Алгоритмы проектирования параметров и режимов работы оборудования листопрокатных цехов

В. С. Зайцев 
АЛГОРИТМЫ  
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ  
И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ 
ЛИСТОПРОКАТНЫХ ЦЕХОВ 
3-е издание
Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 

УДК 621.771.23 
ББК 34.621 
З-17
Р е ц е н з е н т ы :
кафедра пластической деформации специальных сплавов Московского института стали 
и сплавов (технологического университета),  заведующий кафедрой д-р техн. наук, 
проф. А. В. Зиновьев;
д-р техн. наук, проф. Р. Л. Шаталов 
(Московский государственный открытый университет) 
Зайцев, В. С.  
З-17  
Алгоритмы проектирования параметров и режимов работы оборудования листопрокатных цехов : учебное пособие / В. С. Зайцев. – 
3-е изд. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 704 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-0555-3 
Предложены алгоритмы и даны примеры проектирования на заданную 
программу параметров станов и агрегатов листопрокатных цехов основных типов, а также режимов обработки металла на станах и агрегатах известных параметров. Изложены подходы к экономическому обоснованию проектных решений и эскизному проектированию оборудования главной линии листопрокатной 
клети.  
Для студентов, аспирантов и преподавателей металлургических и машиностроительных направлений подготовки, а также специалистов металлургических фирм. 
УДК 621.771.23 
ББК 34.621 
ISBN 978-5-9729-0555-3 
© Зайцев В. С., 2021 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Список алгоритмов 
...................................................................................................... 6 
 
Предисловие .................................................................................................................. 8 
 
1. Прокатное производство как объект проектирования............................ 11 
1.1 Общая характеристика прокатного производства ........................................ 11 
1.1.1. Технический уровень и качество продукции. 
................................... 11 
1.1.2. Листовой прокат .................................................................................. 13 
1.1.3. Прокатный цех как производственная система ................................ 17 
1.1.4. Движение и потери металла в прокатном цехе ................................ 21 
1.1.5. Время работы, производительность  
и пропускная способность оборудования  ....................................... 29 
1.2. Некоторые вопросы теории прокатки и теории машин 
............................... 34 
1.2.1. Температура металла при горячей прокатке 
..................................... 34 
1.2.2. Сопротивление металла деформации ................................................ 37 
1.2.3. Цикл работы и пропускная способность оборудования .................. 39 
1.2.4. Возможности электродвигателей 
....................................................... 43 
1.2.5. Изменение скорости, мощности и крутящего момента  
в кинематической линии машины 
..................................................... 47 
1.2.6. Нагрузки в прокатных клетях и связанные с ними явления............ 53 
1.2.7. Тахограмма, нагрузочная диаграмма и их использование  
для расчёта пропускной способности машины ............................... 61 
1.2.8. Допускаемые режимы прокатки  
и допускаемые нагрузки 
..................................................................... 67 
1.2.9. Распределение обжатий при прокатке 
............................................... 74 
1.3. Задачи проектирования прокатных цехов, прокатного оборудования  
и технологии прокатки .................................................................................... 82 
1.3.1. Сортамент, состав и загрузка оборудования цеха 
............................ 82 
1.3.2. Постановка задачи проектирования оборудования.  
Выбор параметров технического уровня 
и расчётных профилей 
........................................................................ 91 
1.3.3. Размеры валков .................................................................................... 94 
1.3.4. Расчёт предельных свободных режимов  
и пропускной способности обрабатывающих машин 
..................... 97 
1.3.5. Совместное проектирование параметров главных приводов  
и свободных режимов работы машин 
............................................. 102 
1.3.6. Проектирование параметров машин, работающих  
в регламентированных либо связанных режимах  ........................ 109 
1.3.7. Картина скоростей в непрерывных станах и группах клетей ....... 113 
1.3.8. Моталки и разматыватели 
................................................................. 116 
1.3.9. Склады металла 
.................................................................................. 122 
1.3.10. Замечания о планировке цеха при учебном проектировании ..... 131 
2. Толстолистовые реверсивные станы 
.................................................... 
135 
2.1. Характеристика оборудования и технологии толстолистовой  
реверсивной прокатки .................................................................................. 135 
3 
 

