Verpackungstechnik im Überblick: Weißblech

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Weißblech als Werkstoff

3. Herstellung von Weißblech
3.1 Produktion Warmband
3.1.1 Sinteranlage
3.1.2 Hochofen
3.1.3 Konverter
3.1.4 Brammenabguss
3.1.5 Warmbreitband
3.2 Weißblechproduktion
3.2.1 Beizen
3.2.2 Kaltwalzen
3.2.3 Haubenglühen und Durchlaufglühen
3.2.4 Nachwalzen
3.2.5 Verzinnen
3.2.6 Passivierung
3.2.7 Verchromung
3.2.8 Konfektionierung
3.2.9 Lackieren und Beschichten

4. Herstellen von Weißblechverpackungen
4.1 Dreiteilige Dose
4.1.1 Runde dreiteilige Dose
4.1.2 Unrunde dreiteilige Dose
4.2 Zweiteilige Dose
4.2.1 Tiefgezogene Dose
4.2.2 Abstreckgezogene Dose
4.3 Deckel für Dosen
4.4 Weißblechdeckel für Glas

5. Füllen von Weißblechdosen
5.1 Reinigen
5.2 Füllen
5.2.1 Flüssige und pastöse Füllgüter
5.2.2 Stückige Füllgüter

6. Verschließen von Weißblechdosen
6.1 Verschließvorgang
6.2 Optimale Verschließtechnik
6.3 Verschlusskontrolle

7. Lebensmittelkonservierung in Weißblechdosen
7.1 Evakuieren/ Schutzbegasen
7.2 Karbonisieren
7.3 Pasteurisieren
7.4 Sterilisieren
7.4.1 Rotationssterilisation
7.5 Aseptisches Abfüllen

8. Wechselwirkungen von Weißblech und Füllgut sowie deren Vermeidung
8.1 Marmorierung
8.2 Korrosion
8.3 Korrosionsschutz

9. Recycling
9.1 Sammel- und Sortiersystem für Privathaushalte und Kleingewerbe
9.2 Rücknahme- und Verwertungssystem für industriell genutzte Weißblechverpackungen

10. Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Nachdem Nicolas Appert, der Hofkoch von Napoleon, 1810 die Hitzesterilisation entwickelt hatte, wurde im gleichen Jahr von den Engländern Peter Durand und August Heine die Idee einer luftdichten Weißblechverpackung in die Tat umgesetzt.

2. Weißblech als Werkstoff

Weißblech ist Stahl. Genauer gesagt, kaltgewalztes Stahlblech mit einer Dicke von bis zu 0,49 Millimetern (Feinstblech). Seinen Namen verdankt das Weißblech einer hauchdünnen Zinnschicht, die elektrolytisch auf das Blech aufgebracht wird. Zinn wurde schon in der Antike als "hygienisches" Metall geschätzt, weil es für den Menschen ungefährlich ist und dem Rost widersteht. Auch heute schützt der Zinnüberzug das Material vor Korrosion. Im Durchschnitt genügen dabei etwas mehr als 2g Zinn pro qm Fläche.

Heute wird der Begriff Weißblech in Deutschland auch für die später entwickelten Alternativen, nämlich spezialverchromtes Feinstblech und organisch beschichtetes Feinstblech - gewissermaßen als Gattungsbegriff - gebraucht.

Weißblech ist ein vielseitig einsetzbarer, ökonomisch und ökologisch sinnvoller Werkstoff, der vor allem in der Verpackungsindustrie Verwendung findet. Nahrungsmittel- und Getränkedosen, Eimer und Kanister für Farben, Lacke und andere chemisch- technische Erzeugnisse, Hülsen für Filme und Batterien, Hüllen für Musik- CDs und andere Datenträger, Dosen für Tiernahrung, Kronenkorken sowie Vakuum- und Spezialverschlüsse repräsentieren nur einen Teil der Verwendungszwecke von Weißblech.

