Для обычного потребителя жестяная банка - это просто контейнер для хранения продуктов. Это товар, который они выбрасывают, не задумываясь, и который часто становится причиной образования твердых бытовых отходов. Но для инженеров по упаковке, менеджеров заводов и специалистов по закупкам ответ на вопрос, из чего сделаны жестяные банки, - это не пустяк. Это очень важная спецификация, определяющая всю архитектуру производственной линии.

Механические свойства банки, ее реакция на термические нагрузки и совместимость с оборудованием для розлива и герметизации зависят от состава материала банки. Производственная линия, настроенная на прием луженой стали, выйдет из-под контроля, если ее без каких-либо изменений переключить на алюминиевые банки. Точно так же переход от сварных швов к бесшовным корпусам требует радикальной перестройки процедур последующей обработки и стерилизации.

Это руководство выходит за рамки поверхностных определений. Мы изучим металлургию современного консервирования, а главное, мы изучим, как эти металлические банки реагируют на физические нагрузки промышленной упаковки.

Современная реальность: Из чего на самом деле сделаны консервные банки?

Ошибочное название "жестяная банка" - это историческая ошибка, существующая с начала 19 века. Когда вы исследуете жестяную банку в современном мире, вы обнаружите, что в ней очень мало олова. В большинстве случаев вес олова составляет менее 1 процента от общего веса контейнера. Это лишь микротонкое покрытие или слой олова, препятствующий образованию ржавчины.

В современной упаковочной индустрии мы классифицируем металлические контейнеры по трем видам материалов. Первый шаг к выбору правильного оборудования для вашей линии - понять разницу между этими тремя материалами.

• TPS (луженая сталь)

Это традиционный критерий обработанной пищи. Она изготовлена из стального листа, покрытого с обеих сторон тонким слоем олова. Сталь обеспечивает прочность на разрыв и структурную целостность для поддержания формы банки. Олово обеспечивает устойчивость к коррозии и, что особенно важно, смазывающую способность.

С точки зрения производства TPS по-прежнему занимает лидирующие позиции благодаря своей паяемости и свариваемости. Слой олова обеспечивает высокоскоростную контактную электросварку, что позволяет изготавливать трехсекционные банки за короткое время.

• TFS (сталь без олова) / ECCS (сталь с электролитическим хромовым покрытием)

TFS была создана как экономичный заменитель жести. Стальная подложка покрыта микроскопическим слоем хрома и оксида хрома вместо олова.

Хотя TFS обладает отличной адгезией к краске и коррозионной стойкостью, он не так смазывается, как олово. Более того, TFS нельзя спаять или сварить обычным способом. Слой хрома служит изолятором. Поэтому, если на вашей производственной линии используются банки из TFS, процесс изготовления банок должен быть основан на склеивании (с помощью нейлоновых клеев) или специальных технологиях лазерной сварки. Вы не можете просто заменить TPS на TFS, не проверив совместимость вашего оборудования для бокового шва.

• Алюминиевые сплавы

Алюминий не часто используется в продуктах питания, которые нужно готовить при высокой температуре, но он является стандартом в производстве банок для напитков. Эти банки - не чистый алюминий, добываемый из бокситовой руды, а сплавы, обычно серии 3000 (марганец) в корпусе и серии 5000 (магний) в крышке. Эти легирующие элементы делают металл более твердым и прочным, и его можно вытягивать в очень тонкие металлические формы без разрывов.

Для управляющего объектом различие материалов двоично: сталь (магнитная) и алюминий (немагнитная). Это основная физическая характеристика, которая определяет конструкцию всех конвейеров, моечных машин и лифтов на вашем предприятии.

Структурная конструкция: 3-компонентные и 2-компонентные конструкции

Конструкция контейнера напрямую зависит от выбора материала. В промышленности конструкции разделяют на две основные категории: 3-компонентные и 2-компонентные. Это не просто эстетическая разница, а разница, определяющая механические границы упаковки.

Стальные банки из 3 частей: Сварные швы для высоких температур

Рабочая лошадка консервной промышленности - трехсекционная банка. Как следует из названия, она состоит из трех отдельных частей: прямоугольной заготовки корпуса, верхней части (крышки) и нижней части.

Процесс изготовления заключается в том, что плоская стальная заготовка сворачивается в цилиндр. Затем края склеиваются. Традиционно для этого использовался свинцовый припой, но в настоящее время он постепенно перестал применяться из-за санитарных норм. В современных линиях применяется контактная электросварка, которая формирует боковой шов, фактически более прочный, чем остальной металл.

Жесткость - главное преимущество трехкомпонентной стальной конструкции. Сочетание стальной основы, сварного шва и армирующих шайб (гребней), закатанных в корпус банки, образует конструкцию, способную выдерживать экстремальные перепады давления.