2.1.1. Область применения и параметры станов 
....................................... 135 
2.1.2. Особенности технологии .................................................................. 140 
2.2. Одноклетевые станы ..................................................................................... 148 
2.2.1. Проектирование параметров стана .................................................. 148 
2.2.2. Фабрикация слябов 
............................................................................ 167 
2.2.3. Расчёт режимов контролируемой и традиционной прокатки ....... 173 
2.2.4. Параметры прокатки в клети с вертикальными валками .............. 206 
2.2.5. Термическая обработка и отделка листа ......................................... 209 
2.3. Двухклетевые станы 
...................................................................................... 217 
2.3.1. Проектирование параметров ............................................................ 217 
2.3.2. Расчёт режимов прокатки ................................................................. 222 
 
3. Широкополосные станы горячей прокатки ............................................... 245 
3.1. Современное состояние ................................................................................ 245 
3.2. Проектирование параметров оборудования ............................................... 254 
3.2.1. Чистовая группа ................................................................................. 257 
3.2.2. Уборочная группа .............................................................................. 273 
3.2.3. Черновая группа 
................................................................................. 282 
3.3. Расчёт режимов прокатки ............................................................................. 298 
3.3.1. Чистовая группа ................................................................................. 298 
3.3.2. Черновая группа 
................................................................................. 332 
 
4. Станы холодной прокатки 
................................................................................ 359 
4.1. Непрерывные станы ...................................................................................... 356 
4.1.1. Проектирование параметров стана .................................................. 359 
4.1.2. Расчёт режимов прокатки ................................................................. 379 
4.1.3. Особенности расчётов для жестепрокатных станов ...................... 410 
4.2. Реверсивные станы  ....................................................................................... 435 
4.2.1. Проектирование параметров стана .................................................. 438 
4.2.2. Расчёт режимов прокатки  ................................................................ 447 
4.2.3. Особенности расчётов  
для двухклетевых реверсивных станов .......................................... 468 
4.3. Дрессировочные станы  ................................................................................ 472 
 
5. Другие станы и агрегаты 
................................................................................... 487 
5.1. Станы Стеккеля ............................................................................................. 487 
5.1.1. Черновая клеть ................................................................................... 488 
5.1.2. Чистовая клеть ................................................................................... 495 
5.2. Прокатные группы литейно-прокатных агрегатов .................................... 520 
5.2.1. Расчёт параметров группы 
................................................................ 522 
5.2.2. Расчёт режима прокатки ................................................................... 530 
5.3. Методические нагревательные печи  .......................................................... 545 
5.3.1. Теория расчёта параметров печей и режимов нагрева .................. 546 
5.3.2. Проектирование параметров печей 
для широкополосного стана ............................................................ 552 
5.3.3. Проектирование режимов нагрева слябов ...................................... 555 
5.3.4. Печи для толстолистовых станов 
..................................................... 560 
5.4. Отделение отжига рулонов в колпаковых печах 
........................................ 563 
4 
 

5.5. Агрегаты непрерывной подготовки и отделки металла ............................ 570 
5.5.1. Непрерывные травильные агрегаты................................................. 570 
5.5.2. Агрегаты непрерывного отжига  
и нанесения постоянных покрытий ................................................ 576 
5.5.3. Агрегаты продольной и поперечной резки ..................................... 583 
 
6. Экономическая оценка проектных решений ............................................. 601 
6.1. Срок эксплуатации, продолжительность строительства,  
капитальные вложения и штаты персонала ............................................... 601 
6.2. Затраты ресурсов и услуг и себестоимость продукции  
............................ 603 
6.2.1. Калькуляция себестоимости проката 
............................................... 603 
6.2.2. Сортовые калькуляции 
...................................................................... 610 
6.3. Экономическая эффективность проекта ..................................................... 611 
6.3.1. Окупаемость капитальных вложений в новый цех ........................ 611 
6.3.2. Эффективность модернизации действующего цеха ...................... 614 
6.3.3. Сравнительная эффективность капитальных вложений 
................ 616 
6.4. Алгоритмы экономической оценки учебных проектов ............................. 618 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ А 
Расчёт и конструирование главной линии прокатной клети  
.................. 634 
А1. Исходные данные .......................................................................................... 635 
А1.1. Основные параметры и размеры ...................................................... 635 
А1.2. Производственная программа и режимы работы клети  
Расчётные нагрузки .......................................................................... 637 
А1.3. Картина частот вращения валов, крутящих моментов  
кинематической линии клети .......................................................... 640 
А2. Проектирование клети .................................................................................. 641 
А2.1. Узел валков 
......................................................................................... 642 
А2.2. Устройства для установки валков .................................................... 653 
А2.3. Узел станин 
......................................................................................... 660 
А2.4. Установка клети ................................................................................. 664 
А2.5. Напряжения в деталях клети и их деформации .............................. 664 
А2.6. Нагрузки, допускаемые клетью 
........................................................ 669 
А3. Проектирование главного привода клети ................................................... 670 
А3.1. Шпиндельное соединение 
................................................................. 670 
А3.2. Сдвоенный редуктор и шестерённая клеть ..................................... 675 
А3.3. Зубчатые муфты 
................................................................................. 682 
А3.4. Главные двигатели 
............................................................................. 684 
А4. Установка линии 
............................................................................................ 685 
А4.1. Общая компоновка............................................................................. 685 
А4.2. Исследование динамических характеристик линии 
....................... 689 
А5. Список обозначений, использованных в Приложении  
............................. 694 
 
