Технологические основы проектирования прокатных комплексов: сортовые и полосовые литейно-прокатные агрегаты для металлургических мини-заводов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 599 

Кафедра инжиниринга технологического оборудования

Б.А. Сивак 
А.В. Протасов 
 

Технологические основы проектирования 
прокатных комплексов 

Сортовые и полосовые литейно-прокатные 
агрегаты для металлургических мини-заводов 

Курс лекций 

Под редакцией профессора Н.А. Чиченева 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по специальности 150404 – Металлургические машины и оборудование 

Москва 2010 

УДК 669.18 
 
С34 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, проф. С.М. Ионов 

Сивак Б.А., Протасов А.В. 
С34  
Технологические основы проектирования прокатных комплексов: Сортовые и полосовые литейно-прокатные агрегаты для металлургических мини-заводов: Курс лекций / 
Под ред. Н.А. Чиченева. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2010. – 77 с. 
ISBN 978-5-87623-337-0 

Рассмотрены основные разновидности и конструктивные особенности непрерывных сортовых и полосовых литейно-прокатных машин и агрегатов, даны перспективы их применения на современных металлургических мини-заводах. 
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности 150404 «Металлургические машины и 
оборудование», может быть полезен студентам профилей «Металлургия черных металлов», «Обработка 
металлов давлением» и «Трубное производство» направления подготовки 150100 «Металлургия», которые 
специализируются в области получения проката из непрерывнолитой стали. Может быть также использован в курсовом и дипломном проектировании при разработке литейно-прокатных агрегатов и их отдельных узлов. 

УДК 669.18 

ISBN 978-5-87623-337-0 
 Сивак Б.А.,  
Протасов А.В., 2010 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Сокращения и условные обозначения ...............................................................................................4 
Названия фирм и заводов ............................................................................................................... 4 
Обозначения технологических процессов и агрегатов................................................................ 4 
1. Общие сведения ...............................................................................................................................6 
1.1. Историческая справка.............................................................................................................. 6 
1.2. Основные разновидности литейно-прокатных агрегатов и предъявляемые 
к ним требования........................................................................................................................... 12 
2. Сортовые литейно-прокатные агрегаты ......................................................................................16 
2.1. Машины непрерывного литья сортовых заготовок............................................................ 16 
2.1.1. Общие сведения................................................................................................................16 
2.1.2. Особенности формирования слитка в МНЛЗ радиального типа .................................18 
2.1.3. Механизм образования трещин при выпрямлении непрерывнолитого 
слитка в двухфазном состоянии................................................................................................19 
2.2. Оборудование для черновой прокатки сортовых заготовок.............................................. 20 
2.2.1. Классификация машин для обжатия сортовой заготовки ............................................20 
2.2.2. Планетарные станы ..........................................................................................................22 
2.2.3. Станы винтовой прокатки ...............................................................................................22 
2.2.4. Малогабаритные обжимные группы двухвалковых клетей.........................................23 
2.3. Особенности совмещения различных вариантов литья и прокатки 
сортовых заготовок ....................................................................................................................25 
2.4. Разновидности сортовых литейно-прокатных агрегатов ................................................... 27 
3. Полосовые литейно-прокатные агрегаты....................................................................................32 
3.1. Общие сведения...................................................................................................................... 32 
3.2. МНЛЗ для плоского проката................................................................................................. 35 
3.2.1. Тонкослябовые МНЛЗ .....................................................................................................35 
3.2.2. Ленточные и валковые литейные машины ....................................................................39 
3.3. Разновидности полосовых ЛПА ........................................................................................... 40 
3.3.1. Прокатное оборудование в составе полосовых ЛПА ...................................................40 
3.3.2. ЛПА со среднеслябовыми МНЛЗ ...................................................................................43 
3.3.3. ЛПА с тонкослябовыми МНЛЗ.......................................................................................44 
3.3.4. ЛПА с прямым литьем полосы........................................................................................52 
4. Перспективы развития литейно-прокатных агрегатов...............................................................57 
4.1. ЛПА в составе современных металлургических мини-заводов ........................................ 57 
4.2. Основные тенденции развития ЛПА.................................................................................... 61 
4.3. Перспективы развития металлургических мини-заводов .................................................. 62 
4.3.1. Развитие мини-заводов в зарубежных странах..............................................................62 
4.3.2. Состояние и перспективы развития мини-заводов в Российской Федерации............63 
Заключение.........................................................................................................................................72 
Библиографический список ..............................................................................................................73 