Процессы реторты (стерилизации) не могут идти на компромисс с этой жесткостью. Запечатанная банка тунца или супа помещается в ретортную камеру, где на нее воздействует температура выше 121 °C (250 °F). Банка стерилизуется, а затем быстро охлаждается. В результате охлаждения в банке образуется вакуум. Гибкий контейнер разрушится под действием отрицательного давления. Стальная банка из трех частей не теряет своей формы и сохраняет герметичность. Таким образом, если ваш продукт нуждается в вакуумной герметизации или стерилизации при высоких температурах, трехкомпонентная стальная конструкция - это, вероятно, единственный доступный вам вариант.

Алюминиевые банки из 2 частей: Бесшовные корпуса для газирования

На рынке напитков доминируют двухсекционные алюминиевые банки для напитков. Она состоит из одного металлического стакана, из которого изготавливается корпус и дно, а затем добавляется крышка.

Это здание построено с помощью процесса, известного как "вытягивание и утюжка стен" (DWI). Чаша пробивается металлической катушкой, затем растягивается и выглаживается до высокого тонкого цилиндра. В нем нет ни бокового, ни нижнего шва, а значит, вероятность протечки сведена к минимуму.

Несмотря на изящество двухкомпонентной конструкции, ее механические свойства полностью отличаются от трехкомпонентной банки. Стенки алюминиевых банок очень тонкие - обычно они составляют менее 0,1 мм.

Это здание представляет собой конструкцию внутреннего давления. Под действием давления газа тонкие стенки становятся жесткими и прочными (как накачанная шина), когда они наполняются газированными напитками. Это стандартная конструкция для газировки и пива. Однако слабость очевидна: без внутреннего давления банка структурно слаба. Даже пустые банки подвержены повреждениям. Она не выдерживает неблагоприятного давления при вакуумной упаковке или ретортном охлаждении и разрушается. Если вы собираетесь использовать двухсекционные алюминиевые банки для подачи негазированных напитков (например, чая или сока), вам понадобятся вспомогательные системы поддержки, чтобы обеспечить структурную целостность вашей производственной линии.

Внутренние покрытия: Полимерные покрытия и безопасность пищевых продуктов

Мы уже говорили о металлической подложке, однако в 90 процентах случаев пищевой продукт не соприкасается с металлом. Когда сталь контактирует с кислой пищей, она корродирует. При контакте с алюминием может измениться вкусовой профиль.

Для решения этой проблемы в современных банках используются внутренние органические покрытия. Это полимерные покрытия, которые напыляются на корпус банки и высушиваются в процессе производства.

На протяжении десятилетий эпоксидно-фенольное покрытие было стандартом в отрасли благодаря своей долговечности и химической стойкости. Тем не менее, давление со стороны регулирующих органов и потребительский спрос создают огромный переход на покрытия BPA-Non-Intent (BPANI), не содержащие BPA (бисфенол А), включая покрытия на основе полиэстера или акрила.

Этот химический сдвиг бросил физический вызов упаковочной линии. Покрытия BPANI обычно менее адгезивны и хрупки по сравнению со своими эпоксидными предшественниками. Они склонны к образованию микротрещин при воздействии механических нагрузок.

Поэтому точность ваших форсунок очень важна. Насадка для розлива вставляется в банку для распыления продукта в высокоскоростной линии. Когда сопло царапает боковую поверхность банки из-за вибрации машины, это приводит к повреждению внутреннего покрытия. Царапина, которую невозможно увидеть невооруженным глазом, обнажает голый металл продукта. Это приводит к ржавчине, разбуханию или порче в течение нескольких недель хранения. Таким образом, при переходе на банки без BPA может потребоваться повторная калибровка центрирования и устойчивости разливочной головки для достижения бесконтактного режима работы.

Механическая прочность: Почему сталь доминирует в консервировании продуктов

Прочность - неточный термин, когда речь идет о выборе упаковочных материалов. Жесткость и вакуумная стойкость - вот два термина, которые мы имеем в виду в контексте консервирования.

Почему сталь - самый распространенный материал для консервированных продуктов, таких как овощи, мясо и готовые к употреблению блюда? Это не просто обычай, это физика.

Для поддержания низкокислотной пищи необходимо исключить доступ кислорода, чтобы избежать окисления и роста аэробных бактерий. Это достигается путем Вакуумное уплотнение. В ходе этого процесса воздух удаляется из пространства банки непосредственно перед герметизацией крышки. В качестве альтернативы, в процессе горячего розлива продукт разливается горячим, и по мере его остывания газ в пространстве сжимается, оставляя вакуум.

Вакуум вызывает сильное внутреннее давление на стенки банки. Атмосфера постоянно стремится раздавить контейнер.

Модуль Юнга (жесткость) стали высок. Она способна выдерживать усилие сжатия внутрь без деформации. Это позволяет производителям использовать интенсивные вакуумные циклы для достижения максимального срока хранения. Если бы производитель попытался использовать тот же процесс с обычной алюминиевой банкой, контейнер разрушился бы (cave in) и разрушил эстетику, а возможно, и герметичность.

