Проектирование формоизменения металла при прокатке на сортовых прокатных станах

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

В.Б. Шишко 
В.А. Трусов 
Н.А. Чиченев 

Проектирование 
формоизменения металла  
при прокатке на сортовых  
прокатных станах 

 

Монография 

 

Москва  2012 

УДК 621.771.09 
 
Ш65 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук В.С. Юсупов (ИМЕТ РАН) 

Шишко, В.Б. 
Ш65  
Проектирование формоизменения металла при прокатке на 
сортовых прокатных станах : моногр. / В.Б. Шишко, В.А. Трусов, 
Н.А. Чиченев. – М. : Изд. Дом МИСиС, 2012. – 434 с. 
ISBN 978-5-87623-553-4 

Изложены основные принципы расчета технологических параметров 
прокатки на сортовых станах, рассмотрены принципы построения схем обжатий, расчета скоростных режимов и энергосиловых параметров. Приведены геометрические соотношения и способы построения калибров для прокатки сортовых профилей различной сложности, а также варианты их монтажа (расположения) на валках. Рассмотрены преимущества, недостатки и 
область применения различных схем прокатки, даны примеры практического 
расчета формоизменения металла и построения калибров для прокатки типовых сортовых профилей.  
Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников предприятий металлургической и машиностроительной промышленности. Может быть полезна аспирантам и студентам вузов, обучающимся 
по соответствующим направлениям и специальностям. 

УДК 621.771.09 

ISBN 978-5-87623-553-4 
© Шишко В.Б., 
Трусов В.А. 
Чиченев Н.А., 2012 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Условные обозначения.............................................................................7 
Предисловие............................................................................................10 
Введение..................................................................................................17 
1. Технологические основы формоизменения металла  
при прокатке ......................................................................................18 
1.1. Понятие калибровки валков .......................................................... 18 
1.2. Классификация калибров по форме, расположению  
на валках и назначению................................................................. 20 
1.3. Элементы калибров........................................................................ 23 
1.4. Основные принципы калибровки валков..................................... 28 
1.4.1. Типы сортовых прокатных станов ......................................28 
1.4.2. Верхнее и нижнее давление.................................................33 
1.4.3. Расположение калибров на валках и линия прокатки.......34 
1.5. Технологические основы калибровки валков ............................. 39 
1.5.1. Пластичность металла..........................................................39 
1.5.2. Коэффициент трения и захват металла валками................41 
1.5.3. Очаг деформации и его параметры.....................................44 
1.5.4. Уширение ..............................................................................49 
1.5.5. Сопротивление металла деформации .................................56 
1.5.6. Непрерывная прокатка .........................................................57 
2. Основы технологии прокатки на реверсивных станах....................60 
2.1. Сортамент блюмов, слябов и заготовок....................................... 60 
2.2. Режим обжатия при прокатке блюмов......................................... 65 
2.3. Уширение и кантовка раската....................................................... 74 
2.4. Форма и размеры калибров ........................................................... 75 
2.5. Монтаж калибров на валках.......................................................... 79 
2.6. Порядок расчета схемы обжатий блюмов ................................... 80 
2.7. Пример расчета калибровки  валков блюминга.......................... 81 
2.8. Режимы обжатий при прокатке слябов  
на блюмингах–слябингах .............................................................. 93 
2.9. Расчет режимов обжатий  при прокатке слябов на слябинге .... 97 
2.10. Скоростной режим прокатки на реверсивных станах............ 100 
2.10.1. Диаграммы скоростного режима.....................................100 
2.10.2. Продолжительность участков прохода...........................106 
2.10.3. Порядок расчета скоростного режима............................111 
2.10.4. Пример расчета скоростного режима прокатки  
на реверсивном стане ...................................................................112 

2.11. Энергосиловые параметры прокатки на реверсивных станах118 
2.11.1. Усилие прокатки...............................................................118 
2.11.2. Крутящий моменты прокатки..........................................122 
2.11.3. Порядок расчета энергосиловых параметров ................129 
2.11.4. Пример расчета энергосиловых параметров  
при реверсивной прокатке...........................................................130 
3. Вытяжные системы калибров..........................................................138 
3.1. Виды вытяжных систем калибров...............................................138 
3.2. Геометрические соотношения в вытяжных калибрах...............139 
3.3. Расчет вытяжных систем калибров.............................................149 
3.3.1. Общая характеристика вытяжных систем калибров.......149 
3.3.2. Системы ящичных калибров .............................................152 
3.3.3. Примеры расчета вытяжных систем ящичных  
калибров ........................................................................................154 
3.3.4. Применение и расчет системы калибров  
«ромб–квадрат» ............................................................................171 
3.3.5. Применение и расчет системы калибров  
«овал–квадрат» .............................................................................179 
3.3.6. Система калибров «шестигранник–квадрат»...................188 
3.3.7. Система калибров «овал–круг».........................................189 
3.3.8. Применение и расчет системы калибров  
«плоский овал–круг»....................................................................190 
3.3.9. Система калибров «овал–ребровой овал»........................198 
3.3.10. Система калибров «гладкая бочка–круг»  
(«круг–гладкая бочка») ................................................................198 
3.4. Трехвалковые вытяжные системы ..............................................199 
3.4.1. Порядок расчета калибровки валков ................................199 
3.4.2. Пример расчета трехвалковой вытяжной системы .........205 
3.4.3. Трехвалковые калибрующие блоки клетей......................210 
3.5. Технология прокатки–разделения...............................................211 
3.6. Энергосиловые параметры прокатки..........................................217 
3.7. Машинное время и время передачи раската из одного  
калибра в другой...........................................................................221 
3.8. Расчет температуры металла........................................................223 
3.9. Критерии оценки калибровки валков .........................................228 
3.10. Порядок расчета калибровки валков.........................................231 