Jährlich werden in Deutschland rund 712.400 Tonnen Weißblech verwendet.[15]

3. Herstellung von Weißblech

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 Herstellungsprozess von der Roheisenerzeugung im Hochofen über die Stahlherstellung bis zum Weißblech[6]

3. Herstellung von Weißblech

3.1 Produktion Warmband

3.1.1 Sinteranlage

Hier wird das ursprünglich feinkörnige Eisenerz mit verschiedenen Zusatzstoffen, Koks, Zuschlägen etc. versintert. "Sintern" ist ein kontinuierliches Verfahren zum Stückigmachen von Feinerz auf einem Sinterband. Dies ist notwendig, da das feinkörnige Erz in seinem Ursprungszustand nicht im Hochofen eingesetzt werden kann. Dieses würde den Hochofen "ersticken".

3.1.2 Hochofen

Im Hochofen werden mit Hilfe von Koks und Kohle die im Eisenerz enthaltenen Eisenoxide reduziert und Roheisen erzeugt. Das Roheisen enthält eine Kohlenstoffkonzentration von drei bis vier Prozent. Dadurch ist es noch hart und spröde und für eine formgebende Weiterverarbeitung noch nicht geeignet. Um diese zu ermöglichen, wird der Kohlenstoffgehalt durch das Einblasen von Sauerstoff auf nur noch 0,02 Prozent gesenkt. Dies geschieht im Konverter.

3.1.3 Konverter

Um das Roheisen formbar zu machen, wird sein Kohlenstoffgehalt im Konverter reduziert. Dies geschieht durch das Einblasen von Sauerstoff, dem so genannten "Frischen". Bei diesem Vorgang steigt die Temperatur der Schmelze stark an. Die frei werdende Energie, die so genannte Prozesswärme, wird genutzt, um Schrott, also auch Weißblechschrott, einzuschmelzen. Der Schrott, der in den Konverter kommt, besteht aus allem, was zum alten Eisen gehört: Von ausrangierten Kühlschrankgehäusen über Autokarosserien bis hin zu gebrauchten Getränke- oder Lebensmitteldosen - platzsparend zu einem gigantischen Würfel aus Schrott zusammengepresst. Beim Einschmelzen des Schrotts sinkt die Temperatur von rund 2000 auf 1600 Grad Celsius ab - die für die Stahlherstellung erforderliche Temperatur. Rund die Hälfte des weltweit hergestellten Stahls wird heute aus Schrott erschmolzen. In Deutschland werden jährlich zwischen 15 und 17 Millionen Tonnen Stahlschrott eingeschmolzen. Die Kapazitäten für Weißblechschrott sind aber noch lange nicht vollständig ausgeschöpft, denn der Weißblechanteil daran beträgt gerade 3,5 Prozent

3.1.4 Brammenabguss

Bei einer Temperatur von ca. 1600 Grad gelangt der noch flüssige Stahl in die Stranggießanlage. Dort wird er über eine wassergekühlte Kupferkokille geführt, kühlt zunehmend ab und verfestigt sich. Mit Hilfe eines mitlaufenden Brennschneiders wird dann der endlose Stahlblock in die gewünschten Breiten- und Längenabmessungen zugeschnitten. Diese Stahlblöcke werden auch Brammen genannt.

3.1.5 Warmbreitband

In einer Warmbreitbandstraße wird die Dicke der Bramme kontinuierlich reduziert. Es entsteht ein Warmband von mehreren hundert Metern Länge und einer Dicke von zwei bis drei Millimetern. Dieses Warmbreitband, kurz auch "Warmband" genannt, wird aufgerollt und hat ein Gewicht von maximal 23 Tonnen. Die Warmbänder heißen auch "Coil", "Ring" oder "Bund".[14]

3.2 Weißblechproduktion

Ausgangswerkstoff für die Herstellung von Weißblech ist warmgewalztes Stahlband. Dieses Warnband ist etwa 2 mm dick.[9]

Einziger Weißblechhersteller Deutschlands ist die Rasselstein und Hösch GmbH mit Werken in Dortmund und Andernach.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 Weißblechproduktion[9]

