Сортовая прокатка меди

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

Ю. Н. Логинов, А. Ю. Постыляков, Ю. В. Инатович

СОРТОВАЯ ПРОКАТКА МЕДИ

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки
22.03.02 — Металлургия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

УДК 661.771-034.3(075.8)
ББК 34.621:24.121я73
          Л69
Рецензенты:
заведующий кафедрой «Обработка металлов давлением» Института цветных металлов и материаловедения ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» 
проф., д-р техн. наук С. Б. Сидельников;
заведующий отделом обработки металлов давлением ОАО «Уральский институт 
металлов» канд. техн. наук Г. П. Перунов

Научный редактор — канд. техн. наук, доц. А. М. Михайленко

 
Логинов, Ю. Н.
Л69    Сортовая прокатка меди : учебное пособие / Ю. Н. Логинов, А. Ю. Постыляков, Ю. В. Инатович ; Мин-во науки и высшего образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2020. — 132 с.

ISBN 978-5-7996-3121-5

Описан современный совмещенный процесс литья — прокатки при производстве медной 
катанки. Описаны свойства деформируемого материала. Изложены приемы конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния при прокатке медной 
катанки. Показаны возможные пути рационализации прокатки медной катанки. Пособие 
предназначено для студентов всех форм обучения, а также может быть полезно слушателям 
ФПК и программ дополнительной подготовки специалистов.

Табл. 19. Рис. 68. Прил. 2.
УДК 661.771-034.3(075.8)
ББК 34.621:24.121я73

ISBN 978-5-7996-3121-5 
 © Уральский федеральный

 
      университет, 2020

Учебное издание

Логинов Юрий Николаевич
Постыляков Александр Юрьевич
Инатович Юрий Владимирович

Сортовая Прокатка медИ

Редактор И. В. Меркурьева
Верстка О. П. Игнатьевой

Подписано в печать 07.10.2020. Формат 70х100/16. Бумага офсетная. Цифровая печать. Усл. печ. л. 10,6.
Уч.-изд. л. 7,6. Тираж 100 экз. Заказ 204.

Издательство Уральского университета
Редакционно-издательский отдел ИПЦ УрФУ
620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5. Тел.: +7 (343) 375-48-25, 375-46-85, 374-19-41. E-mail: rio@urfu.ru

Отпечатано в Издательско-полиграфическом центре УрФУ
620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4. Тел.: +7 (343) 358-93-06, 350-58-20, 350-90-13. Факс: +7 (343) 358-93-06
http://print.urfu.ru



Оглавление

введение ................................................................................................ 5

1. описание совмещенного процесса литья — прокатки 
      в производстве медной катанки ........................................................ 6
1.1. Структура производства медной катанки ................................ 6
1.2. Технологические схемы производства медной катанки .......... 8
1.3. Вероятность дефектообразования .......................................... 15

2. описание свойств деформируемого материала ............................... 16

2.1. Регламент свойств катанки ..................................................... 16
2.2. Тест на спиральное удлинение ............................................... 18
2.3. Тест на закручивание .............................................................. 28
2.4. Структура медной катанки ..................................................... 38

3. конечно-элементное моделирование напряженно      деформированного состояния при прокатке медной катанки .......... 42

3.1. Постановка задачи моделирования прокатки медной 
        катанки методом конечных элементов .................................. 42
3.2. Постановка задачи моделирования температурных 
        полей в валках при прокатке медной катанки 
        методом конечных элементов ................................................ 49
3.3. Анализ деформированного состояния ................................... 53
3.4. Анализ напряженного состояния ........................................... 64
3.5. Анализ температурных полей в валках ................................... 67

4. возможные пути рационализации прокатки медной катанки ........... 74

4.1. Методы расчета калибровок валков и рационализации 
        режимов сортовой прокатки .................................................. 74
4.2. Адаптация математической модели расчета 
        формоизменения для случая прокатки 
        кислородсодержащей меди ..................................................... 78
4.3. Пример разработки новой калибровки валков ...................... 83
4.4. Рационализация схемы прокатки в промежуточной 
        группе клетей .......................................................................... 92