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 

Названия фирм и заводов 

ВМЗ – Выксунский металлургический завод 
ГУП ЛПЗ – Государственное унитарное предприятие «Литейно-прокатный завод», г. Ярцево Смоленской области 
НЛМК – Новолипецкий металлургический комбинат 
НГМК – Норильский горно-металлургический комбинат 
GFM – Gesselshaft fur Fertigungstechnik und Maschinenbau A.G. (Австрия) 
MDZ – Mannesmann Demag Zak (Германия) 
SMS – Schlömann Siemag (Германия) 
VÖEST – Vereinigte Österreihishe Eisen und Stahlwerke (Австрия)  
VAI – Vöest-Alpine Industrieanlagebau (Австрия) 

Обозначения технологических 
процессов и агрегатов 

АМКЛ – агрегат для получения микрокристаллической ленты на основе двухвалковой литейной машины 
ЛПА – литейно-прокатный агрегат 
ЛПК – литейно-прокатный комплекс, включающий электросталеплавильное оборудование 
и литейно-прокатный агрегат 
МНЛЗ – машина непрерывного литья заготовок 
МНЛЗ ГТ – машина непрерывного литья горизонтального типа 
МНКЗ – машина непрерывной ковки заготовок 
РКМ – ротационно-ковочная машина 
BSR – Böhler-Strand-Reduzier (процесс литья и прокатки фирмы Böhler, Австрия)  
Castrip – Casting of Strip – литье полосы (полосовой литейно-прокатный агрегат с двухвалковой литейной машиной конструкции фирм BlueScope (Австралия) и Ishikawa Heavy 
Industries (Япония)  
Conroll – Continuous Slab Casting and Rolling Technology (полосовой литейно-прокатный 
агрегат с тонкослябовой МНЛЗ конструкции фирмы VAI) 
CPR – Casting-Pressing-Rolling (полосовой литейно-прокатный агрегат с «мягким» обжатием, разработанный фирмами Thyssen (Германия), SMS и Usinor (Франция) 
CSP – Compact Strip Production (полосовой литейно-прокатный агрегат с тонкослябовой 
МНЛЗ конструкции фирмы SMS) 
DSC – Direct Strip Casting – прямое литье полосы (полосовой литейно-прокатный агрегат с 
ленточной МНЛЗ конструкции фирмы Krupp 
DSP – Direct Sheet Plant – прямое производство листа (полосовой Corus Strip Products Ijmuiden 
(Нидерланды) 
ESP – Endless Strip Production – «бесконечное» производство полосы (непрерывный полосовой литейно-прокатный агрегат с тонкослябовой МНЛЗ конструкции фирм Arvedi и 
Siemens-VAI)  
EWR – Endless Welding-Rolling (процесс бесконечной сварки-прокатки) 
ISP – Inline Strip Production (полосовой литейно-прокатный агрегат с тонкослябовой МНЛЗ 
конструкции фирм MDZ (Германия) и Arvedi (Италия) 
LCR – Liquid Core Reduction (обжатие сляба с незатвердевшей сердцевиной) 
Mainstrip – полосовой литейно-прокатный агрегат с двухвалковой литейной машиной конструкции фирм MAIN, MTAG Martie-Technologie (Швейцария) и SMS 
MMIIM – mini-mill in integrated mill (мини-заводы в составе интегрированных заводов) 
QSP – Quality Strip Production – производство высококачественной полосы (процесс совмещенного литья и прокатки слябов средней толщины, разработанный фирмой Sumitomo 
Metal Industries (Япония)  

SGC – Strand Cage Conrol – клеть предварительной прокатки 
TSP – Tippins Samsung Process – процесс литья слябов средней толщины, совмещенного с 
прокаткой, разработанный фирмами Tippins (США) и Samsung (Республика Корея) 
UTHS – Ultra Thin Hot Strip – особо тонкая горячекатаная полоса (полосовой литейнопрокатный агрегат прямого совмещения с тонкослябовой МНЛЗ конструкции фирм 
Mannesmann Demag (Германия) и Chapparal Steel (США) 
VBS – Vorband-Shellgieb (полосовой литейно-прокатный агрегат с вертикальной МНЛЗ с 
гусеничным кристаллизатором 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1. Историческая справка 

Идея получения металлического проката непосредственно из жидкого металла была впервые 
выдвинута Г. Бессемером в 1857 г. Предложенное устройство включает водоохлаждаемые чугунные валки, между которыми происходит кристаллизация металла, и две пары деформирующих 
валков (рис. 1.1). 

