文/郭文淵博士、高級(jí)工程師、研發(fā)部部長(zhǎng)助理，上海寶鋼包裝股份有限公司

兩片易拉罐是目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的飲料包裝形式之一，其罐體是經(jīng)沖壓拉伸而成的一體杯狀結(jié)構(gòu)。由于整個(gè)包裝罐由罐體和罐蓋兩部分組成，故稱為兩片罐，以區(qū)別于由罐身、罐底和罐蓋三部分組成的三片罐。兩片罐的材質(zhì)主要有鋼和鋁兩種。

上世紀(jì)80年代，中國(guó)開(kāi)始引進(jìn)兩片易拉罐生產(chǎn)線。由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)不能生產(chǎn)制罐用鋼、鋁的D&I（drawn and ironed，減薄拉伸）材，并且受到設(shè)計(jì)、安裝制罐線的美國(guó)工程公司影響，因此所有制罐線都采用鋁材生產(chǎn)兩片易拉罐。

1996年，寶鋼集團(tuán)與UNINOR（現(xiàn)ArcelorMittal）、Hoogovens（現(xiàn)Tata）合資成立了上海寶翼制罐有限公司（以下簡(jiǎn)稱寶翼制罐，現(xiàn)為上海寶鋼包裝股份有限公司子公司），建設(shè)了中國(guó)第一條兩片鋼罐生產(chǎn)線。之后幾年，寶鋼又陸續(xù)在唐山、成都和佛山等地投資建設(shè)了三條兩片鋼罐生產(chǎn)線。截止目前，上海寶鋼包裝股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱寶鋼包裝）共擁有四條兩片鋼罐生產(chǎn)線，年產(chǎn)能在25億只左右。

在寶翼制罐投產(chǎn)初期，使用的是0.282mm厚度的進(jìn)口鋼D&I材。隨著寶鋼股份在1999年成功開(kāi)發(fā)出0.28mm厚的D&I材，寶翼制罐開(kāi)始使用寶鋼D&I材，并逐步全面取代了進(jìn)口D&I材。

兩片鋼罐與兩片鋁罐是同質(zhì)度極高的產(chǎn)品，鋼罐與鋁罐之間的競(jìng)爭(zhēng)更多意義上體現(xiàn)的是成本之間的競(jìng)爭(zhēng)。為了在中國(guó)市場(chǎng)上進(jìn)一步推廣兩片鋼罐，就必須保證兩片鋼罐對(duì)兩片鋁罐的成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。為了降低成本，易拉罐生產(chǎn)商主要采取的一個(gè)方式是，通過(guò)原材料厚度的持續(xù)減薄來(lái)實(shí)現(xiàn)易拉罐的持續(xù)減重。同時(shí)，原材料厚度的持續(xù)減薄還可減少原材料生產(chǎn)商的單位能源消耗，節(jié)約資源并減少環(huán)境污染。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)算，易拉罐生產(chǎn)商使用的D&I材每減薄0.005mm，則每個(gè)鋼罐就能減重約0.5g，按一條生產(chǎn)線產(chǎn)能6億只易拉罐計(jì)算，每年可節(jié)約鋼材300噸左右，即降低材料成本約240萬(wàn)元。

在2000年左右，國(guó)際主流兩片鋼罐生產(chǎn)商主要采用厚度0.25～0.26mm的D&I材制罐。因此，不論是D&I材生產(chǎn)技術(shù)，還是D&I材制罐技術(shù)，寶鋼股份和寶翼制罐都落后于國(guó)際先進(jìn)水平。

在此背景下，寶鋼股份決定和寶鋼包裝合作，開(kāi)展鋼制兩片易拉罐的減量化研究。

目前世界各國(guó)制造易拉罐的生產(chǎn)設(shè)備種類有很多，但設(shè)備基本原理和生產(chǎn)工藝流程基本相同。圖1和圖2分別為鋼制兩片易拉罐成形過(guò)程示意圖和易拉罐在成形各階段的形狀示意圖。易拉罐的罐體拉伸凸模為圓柱形，在罐體沖壓減薄過(guò)程中，罐底作為傳力區(qū)幾乎不發(fā)生變形，所以罐底材料厚度變化不大。罐壁作為變形區(qū)，其在拉伸凸模作用下強(qiáng)行通過(guò)凸凹模之間的杯形間隙，從而厚度變薄、高度增加。而位于凸模頂部圓角區(qū)域的金屬受力情況最惡劣，其在軸向、切向兩向受拉，徑向受壓，減薄趨勢(shì)最嚴(yán)重，也最容易發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致拉伸失敗。通常，在拉伸前都要進(jìn)行工藝計(jì)算，以選擇允許的拉伸系數(shù)來(lái)控制變形程度，不會(huì)因變形程度過(guò)大而拉破。