СПИСОК ЦИТИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ...................................................... 696 
 
 
 
 
5 
 

СПИСОК АЛГОРИТМОВ 
 
1. Загрузка оборудования цеха производственной программой ..................... 85 
2. Определение пропускной способности машины  
при свободных режимах работы .................................................................... 99 
3. Совместное проектирование параметров  
и свободных режимов работы машины ....................................................... 106 
4. Проектирование складов металла 
................................................................. 126 
5. Проектирование одноклетевого толстолистового стана ............................ 154 
Применение алгоритма 5 для проектирования параметров  
черновой клети стана Стеккеля.............................................................. 488 
6. Фабрикация слябов для толстолистового стана 
.......................................... 169 
7. Проектирование режима для одноклетевго стана 
на примере низкотемпературной контролируемой прокатки ................... 174 
Применение алгоритма 7 для проектирования режима 
традиционной прокатки на одноклетевом стане 
.................................. 197 
Применение алгоритма 7 для проектирования режима прокатки  
в черновой клети стана Стеккеля 
........................................................... 489 
8. Расчёт мощности двигателя и параметров прокатки в клети  
с вертикальными валками ............................................................................. 207 
9. Проектирование параметров оборудования и режимов горячей правки,  
охлаждения и термической обработки толстого листа .................................. 211 
10. Проектирование толстолистового двухклетевого стана .......................... 219 
11. Проектирование режима высокотемпературной  
контролируемой прокатки на двухклетевом стане  
.................................. 222 
12. Проектирование параметров чистовой группы ШСГП 
............................ 261 
13. Проектирование параметров отводящего рольганга и моталок .............. 274 
14. Проектирование параметров черновой группы ШСГП ........................... 287 
15. Проектирование режимов прокатки в чистовой группе ШСГП 
.............. 305 
16. Проектирование режимов прокатки в черновой группе ШСГП ............. 334 
17. Проектирование параметров непрерывного стана  
холодной прокатки 
....................................................................................... 363 
Применение алгоритма 17 для проектирования  
жестепрокатного стана  
........................................................................... 413 
18. Проектирование режима для непрерывного  
стана холодной прокатки 
............................................................................. 385 
Применение алгоритма 18 для проектирования режима прокатки  
на жестепрокатном стане 
........................................................................ 425 
19. Проектирование параметров одноклетевого реверсивного стана  
холодной прокатки 
....................................................................................... 438 
20. Проектирование режима прокатки  
на одноклетевом реверсивном стане 
.......................................................... 447 
Применение алгоритма 20 для двухклетевого 
реверсивного стана 
.................................................................................. 468 
21. Проектирование дрессировочного стана ................................................... 473 
22. Проектирование режима дрессировки ....................................................... 479 
23. Проектирование параметров чистовой клети  
и моталок стана Стеккеля 
............................................................................ 496 
6 
 