3.2.1 Beizen

Die Verarbeitung beginnt mit dem Beizen des Warmbandes. Der beim Warmwalzen entstandene Zunder (Eisenoxidschicht) wird in einer kontinuierlich arbeitenden Durchlauf- beize beseitigt. Im Einlaufteil werden die Warmbänder aneinander- geschweißt. Sie laufen als endloses Band durch vier hintereinanderliegende Behälter mit 100°C warmer Schwefel- säure, deren Konzentration stufenweise von 15% auf 25% ansteigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 Aufwickelteil der Beizlinie[9]

Nach dem Beizen wird das Band gespült, getrocknet, teilweise an den Kanten besäumt, eingeölt und zu Rollen mit einem Gewicht von bis zu 50 Tonnen aufgewickelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 Beizlinie Fa. Rasselstein Hoesch; Werk Andernach[9]

3.2.2 Kaltwalzen

Das vorbehandelte Warmband wird auf einer der beiden Kaltwalz- Tandemstraßen in einem Arbeitsgang auf Enddicken zwischen 0,14 und 0,49 mm gewalzt. Die 5- gerüstige Kaltwalz- Tandemstraße besteht aus fünf hintereinander angeordneten „Quarto- Gerüsten“, in denen das Band zwischen zwei Arbeitswalzen gewalzt wird. Wegen der hohen Walzkräfte (bis 12000 kN) werden die Arbeitswalzen durch Stützwalzen mit großem Durchmesser abgestützt.

Das Stahlband verlängert sich beim Kaltwalzen entsprechend der Dickenabnahme in den einzelnen Gerüsten. Die Walzgeschwindigkeit muss deshalb von Gerüst zu Gerüst höher werden. Die Höchstgeschwindigkeit des Bandes beträgt im letzten Walzgerüst 1830 m/min.

Um die große Verformung (Dickenverringerung) bei hohen Walzgeschwindigkeiten zu ermöglichen, wird der Walzspalt mit einem Gemisch aus Palmöl und Wasser geschmiert. Außerdem müssen Walzen und Band mit großen Wassermengen gekühlt werden, um die entstehende Wärme abzuführen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5 Fünfgerüstige Kaltwalz- Tandemstraße[9]

3.2.3 Haubenglühen und Durchlaufglühen

Beim Walzen wird die Dicke des Bandes um häufig mehr als 90% vermindert. Die dabei eintretende Kaltverfestigung muss durch einen Glühvorgang wieder aufgehoben werden.

Vor dem Glühen muss das Band von Verunreinigungen gesäubert werden. Hierzu wird ein elektrolytisches Entfettungsverfahren eingesetzt, bei dem das Band unter Stromeinwirkung ein alkalisches Bad durchläuft, anschließend gebürstet, gespült, getrocknet und wieder zu Rollen bis zu einem Gewicht von 23 t aufgewickelt wird.

Durch die Formänderung beim Kaltwalzen wird das Band hart und spröde und ist in diesem Zustand als Verpackungswerkstoff nicht geeignet. Das rekristallisierende Glühen des entfetteten Bandes stellt die notwendige Verformbarkeit wieder her. Hierfür gibt es zwei Verfahren, das Haubenglühen und das Durchlaufglühen, von denen jeweils dasjenige angewendet wird, mit dem die geforderten Werkstoffeigenschaften am besten erreicht werden können.

3.2.3. a) Haubenglühen

Mit dem Hauben- Glühverfahren wird bei gleicher Stahlanalyse eine geringere Härte erzielt als bei dem im Folgenden beschriebenen Durchlauf- Glühverfahren. Die durch das Kaltwalzen zerstörte Kristallstruktur des Bandes wird hierbei in einem mehrtägigen Behandlungsprozess, der Aufheizen und abkühlen umfasst, wiederhergestellt.

