических печах существует циркуляция воздуха благодаря специально установленным вентиляторам.

При производстве ленточных заготовок могут встречаться следующие виды брака:

.Несоответствие геометрических размеров

.Неравномерность механических свойств и структуры

Все вышеперечисленные виды брака отрицательно влияют на качество прокатываемой фольги.

Алюминиевую фольгу прокатывают рулонным способом на фольгопрокатных станах, приспособленных для проката алюминиевой ленты толщиной от 0,3 до 0,8 миллиметров до толщины 0,005 миллиметров. Алюминиевая лента в рулоне должна быть плотно намотана, чтобы при натяжении во время прокатки витки рулона не поворачивались и не перемещались. Если это условие не будет соблюдаться, то образуются задиры, потертости и возможность нарушения целостности и чистоты поверхности фольги. Для того, чтобы получить плотную намотку рулона их перематывают на перемоточной машине, одновременно с этим обрезая или не обрезая кромки. Фольгу изготавливают последовательной прокаткой рулонов на фольгопрокатных станах, которые обычно устанавливаются в одну линию по ходу технологического процесса. На каждом стане рекомендуется осуществлять один проход, поэтому число фольгопрокатных станов должно соответствовать количеству необходимых проходов, число которых зависит от конечных размеров и назначения фольги. Для прокатки фольги применяют станы трех типов:

·Заготовительные (черновые)

·Промежуточные

·Отделочные (чистовые)

Эти станы отличаются скоростями прокатки и чистотой поверхности валков. Следует отметить, что это произвольная классификация, так как зачастую, для толстой фольги отделочную прокатку приходится проводить на промежуточных или заготовительных станах, в зависимости от того, какая конечная толщина должна быть у фольги. При прокатке на заготовительных и промежуточных станах толщину подката доводят до толщины, близкой к двойной толщине готовой фольги. За каждый проход дается обжатие до 50%. Так как прокатка фольги сложная операция, она требует точного оборудования, выполнения всех технических условий и соответствующей квалификации рабочих.

Долгое время прокатка фольги велась на двухвалковых станах с нерегулируемой скоростью прокатки. Скорость на таких станах была порядка 0,4-1,3 м/сек. Несмотря на невозможность регулирования скорости, фольга на таких станах получалась хорошего качества и всех размеров в пределах 0,2-0,005 миллиметров при ширине не более 500 миллиметров. Благодаря развитию техники появились станы с регулируемой скоростью прокатки, скорость которых составляет 3-5 м/сек, а также, появились станы, прокатывающие фольгу шириной до 1000 миллиметров со скоростью 16 м/сек. Позже появились станы со скоростью 25 м/сек, шириной получаемой фольги до 1500 миллиметров и толщиной от 0,8 до 0,009 миллиметров. Такой рулон, к сведению, весит порядка 3,5-5 тонн. После холодной прокатки металл теряет свои пластические свойства - повышается предел прочности и снижается относительное удлинение. Такое состояние металла называется нагортовкой или наклепом. Для снятия нагортовки металл нагревают - проводят отжиг. Это приводит к устранению искажений кристаллической решетки, которые были получены в ходе холодной деформации металла. Вместе с устранением искажений решетки идет образование новых зерен на фоне старых деформированных. Величина новых зерен зависит от температуры и продолжительности отжига. Такое изменение структуры металла с изменением механических свойств называют рекристаллизацией. После отжига фольга будет называться мягкой. Неотоженная фольга называется твердой. Если при прокатке используется смазка, обладающая высокой вязкостью и плохо выгорающая в процессе отжига, то проводят операцию промывки на промывном стане. Это делают для того, чтобы предотвратить слипание двух лент и образование дырчатости. Промывают фольгу авиационным бензином, так как он является лучшим растворителем масел, применяемых при прокатке. Не следует забывать и о резке - отделочной операции, следующей за прокаткой фольги на готовый размер, если фольга поставляется в твердом, неотоженном состоянии, или за отжигом - если фольга поставляется в мягком, отоженном состоянии. Резка может быть двух видов:

·Обрезка кромок фольги

·Разрезка фольги на части вдоль на ширину, требуемую по заказу

Проводят разрезку на дисковых ножницах различных конструкций на узкие части толщиной от 0,005 до 0,2 миллиметров

Следует отметить, что поверхность фольги должна быть чистой, без складок, следов коррозии, надрывов, забоин, расслоений, и, помимо прочего, шероховатостей от выгоревшего масла и пятен от смазки. Готовая фольга не должна иметь запаха керосина, бензина или масла. В зависимости от назначения, фольгу могут выпускать с различной толщиной, шириной и химическим составом - из алюминия технической чистоты любых марок, начиная от А0 (с содержанием алюминия 99,0%), до А85 (с содержанием алюминия 99,85%). На фольге допустимы мелкие единичные сквозные отверстия, которые видно глазом против света, не строчечно расположенные и без местных скоплений. Так же, для фольги толщиной от 0,07 дол 0,2 миллиметров допускаются темные пятна от выгоревшего масла, но без шероховатости поверхности.

После прокатки фольгу наматывают на металлическую втулку, длина которой должна быть не меньше ширины фольги. Для того, чтобы при встряхивании втулка не выпадала из рулона, фольгу наматывают очень плотно. Торцы намотанного рулона должны быть чистыми, ровными, без забоев, вмятин и загрязнения. После намотки, каждый рулон обертывают плотной лентой и упаковывают в сухой деревянный ящик, который выстлан бумагой и плотно затянутый стальной лентой или проволокой. При упаковке рулоны фольги надевают на стержни, укрепляют между двумя вкладышами и перекладывают мягкой прокладкой, диаметр которой больше диаметра рулона. Это помогает сохранить рулон от царапин и забоин. Алюминиевая фольга должна хранится в распакованном виде в крытых, сухих и отапливаемых помещениях.