24. Проектирование режима прокатки  
в чистовой клети стана Стеккеля  
............................................................... 502 
25. Проектирование непрерывной группы клетей ЛПК 
................................. 522 
26. Проектирование режима для прокатной группы ЛПК  ............................ 530 
27. Проектирование параметров нагревательных печей ................................ 552 
28. Проектирование режимов нагрева слябов ................................................. 555 
29. Проектирование отделения колпаковых печей ......................................... 566 
30. Проектирование непрерывного травильного агрегата ............................. 572 
31. Проектирование агрегата непрерывного отжига ...................................... 577 
Применение алгоритма 31 для проектирования агрегата  
непрерывного горячего цинкования 
...................................................... 580 
32. Проектирование агрегата продольной резки толстых полос  
.................. 584 
Применение алгоритма 32 для проектирования агрегата  
продольной резки тонких полос  ........................................................... 593 
33. Проектирование агрегата поперечной резки ............................................. 595 
34. Экономическая оценка проекта нового цеха 
............................................. 618 
35. Экономическая оценка проектов модернизации цеха 
.............................. 627 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
7 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Технический прогресс в прокатном производстве предполагает непрерывное освоение новых видов продукции, а при необходимости и создание новых производственных мощностей. Ведущая роль в этом процессе принадлежит  
инженерам-проектировщикам прокатных цехов, прокатного оборудования и 
технологии прокатки. Проектирование – это процесс, заключающийся в многократном преобразовании начального описания объекта, содержащегося в задании на проектирование, в конечное, достаточное для его реализации. Соответственно проект – это комплекс документов, фиксирующий принятые проектные решения на разных стадиях разработки. Только завершающая стадия проекта принимается к исполнению, более ранние стадии содержат идеи, предложения и их обоснование, и в этом от них не должен отличаться учебный проект. 
Проектирование – высокоинтеллектуальный и дорогостоящий процесс: затраты 
на проектирование и авторское сопровождение промышленного строительства 
в передовых индустриальных странах достигают 14 – 16 % от полных капитальных вложений.  
Технологическая часть проекта промышленного объекта определяет состав и параметры обрабатывающего оборудования, а проект технологии производства продукции – параметры режимов её обработки. Если состав оборудования прокатного цеха диктуется, главным образом, сортаментом, то параметры 
оборудования зависят от режимов обработки проката и поэтому достоверно могут быть определены только совместно с режимами. Выполнение технологической части проектов прокатных цехов, технологических заданий на разработку 
других частей проекта и прокатного оборудования, а также проектирование режимов прокатки как раз и составляет область собственно инженерной деятельности прокатчиков-технологов. 
Книга даёт возможность даже начинающему специалисту рассчитать режимы обработки продукции на станах и агрегатах листопрокатных цехов,  
а также оценить необходимые параметры оборудования при его проектировании или закупке. Эти режимы и параметры не только приемлемы, но во многих 
случаях и оптимальны по тем или иным критериям. Однако решение инженерных задач никогда не бывает единственным и, следовательно, с помощью предлагаемых или иных методов могут быть найдены другие режимы и параметры, 
удовлетворяющие и этим, и не рассмотренным здесь критериям, возможно, более важным в каких-то обстоятельствах. 
В книге, в общем, сохранены принципы, впервые сформулированные в 
учебнике [1], только в отличие от него большая часть результатов здесь достигается последовательными приближениями, что как раз отвечает содержащемуся в определении проектирования положению о многократном улучшении на 
каждом шаге ранее полученных решений. 
Книга содержит большое количество обширных примеров, названных 
алгоритмами, перечень которых дан после оглавления. В большинстве это алгоритмы проектирования параметров станов, агрегатов, участков прокатных 
цехов и алгоритмы проектирования режимов обработки металла. Алгоритмы 
8 
 