易拉罐的減重主要是通過(guò)降低罐底及罐壁的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這意味著金屬的變形條件更加苛刻，在拉伸過(guò)程中更容易發(fā)生斷裂。原材料的厚度決定了罐底的厚度，降低罐底厚度的有效辦法就是使用更薄的原材料，而罐壁的厚度則可以通過(guò)模具的調(diào)整、拉伸工藝的優(yōu)化而改變。在罐底及罐壁厚度變薄的同時(shí)，為了滿足軸向承載能力及拱底耐壓能力，要求原材料具有更優(yōu)異的力學(xué)性能。因此，易拉罐的減重對(duì)原材料、拉伸工藝和變形程度都提出了更高的要求。

兩片易拉罐減重方案兩片易拉罐減重技術(shù)方案有以下三種可以選擇：減壁不減底；減底不減壁；減底又減壁。

方案三綜合了方案一和方案二，投入的人力、物力和財(cái)力都很大，因而很少有易拉罐生產(chǎn)商采用此方案。

由于寶鋼具有從D&I材開(kāi)發(fā)、應(yīng)用研究到制罐工業(yè)化生產(chǎn)整個(gè)工藝鏈上各個(gè)工藝單元合作研發(fā)的優(yōu)勢(shì)，因此在鋼制兩片易拉罐持續(xù)減量化研究過(guò)程中，始終采用了前述最難的“減底又減壁”的技術(shù)方案。

2001年，寶鋼股份成功開(kāi)發(fā)出0.266mm厚度的D&I材。與此同時(shí)，寶翼制罐開(kāi)展了0.266mm厚度D&I材制罐工藝研究，確定了制罐成型工藝，重新進(jìn)行了相關(guān)的模具設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了多次小批量試制，經(jīng)過(guò)多次模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了0.266mm厚度D&I材的大批量應(yīng)用制罐。

在此之后的十多年時(shí)間里，寶鋼股份繼續(xù)與寶鋼包裝合作，持續(xù)進(jìn)行鋼制兩片易拉罐的輕量化研究。到2012年，D&I材已減薄至0.22mm，兩片鋼制空罐質(zhì)量已減至23.2g。寶鋼D&I材的減薄歷程和兩片鋼罐的減重歷程分別如圖3和圖4所示。

目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，寶鋼包裝生產(chǎn)的鋼制兩片易拉罐主要用來(lái)包裝碳酸飲料和啤酒，客戶包括可口可樂(lè)、百事可樂(lè)、百威啤酒、雪花啤酒、青島啤酒、燕京啤酒、喜力啤酒等國(guó)際、國(guó)內(nèi)知名飲料生產(chǎn)商。這些飲料生產(chǎn)商見(jiàn)證了寶鋼包裝兩片鋼罐的減量化歷程，甚至有部分飲料生產(chǎn)商還參與其中。

目前寶鋼包裝兩片鋼罐采用的沖杯落料直徑是131mm，使用的D&I材厚度最薄可達(dá)0.22mm。在采用當(dāng)前落料直徑的情況下，如果保持罐型不變，D&I材繼續(xù)減薄，那么必然會(huì)在拉伸成形過(guò)程中出現(xiàn)短罐現(xiàn)象。如果保持底型設(shè)計(jì)不變，減小罐壁（包括薄壁和厚壁）厚度以保證修邊高度，那么過(guò)小的薄壁厚度會(huì)導(dǎo)致罐身的軸向承載能力進(jìn)一步下降，同時(shí)容易出現(xiàn)拉伸斷罐以及縮頸過(guò)程中的罐身壓塌現(xiàn)象；而過(guò)小的厚壁厚度則很容易導(dǎo)致縮頸皺褶的出現(xiàn)?？梢哉f(shuō)，目前的兩片鋼罐已經(jīng)接近減重極限。

在兩片鋼罐減量化上，歐洲一直走在我們前面。為了實(shí)現(xiàn)兩片鋼罐進(jìn)一步減重，歐洲領(lǐng)先水平的鋼鐵廠生產(chǎn)的D&I材基板材質(zhì)已完成由低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼向超低碳鋼的轉(zhuǎn)變。鋼種的改變讓D&I材成型性能顯著提高，推動(dòng)兩片鋼罐向更輕、更薄發(fā)展，而這也將是未來(lái)國(guó)內(nèi)鋼制兩片易拉罐繼續(xù)減量化的必由之路。