4. Прокатка фасонных профилей ........................................................235 
4.1. Технологические основы формоизменения в фасонных 
калибрах ........................................................................................ 235 
4.1.1. Технологическая классификация фасонных профилей....235 
4.1.2. Элементы калибровки валков............................................236 
4.1.3. Проектирование калибровки валков.................................239 
4.1.4. Конструирование калибров ...............................................243 
4.1.5. Расположение калибров на валках....................................246 
4.1.6. Распределение обжатий по проходам...............................250 
4.1.7. Методы расчета формоизменения при прокатке 
в фасонных калибрах....................................................................251 
4.1.8. Характерные особенности фланцевых профилей............253 
4.2. Калибровка валков для прокатки угловой стали ...................... 254 
4.2.1. Сортамент угловой стали...................................................254 
4.2.2. Способы прокатки угловой стали .....................................255 
4.2.3. Чистовой калибр .................................................................260 
4.2.4. Методы расчета калибровки валков .................................260 
4.2.5. Геометрические соотношения в угловых калибрах ........261 
4.2.6. Порядок расчета калибровки валков.................................266 
4.2.7. Пример расчета калибровки для угловой стали ..............267 
4.3. Калибровка валков для прокатки двутавровых профилей....... 280 
4.3.1. Сортамент двутавровых профилей (балок)......................280 
4.3.2. Способы прокатки балок....................................................281 
4.3.3. Методы расчета калибровок валков  для прокатки 
двутавровых профилей.................................................................287 
4.3.4. Порядок расчета калибровки валков для прокатки 
двутавровых профилей.................................................................293 
4.3.5. Пример расчета калибровки для прокатки  
двутаврового профиля..................................................................295 
4.4. Калибровка валков для прокатки швеллеров............................ 315 
4.4.1. Сортамент швеллеров.........................................................315 
4.4.2. Способы прокатки швеллеров...........................................316 
4.4.3. Методы расчета калибровок валков для прокатки 
швеллеров......................................................................................320 
4.4.4. Геометрические соотношения в швеллерных  
калибрах.........................................................................................324 
4.4.5. Порядок расчета калибровки валков швеллера ...............331 
4.4.6. Пример расчета калибровки валков для прокатки 
швеллеров......................................................................................333 

4.5. Калибровка валков для прокатки рельсов..................................359 
4.5.1. Сортамент рельсов..............................................................359 
4.5.2. Способы прокатки рельсов................................................360 
4.5.3. Чистовой рельсовый калибр..............................................365 
4.5.4. Рельсовые калибры.............................................................366 
4.5.5. Типы ребровых калибров и принципы  
их конструирования .....................................................................367 
4.5.6. Коэффициенты деформации..............................................368 
4.5.7. Пример расчета калибровки для прокатки рельсов ........369 
4.6. Полосовой прокат..........................................................................393 
4.6.1. Сортамент полосовой стали ..............................................393 
4.6.2. Способы прокатки полосовой стали.................................394 
4.6.3. Ребровые калибры ..............................................................397 
4.6.4. Порядок расчета калибровки валков для прокатки 
полосовой стали............................................................................398 
4.6.5. Пример расчета калибровки валков для прокатки 
полосовой стали............................................................................400 
5. Валки и привалковая арматура сортопрокатных станов ..............406 
5.1. Валки сортопрокатных станов.....................................................406 
5.2. Привалковая арматура..................................................................410 
5.3. Шаблоны и контршаблоны для расточки валков ......................416 
Заключение............................................................................................418 
Библиографический список.................................................................419 
Приложения ..........................................................................................422 
 

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

Геометрия раската и калибра 
A – площадь калибра и поперечного сечения раската, мм2 
а – характерный размер заданного профиля, мм 
bд – ширина дна калибра, мм 
h, b – высота и ширина раската и калибра, мм 
m – высота боковой внешней зоны (притупление раската), мм 
r – радиус закругления углов раската и в калибре, мм 
s – зазор между валками, мм 
Λ – соотношение осевых размеров раската 
ν – коэффициент формы поперечного сечения раската 
νк – коэффициент формы калибра 
ϕ – угол для построения калибра, град, рад 
ψ – коэффициент простора для уширения в калибре 