Таблица 5. Механические свойства фольги различной толщины

Толщина, ммВременное сопротивление разрыву Н*мм2 не менееОтносительное удлинение при растяжении, % не менеемягкойтвердоймягкойтвердой0,005-0,006Не регламентируетсяНе регламентируется0,0075-0,01130100Не регламентируется0,012-0,040301002,0Не регламентируется0,050-0,200301003,0Не регламентируется

Не стоит забывать и о возможности производства фольги из спеченного алюминиевого порошка (САП), которое состоит из следующих операций:

.Фрезеровка заготовок-плит, для удаления внешних дефектов.

.Плакировка (нанесения на плиты слоя другого металла или расплава термомеханическим способом) фрезерованных плит планшетами из алюминия марки А6 из расчета 6% на сторону, и дальнейшая зачистка плит стальными щетками.

.Нагрев заплакированных плит для горячей прокатки. Нагрев проводиться в течении 3-4 часов до температуры 500оС в электропечи.

.Горячая прокатка пакета с габаритами 90Х600Х1100 миллиметров на 5-6 миллиметров в 11-13 проходов на трехвалковом или двухвалковом стане со скорость 1-1,3 м/сек (до толщины 6 миллиметров), затем теплая прокатка при температуре 270-370оС в два прохода до толщины 3,7 миллиметра.

.Обрезка рваных кромок на дисковых ножницах по 20-25 миллиметров с каждой стороны.

.Первая холодная прокатка рулона до толщины 08,-1,2 миллиметра в пять проходов на четырехвалковом стане со скоростью 0,3 м/сек.

.Отжиг рулонов в электрической печи сопротивления с принудительной циркуляцией воздуха для снятия нагортовки плакирующего слоя. Режим отжига - 5 часов при температуре 450оС.

.Обрезка кромок на дисковых ножницах. Иногда совмещается с разрезкой вдоль на полосы.

.Вторая холодная прокатка на фольгопрокатном стане до толщины 0,1-0,12 миллиметров в девять проходов на четырехвалковом стане

.Промежуточный отжиг рулонов для снятия нагортовки плакирующего слоя.

.Третья холодная прокатка на отделочном фольгопрокатном двухвалковом стане до толщины 0,03 миллиметра в 7-14 проходов.

.Промывка бензином на промывном стане.

.Обрезка на готовые размеры на дисковых ножницах с намоткой в плотные рулоны.

Материал из спеченного алюминиевого порошка хорошо деформируется, с малой рваной кромкой при суммарном обжатии до 70-75%. Промежуточные отжиги ленты из САПа практически не оказывают никакого влияния на механические свойства - они лишь имеют наклеп в плакирующем слое алюминия.

Существуют следующие виды брака при производстве фольги и спеченного алюминиевого порошка:

·Недокат или перекат фольги, являющийся следствием неправильного обжатия по проходам и неправильного подбора состава смазки.

·Зарезы фольги, которые возникают при недостаточном натяжении и неправильном обжатии при прокатке.

·Обрывы фольги, получающиеся вследствие неравномерного натяжения при прокатке, малой пластичности фольги или нечистого обреза кромок.

·Дырчатость или сквозные отверстия - результат перегрева заготовок перед горячей прокаткой, загрязнения, царапин (во время прокатки, резки), спекания порошка с довольно крупными частицами окислов алюминия, которые образуются при производстве порошка.

·Серый цвет поверхности, получающийся из-за плохой полировки валков на отделочных проходах, низкой температуры валков, а также высокой вязкости технологической смазки.

Алюминиевая фольга обладает уникальным набором свойств благодаря своей форме и содержанию. Упаковка из такого материала, благодаря своей яркости и блеску с легкостью сможет привлечь внимание покупателя. Но главными её достоинствами является непроницаемость - возможность служить барьером от света, запахов, не пропускает влагу и бактерии, а также не позволяет продукту растерять собственный вкус и аромат.

Но даже уникальные свойства фольги, не могут обеспечить ей прочное лидерство - во многих сферах производства она постепенно уступает место синтетическим упаковочным материалам. Отчасти, это можно объяснить экономическими причинами (пленочные материалы дешевле, позволяют снизить вес упаковки, имеют высокие печатно-технические свойства, обладают способностью к вторичной переработке). Второй причиной является забота о сохранении истощающихся быстрыми темпами природных ресурсов.

Библиографический список

1)Черняк С. Н., Карасевич В. И., Коваленко П. А. - Производство фольги, 2 изд., Металлургиздат, 1968

)Черняк С.Н., Симонов В.Н. - Опыт производства алюминиевой фольги. ЦИИН ЦМ, 1966

)Черняк С.Н., Карасевич В.И. - Производство фольги. Металлургиздат, 1957

)Баженов М.Ф., Кручер Г.Н. - Современная технология производства алюминиевой фольги на заводе Кокийяр. ЦИИН ЦМ, 1959

)Крейндлин Н.Н., Кручер Г.Н. - Производство листов и лент из легких сплавов. Металлургиздат, 1957

)Богоявленский К.Н. и др. - Обработка цветных металлов и сплавов давлением. Металлургиздат, 1964