Оглавление

4.5. Рационализация скоростного режима прокатки ................... 99
4.6. Разработка новой формы заготовки для прокатки 
        круглого сортового профиля .................................................107

вопросы для самоконтроля .................................................................115

Список библиографических ссылок ....................................................117

Приложение 1. Шаблоны калибров ЛПА .........................................127
Приложение 2. Номинальный режим прокатки медной катанки 
на литейно-прокатном агрегате ........................................................132

Введение

М

едь в большей мере востребована в виде проводников электрического тока. Производство медной катанки является 
основным заготовительным процессом изготовления кабелей и проводов, шинопроводов, коллекторных профилей и других изделий электротехнического назначения, мировой объем потребления 
которых проявляет тенденцию к устойчивому росту. Поскольку качество указанных видов продукции во многом определяется свойствами 
катанки, используемой для их изготовления, требования к ней со стороны потребителей постоянно ужесточаются.
В настоящее время медную катанку изготавливают преимущественно высокопроизводительным методом непрерывного литья — прокатки, пришедшей на смену прокатке вайербарсов, по технологическим 
схемам Southwire’s SCR, SMS Meer CONTIROD и CCR Properzi. Суммарная производственная мощность российских предприятий-изготовителей медной катанки полностью обеспечивает потребности кабельной промышленности России и позволяет экспортировать катанку 
на международные рынки.
Высокопроизводительный процесс сортовой прокатки не лишен 
недостатков, как любой технологический процесс. И литье, и прокатка сопровождаются явлениями дефектообразования. По ходу обработки меняется структура и текстура металла, происходит видоизменение дефектов. Наличие части этих дефектов недопустимо в конечном 
продукте. Поэтому нужны методы анализа, которые описывали бы 
явления, происходящие в деформируемой среде и позволяли бы сделать технологический процесс более рациональным и эффективным.
В этой книге будут приведены методы такого анализа.

1. Описание совмещенного процесса литья — 
прокатки в производстве медной катанки

1.1. Структура производства медной катанки

М

едь как материал широко используют в различных отраслях 
промышленности (электротехника и электроника, строительство, машиностроение, транспорт, потребительские товары) благодаря ее высокой электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости и другим ценным свойствам [1, 2].
Основное количество производимой меди используют в виде различных деформируемых полуфабрикатов, среди которых 74 % составляет медная катанка (рис. 1). Различный прокат, трубы и заготовки 
применяют в значительно меньшем суммарном объеме, который находится на уровне 26 %.

Трубы

10 % 

Прокат

12 % 

Заготовки 4 %

Медная 
катанка 
74 % 

Рис. 1. Структура потребления меди по видам продукции [3]

1.1.Структурапроизводствамеднойкатанки

В соответствии с ГОСТ 53803–2010 [4] катанкой является заготовка 
с круглым поперечным сечением, постоянным по всей длине, свернутая в бухту, изготовляемая методом непрерывного литья или методом 
непрерывного литья и прокатки. Медную катанку широко применяют для изготовления кабельных изделий, контактных проводов воздушной сети городского и магистрального транспорта, токопроводящих шин, коллекторных профилей и др. [5].
Основными изготовителями медной катанки в России являются 
предприятия «Уралэлектромедь», «КМЭЗ», «Роскат», «Элкат», «Камкат», «Новгородский металлургический завод», «Транскат», «ОЗЦМ — 
Оскольский завод цветных металлов», «Налкат». Их относительные 
доли в структуре производства [6] приведены на рис. 2.

 

 

Камкат - 6 %

КМЭЗ - 20 %

Роскат - 9 %

Элкат - 7 %

Уралэлектромедь 
- 44 % 

ОЗЦМ - 2 %
Транскат 

- 5 %
Налкат - 1 %

Новгородский 

металлургический 
завод - 6 % 

Рис. 2. Структура производства медной катанки в России

До начала 1950-х гг. медная катанка производилась методом горячей прокатки вайербарсов на полунепрерывных и непрерывных сортовых станах. После прокатки катанку подвергали травлению серной кислотой для удаления поверхностного окисленного слоя, затем 
концы отдельных раскатов соединяли посредством контактной сварки. Многочисленные проблемы обеспечения качества катанки, производимой по данной технологической схеме, не могли быть решены 
ввиду ее дискретного характера [7].
Поиски новых высокопроизводительных способов в совокупности с постоянно растущими требованиями к качеству привели к идее 
совмещения процессов непрерывного литья и прокатки в единый 