Mehrere übereinandergestapelte Rollen mit einem Gesamtgewicht von bis zu 62 t werden auf einen Ofensockel gesetzt und mit einer Schutzhaube sowie einer Heizhaube umschlossen. Um das Oxidieren des Bandes zu verhindern und eine wirksame Wärmeübertragung zu gewährleisten, wird sauerstoffreduziertes Schutzgas, teilweise auch Wasserstoff als Schutzgas, eingesetzt. Die Glühtemperaturen liegen in einer Größenordnung von 600 bis 700°C.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 Hauben- Glühofen Fa. Rasselstein Hoesch; Werk Andernach[9]

3.2.3. b) Durchlaufglühen

Das Durchlauf- Glühverfahren besteht in einem schnellen, kontinuierlichen Durchlauf des Bandes durch eine unter Schutzgas stehende Glühofenanlage, die als D- Ofen oder Durchlaufglühe bezeichnet wird. Das Schutzgas verhindert auch hier die Oxidation der Bandoberfläche. Bei gleicher Stahlanalyse ist das im Durchlauf bei 600- 700° kurzzeit- geglühte Band etwas härter als das im Haubenofen behandelte Material.

Für das Durchlaufglühen werden die einzelnen Rollen zu einem kontinuierlichen Band zusammen geschweißt und später wieder getrennt. Den Ofenteil durchläuft das Band in senkrechten Schlaufen. Der Gesamtdurchlauf mit Glühen und Abkühlen dauert nur wenige Minuten. Durch gezielte Temperaturführung werden dem Stahlband genau jene mechanischen Eigenschaften gegeben, die der vorgesehene Verwendungszweck erfordert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7 Kontinuierliche Durchlaufglühanlage Fa. Rasselstein Hoesch; Werk Andernach[9]

3.2.4 Nachwalzen

Durch das rekristallisierende Glühen ist zwar die Kristallstruktur wieder hergestellt worden, das geglühte Material kann aber noch nicht für die Verarbeitung zu Weißblechverpackungen eingesetzt werden, da starke Knicke und ungleichmäßiges Umformverhalten auftreten würden. Um dem Band die erforderlichen Umformeigenschaften zu geben, erfolgt nach dem Glühen ein trockenes Nachwalzen, auch Dressieren genannt (ohne Schmierung und Kühlmittel), mit einer Dickenverringerung von etwa 1%. Bei diesem Arbeitsgang wird gleichzeitig eine auf den Verwendungszweck abgestellte Rauheit erzeugt und die Ebenheit des Bandes verbessert.

Des Weiteren besteht die Möglichkeit eine zusätzliche Dickenreduktion vorzunehmen und auf diese Weise doppelt- reduziertes Material zu erzeugen, das für die Anwender eine Werkstoffeinsparung mit sich bringt.

Nach dem Dressieren kann das Band als Feinstblech in Rollen oder zu Tafeln geschnitten verkauft werden. Der weitaus größte Teil wird jedoch veredelt, bevor er das Weißblechwerk verlässt.

Um die Versorgung der Bevölkerung mit ausreichenden, nährwertreichen, preisgünstigen und vor allem hygienisch einwandfreien Lebensmitteln zu gewährleisten, bedient man sich einer Verpackung, z. B. einer Dose, die die Qualitätsmindernden Einflüsse von außen abhält: Schmutz, Schädlinge und Bakterien ebenso wie Feuchtigkeit, Sauerstoff, Licht, Fremdgerüche oder Druck. Die Verpackung versiegelt Geschmack, Nährwert, Aussehen und Konsistenz des Produktes.[5]

Die Weißblechdose hat sich bis heute als eine der ältesten Verpackungsformen bewährt. Insbesondere wenn es um die Haltbarmachung von Lebensmitteln geht, sorgen Weißblechverpackungen ohne Konservierungsstoffe für eine verlängerte Haltbarkeit. Sie sichern die Qualitätsfrische und den Vitamingehalt der Produkte. Darüber hinaus lassen sie sich einfach transportieren, sind leicht zu handhaben und verfügen über hervorragende Recyclingfähigkeiten.[6]

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