Очаг деформации и параметры формоизменения 
Aконт – площадь проекции поверхности контакта металла, мм2 

Kзап – коэффициент заполнения калибра 
lдуг – длина проекции дуги контакта металла с валками, мм 
Rкат – катающий радиус, мм 
α – угол захвата металла, град 
β – коэффициент уширения 
γ – нейтральный угол калибра, рад 
Δb – уширение металла, мм 
Δh – обжатие металла, мм 
ε – относительное обжатие 
λ – коэффициент общей вытяжки в системе калибров 
μ – коэффициент вытяжки 
μср – коэффициент средней вытяжки 
μΣ – коэффициент общей вытяжки 
1/η – коэффициент обжатия 

Энергосиловые параметры 
е – плечо приложения равнодействующей усилия прокатки, мм 
F – усилие прокатки, кН 
f – коэффициент трения 
i – коэффициент опережения металла 

k1 – коэффициент, учитывающий материал валков 
k2 – коэффициент, учитывающий материал прокатываемого раската 
k3 – коэффициент, учитывающий влияние скорости прокатки 
М – момент прокатки, кН⋅м 
n – частота вращения валков, мин–1 
nσ – коэффициент напряженного состояния 
рср – среднее давление металла на валки, МПа 
T – температура металла перед входом в валки, °С 
u – скорость деформации, с–1 

υ – скорость прокатки, м/с 
W – условное число оборотов валков за проход  
y – ускорение, мин–1/с 
σ – сопротивление металла деформации, МПа 
ψ – коэффициент плеча приложения равнодействующей 

Температура металла 
Cs – постоянная излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2·К) 
с – теплоемкость металла, Дж/(кг ·°С) 
D – приведенный диаметр поперечного сечения раската, мм 
L – длина пути раската, м 
Nu  – критерий Нуссельта 
Re – критерий Рейнольдса 
Т – температура, °С 
ΔT – изменение температуры, °C 
Δt – время охлаждения раската, с 
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К) 
ε – коэффициент излучения 
ζ – степень черноты металла 
λвоз – теплопроводность воздуха, Вт/(м·К) 
ρ – плотность металла, кг/м3  
Ф – площадь поверхности излучения раската, мм2 
φ – функция угла атаки 
ω – скорость потока омывающей среды относительно раската, м/с 

Линейные размеры на стане 
D – диаметр, мм 
L – расстояние от оси прокатных валков до оси кантующих роликов, мм (расстояние между осями валков смежных рабочих клетей, м) 

lб – длина бочки валка, мм 
lш – длина шейки валка, мм 
S – расстояние между осями линий стана, м 
α – угол скручивания при кантовке, град 

Технико-экономические показатели 
ВГ – коэффициент выхода годного 
П – производительность, т/ч 
Скпр – плановое число суток на ремонты 
Т – такт прокатки, с 
Чном – фактическое число часов работы в году 
Чт.п – текущие простои, ч 
G – масса раската, т 
g – доля профилеразмера в общем объеме производства (по массе) 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Почти 90 % выплавляемой стали перерабатывается в прокатном 
производстве, из них около 40 % – сортопрокатное производство, для 
которого калибровка валков является основой, определяющей качество чистового проката и производительность прокатных станов. Поэтому в общем металлургическом цикле сортопрокатное производство занимает важное место. От уровня его рациональности и в первую 
очередь эффективности технологии прокатки зависят производительность станов, безаварийность работы оборудования, уровень механизации и автоматизации, себестоимость и в конечном счете потребительское качество готового проката. 
Основными тенденциями развития сортопрокатного производства 
являются применение непрерывных процессов и непрерывно литых 
заготовок, увеличение скоростей прокатки при полной механизации 
и автоматизации технологических процессов. Решение этих задач 
неразрывно связано с развитием и совершенствованием методов расчета калибровок валков как основного фактора, определяющего рациональность технологического процесса. 
Проектирование технологии прокатки на сортовых станах требует 
большого инженерного опыта. Ошибки приводят к значительным 
материальным и производственным потерям, а также к преждевременному выходу из строя производственного оборудования. 
В монографии обобщен многолетний опыт работы преподавателей и научных сотрудников Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») в области 
сортопрокатного производства. Изложены методы расчета калибровок валков сортовых прокатных станов, которые основаны на анализе действующих калибровок и многолетнем опыте проектирования 
технологии прокатки на сортовых станах. 
Основные разработки научной школы НИТУ «МИСиС» в области 
сортопрокатного производства направлены на развитие теории процесса прокатки в калибрах, совершенствование производства сортового проката с применением термомеханической обработки (ТМО) и 
решение на этой основе ряда прикладных задач, имеющих важное 
народнохозяйственное значение. Приоритетными направлениями в 
этой области являются математическое моделирование, теоретические и экспериментальные исследования прокатки в калибрах, изу