1.Описаниесовмещенногопроцессалитья—прокаткивпроизводствемеднойкатанки

технологический агрегат (ЛПА). Опытно-конструкторские работы 
по их созданию вели в разных странах (в том числе и в СССР) начиная с 1950-х гг. [8]. Одновременно с этим проводили исследования 
возможности получения катанки с использованием только процесса 
литья [9]. Результатом этих работ стал пуск в эксплуатацию агрегатов, отличающихся друг от друга исполнением основных конструктивных элементов и принципом ведения технологического процесса. В соответствии с последним, их можно подразделить на процессы 
получения непрерывно-деформированной (CCR Continuus Properzi, 
Southwire’s SCR, SMS Meer CONTIROD и др.) и непрерывно-литой катанки (UPCAST, Rautomead и др.). Структура мирового производства катанки по типу применяемой технологии представлена 
на рис. 3 [10].

Прочие технологии - 3 %

Southwire’s SCR - 50 %

CCR Continuus 
Properzi - 5 %

SMS Meer 

CONTIROD - 28 %

UPCAST, 

Rautomead - 14 % 

Рис. 3. Структура мирового производства медной катанки  
по типу применяемой технологии

1.2. Технологические схемы производства медной катанки

В состав основного технологического оборудования любого современного литейно-прокатного агрегата, вне зависимости от производителя, входят плавильная печь, миксер, литейная машина, прокатный стан, линии осветления, охлаждения и консервации, сборщик 
бухт и упаковочный пресс. Вместе с тем исполнение указанных единиц оборудования, их технические и эксплуатационные характери

1.2.Технологическиесхемыпроизводствамеднойкатанки

стики заметно различаются [11, 12], в особенности это касается конструкции литейной машины и прокатного стана, а также применяемой 
калибровки валков последнего.
В литейно-прокатных агрегатах применяют литейные машины роторного и ленточного типа. Основу конструкции первых составляют 
два вращающихся колеса: литейное и натяжное, — охваченных с внешней стороны замкнутой стальной лентой. По периметру литейного 
колеса выполнен канал, вместе с лентой образующий вращающийся 
кристаллизатор, в который из миксера подается расплав меди. Непрерывно-литая заготовка в поперечном сечении обычно имеет форму 
трапеции. Такие машины используют в составе своих ЛПА компании Properzi и Southwire. В машинах ленточного типа горизонтальные стенки поступательно движущегося кристаллизатора образуют 
две бесконечные стальные ленты, а вертикальные — цепи бронзовых 
дамб-блоков, движение и натяжение которых обеспечивается соответствующими барабанами. Машины указанного типа используют в ЛПА 
компании SMS Meer GmbH (технология CONTIROD).
Прокатные станы ЛПА отличаются конструкцией рабочих клетей 
и применяемой калибровкой. Так, в станах Properzi используют преимущественно трехвалковые клети с расположением валков под углом 
120° друг к другу и калибровкой шестигранник — стрельчатый треугольник — круг. В станах Southwire и SMS Meer GmbH применяют 
двухвалковые клети с системой ящичных калибров в черновых и системой овал — круг в предчистовых и чистовых клетях. Клети черновой и чистовой групп обычно имеют индивидуальный привод, тогда 
как предчистовой группы — групповой. Общее количество клетей варьируется в зависимости от производительности.
Предприятие «Уралэлектромедь», расположенное в г. Верхней Пышме Свердловской области, является крупнейшим изготовителем медной катанки в России. Годовая производственная мощность предприятия составляет 280 тыс. т (табл. 1), а доля на внутреннем рынке — около 
40 %. Выпуск катанки осуществляется методом непрерывного литьяпрокатки по технологии CONTIROD® (SMS Meer GmbH) в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ Р 53803–2010, ASTM B 49–10, 
BS EN 1977:2013.

Принципиальная схема литейно-прокатного агрегата, функционирующего на АО «Уралэлектромедь», приведена на рис. 4. Непосредственно процесс производства описан ниже.