Кроме того, в процессе реторты происходит резкое изменение давления. Банка нагревается, что приводит к внутреннему расширению, а затем охлаждается, что приводит к быстрому сжатию. Жесткость стали служит амортизатором этих колебаний давления. Это позволяет переработчику сосредоточиться на параметрах безопасности пищевых продуктов (времени и температуре), не беспокоясь о том, что тара может постоянно выходить из строя. Для таких дорогостоящих продуктов, как детские смеси или высококачественное мясо, единственным материалом, обеспечивающим необходимый запас прочности, является сталь.

Податливость: как алюминий позволяет делать легкие напитки

Если сталь так прочна, почему вся индустрия напитков перешла на алюминий? Ответ кроется в податливости и логистике.

Алюминий намного мягче и пластичнее стали. Эта пластичность позволяет ему втягиваться в очень тонкие стенки и не ломаться. Современная алюминиевая банка для напитков - это чудо легкой инженерной мысли: она сделана из минимально возможного материала для удержания жидкости. Это дает огромную экономию на транспортировке и использовании сырья.

Тем не менее, такая гибкость создает проблему на производственной линии. Алюминиевая банка настолько нежная, что ее можно раздавить легким сжатием руки, что может превратить ценный продукт в металлолом. Однако эти банки упаковываются в паллеты, которые должны выдерживать тысячи фунтов веса при укладке и транспортировке.

Как решить этот парадокс? С помощью Дозирование жидкого азота.

Поскольку материал недостаточно жесткий, чтобы самостоятельно удерживать вес (особенно это касается негазированных напитков), упаковочная линия должна обеспечить структурную целостность искусственно. Очень тонкая капля жидкого азота добавляется в напиток непосредственно перед его запечатыванием. Азот немедленно испаряется, увеличиваясь в объеме в 700 раз.

Этот рост деформирует банку изнутри. Он превращает податливую и гибкую алюминиевую оболочку в твердый цилиндр, находящийся под давлением. Это внутреннее давление преодолевает недостаток прочности материала.

Для покупателя оборудования это очень простая рекомендация: Если вы используете алюминиевые банки для воды, сока или кофе, дозатор азота - это не аксессуар; это необходимая часть системы структурной целостности. Без него ваши так называемые податливые банки упадут под собственным весом.

Коррозионная стойкость: Роль слоев олова и хрома

Приходится обращаться к олову в консервной банке. Почему же тогда мы продолжаем использовать оловянное или хромированное покрытие, когда есть внутреннее полимерное покрытие?

Решение - резервирование и электрохимическая защита.

Внутренние покрытия могут выйти из строя. В них могут быть микроскопические отверстия или они могут быть повреждены в процессе заделки швов. Без металлического барьера кислотная природа пищи (например, томатной пасты или ананасового сока) мгновенно подействует на стальную основу. Образуется ржавчина (оксид железа), которая загрязняет пищу и может привести к разбуханию и разрыву банки.

Олово действует как барьер. В определенных кислотных условиях олово становится жертвой стали. То есть оно будет постепенно корродировать, защищая сталь, находящуюся под ним. Хром (в TFS) обеспечивает пассивный оксидный барьер, который является химически инертным.

Эти защитные слои очень тонкие. Фактически, их толщина иногда исчисляется микронами. Это создает большую нагрузку на оборудование для розлива и запечатывания.

Если заправочная форсунка капает продукт на фланец (кромку) банки, он может задержать пищу в уплотнении. Если зажимной патрон (инструмент, удерживающий крышку) слишком агрессивен, он может расколоть покрытие на ободке банки. Когда это покрытие нарушается, теряется "коррозионная стойкость".

Это особенно важно для линий упаковки с высоким содержанием кислот. Используемое оборудование должно быть очень деликатным по отношению к банкам. Контактные детали должны быть выполнены из неабразивного материала или закаленной нержавеющей стали с полированной поверхностью, чтобы избежать микроповреждений защитного покрытия банки. Неровная работа машины может не привести к немедленному отказу, но это приведет к увеличению количества утечек и порчи через несколько недель после того, как продукт покинет фабрику.

Заключение: Адаптация производства к характеристикам материала

Вопрос о том, из чего сделаны консервные банки, по сути, является вопросом физики. Это может быть твердость стали TPS, хрупкость алюминия или особые требования к склеиванию TFS, но каждый материал диктует определенное количество правил для вашей производственной линии. Несоблюдение этих правил приводит к разрушению банок, повреждению уплотнителей и нерациональному использованию продукта.

Для достижения успеха в упаковке необходимо согласовать возможности оборудования со спецификациями материалов. Именно здесь Левапак отличается от других. Обладая более чем 18-летним инженерным опытом и присутствуя в 100 с лишним странах, мы не просто продаем машины, мы предлагаем индивидуальные решения для точной обработки материалов. Если вам нужен вакуумный шовный аппарат для жестких стальных банок, линия дозирования азота для легкого алюминия или высокоточный наполнитель для чувствительных порошков и гранул, наш завод площадью 4 000 м² и опытная команда сборщиков поставляют оборудование, которое учитывает металлургию вашей упаковки. Мы гарантируем, что ваша линия будет работать с той точностью, которая требуется вашим материалам.