первого вида предусматривают выбор показателей технического уровня объекта проектирования по аналогии с хорошо работающими или перспективными 
образцами и расчёт их параметров назначения, исходя из заданной производственной программы. Алгоритмы второго вида предполагают все параметры 
оборудования известными и доказывают возможность обработки на нём расчётных профилей. Все алгоритмы построены с заранее оговоренными допущениями, которые при необходимости могут быть сняты или заменены новыми. 
Некоторые алгоритмы, к примеру, фабрикации слябов для толстолистового 
стана или проектирования параметров черновой группы клетей широкополосного стана в значительной мере универсальны и потому достаточно сложны, 
но отбросив ненужные для решаемой задачи условия, пользователь всегда 
сможет их упростить. В большинстве алгоритмов для станов и агрегатов с рулонным способом производства в качестве исходных приняты слябы и рулоны 
относительной массой 20 т/м, но при необходимости не следует упускать из 
виду, что на самом деле относительная масса рулона убывает от передела к переделу. Все расчёты сделаны для прокатных клетей и другого оборудования с 
приводом от двигателей постоянного тока с двухзонным регулированием скорости и приемлемы для машин с регулируемыми двигателями переменного тока лишь в меру соответствия условий их службы. В Приложении А дан алгоритм элементарного проектного расчёта и конструирования механического 
оборудования главной линии листопрокатной клети. 
Режимы прокатки на спроектированных станах иногда заметно отличаются от закладываемых в проектные алгоритмы, а иногда после проведения проверочных расчётов нуждаются в корректировке и предсказанные параметры станов. Это значит, что предлагаемые здесь алгоритмы проектирования могут и 
должны быть улучшены, и пользователь всегда может либо согласиться с ними, 
либо заменить другими, хотя магистральным путём для профессионалов может 
быть только полное совмещение проектирования параметров оборудования и 
режимов обработки. Тем не менее, некоторые совмещённые алгоритмы, опубликованные нами ранее, оказались неоправданно громоздкими и потому здесь не 
приводятся и не комментируются. 
Книга в большей мере претендует на демонстрацию подходов, методов 
расчёта, а не на их результаты. Точность получаемых результатов не обсуждается, по крайней мере, они достоверны лишь постольку, поскольку достоверны заложенные в расчёт модели. Они не могут быть также точнее использованных исходных данных, в частности, всегда надо считаться с тем, что сопротивление металла деформации или коэффициенты трения при горячей и холодной прокатке, 
как утверждают авторы [2, с. 159], не только установлены с некоторой погрешностью, но по своей природе являются неопределёнными. Никуда не уйти от тех 
реальностей, что сопротивление деформации 
s
V
)
1
,
0
1
( r
 может быть равновероятным [2, с. 153], а условный предел текучести наклёпанной изотропной электротехнической стали разных плавок даже в пределах одной группы легирования 
может изменяться более чем на 230 МПа [3, с. 62]. На эти обстоятельства первостепенной важности для автоматизированного управления прокатными станами 
можно просто не обращать внимания при проектировании.  
9 
 

Для стимулирования разработки и отладки пользователями собственных 
машинных программ все вычисления иллюстрируются подстановкой данных в 
расчётные формулы, которые, как правило, дублируются вместе с номерами, под 
которыми они были введены ранее. Результаты расчётов даны по машинным 
распечаткам и при ручной проверке из-за промежуточных округлений могут не 
выдерживаться во всех значащих цифрах, большое число которых сохранено для 
удобства отладки. Представляя расчёты в проектах, следует сохранять лишь такое количество значащих цифр, которое оправдано точностью использованных 
математических моделей и измерительных приборов. Там, где решения достигаются последовательными приближениями, подстановкой в расчётные формулы 
иллюстрируется одно из них, первое для одного из профилей или проходов и последнее во внутренних циклах итераций по сплющенной дуге контакта металла с 
валками. Для всех профилей и проходов результаты как первого, так и последнего приближений приводятся в выводах. Нетрудно убедиться, что удовлетворительные решения можно получать уже в первых приближениях, если в качестве 
исходных брать данные, близкие к получаемым здесь в последних. 
Все физические величины представлены в единицах системы СИ за исключением температуры, измеряемой в qС, и удельного расхода энергии, для 
которого принят кВт˜ч/т. Коэффициент согласования единиц измерения физических величин с иногда включается в формулы явно, и это подчёркивает необходимость использования в расчётах по этим формулам только строго определённых единиц, но чаще его значения, особенно кратные 10, появляются только 
в подстановках. Целая часть аргумента х везде обозначена как Е(х), от фр. entier 
– целый.  
Основная цель книги – показать взаимосвязанные замкнутые подходы к 
разработке параметров оборудования и режимов обработки металла в листопрокатных цехах. Демонстрируя вычислительные процедуры, книга предполагает вдумчивое отношение пользователя к её материалам. Все расчётные формулы должны быть подвергнуты тщательному анализу: какие физические величины в них входят? в каких единицах они измеряются? каковы коэффициенты 
согласования единиц измерения? почему использована именно эта расчётная 
формула и нет ли ей альтернативных, более адекватно учитывающих взаимосвязь существенных факторов? все ли существенные факторы учтены и нет ли 
возможности заменить формулу более полной?  
В книге мало ссылок на публикации последних лет в общедоступных периодических изданиях. Список цитированных источников в основном состоит 
из книг, изданных 40 – 60 лет назад, многие из которых давно стали библиографической редкостью, и хотя бы часть этого наследия мы надеемся сохранить 
и передать новому поколению инженеров-прокатчиков.  
 
 
 
 
 
10