 

Рис. 1.1. Устройство для производства листа непосредственно из жидкого металла: 
А, В – чугунные водоохлаждаемые валки; C, D – деформирующие валки; 
F – промежуточная емкость; Н – направляющая 

Применение подобной технологии позволяет значительно упростить и удешевить производственный процесс путем исключения ряда операций, снизить потери металла и энергии, 
существенно улучшить условия труда и т.д. Однако эта идея, как и многие другие изобретения гениального инженера, могли быть реализованы только столетие спустя при достижении 
соответствующего уровня техники.  
В 40-е годы прошлого века отечественные и зарубежные разработки в этой области были 
представлены рядом не внедренных в промышленность изобретений (рис. 1.2), а сведения об 
опыте внедрения и эксплуатации отсутствовали ввиду закрытости данной тематики [1]. Характерно, что уже тогда предусматривалось обжатие непрерывнолитого слитка на выходе из 
кристаллизатора, примененное в промышленных условиях три десятилетия спустя. 
Первая отечественная экспериментальная установка непрерывного литья заготовок была 
создана в 1947 г., а в 1959 г. установлена первая промышленная машина непрерывного литья 
слябов вертикального типа в электросталеплавильном цехе Новолипецкого металлургического комбината (НЛМК) [2]. 
Первая промышленная машина непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) радиального типа 
конструкции ВНИИМЕТМАШ установлена в мартеновском цехе Руставского металлургического завода в 1965 г. Сортамент отливаемых слитков включал слябы толщиной 160, 180 и 
210 мм шириной 900 мм [3]. Затем на НЛМК был построен первый в мире конвертерный цех, 
в котором весь выплавляемый металл полностью разливался на радиальных МНЛЗ без использования изложниц. При использовании радиальных машин помимо преимуществ, обусловленных относительно небольшой высотой, появились возможности увеличения скорости 
литья и получения слитков теоретически неограниченной длины при серийной разливке мето

дом «плавка на плавку», что оказало большое влияние на создание и развитие литейнопрокатных агрегатов (ЛПА). 
Создание МНЛЗ, производящих заготовки сечением 150150, 125125, 100100 мм позволило вести их прокатку сразу на мелкосортном стане и отказаться от прокатных переделов на 
обжимном (блюминге) и заготовочном станах. Таким образом, появилась возможность значительно снизить массу и габариты прокатного оборудования, что значительно повысило экономические показатели производства. Кроме того, увеличился выход годного за счет отсутствия обрези головной части слитка, которая доходит до 10...15 % от его массы.  

 

Рис. 1.2. Литейно-прокатный агрегат с многоклетьевым прокатным станом: 
1 – стационарная клеть; 2 – подвижная клеть; 3 – шарнир; 4, 7 – поршни; 
5, 6 – гидроцилиндры; 8 – регулируемый груз; 9, 10 – прокатные клети 

В дальнейшем такие достоинства непрерывного способа разливки, как высокая производительность, увеличенный выход годного, значительное снижение затрат энергии и улучшение 
экологических показателей, привели к бурному развитию этого способа за рубежом. В настоящее время в Японии непрерывным способом разливается 95 % выплавляемой стали, в 
Германии – 85 %, в США – 80 %. 
Для практической реализации идеи совмещения литья с прокаткой потребовалось решение 
ряда технических проблем: большая разница скоростей вытягивания заготовки (1...5 м/мин) и 
прокатки в первой клети станов обычной конструкции (до 30 м/мин), низкая стойкость кристаллизаторов МНЛЗ, необходимость четкого согласования температурных режимов с целью 
обеспечения гарантированного высокого качества отливаемой заготовки.  
Первоначально непосредственное совмещение литья с прокаткой было реализовано для 
более легкоплавких и пластичных цветных металлов: алюминия и меди. Отсутствие стойких 
огнеупорных и жаростойких материалов не позволяло организовать и стабильно вести процесс непрерывного литья. Только в 1935–1945 гг. были получены результаты, послужившие 
основой для создания машин и агрегатов непрерывного литья для промышленного применения. В это время большой объем работ по созданию непрерывных литейных машин для 
цветных металлов проводила итальянская фирма Properzi, американская Hunter и французская Pechine. 
Опыт, накопленный при создании и эксплуатации литейно-прокатных агрегатов ЛПА на 
заводах цветной металлургии, позволил перейти к совмещению непрерывного литья и прокатки различных стальных профилей. Параллельно с совершенствованием процесса непрерывного литья и созданием первых промышленных образцов МНЛЗ в 1950-х гг. в СССР начаты работы по непосредственному совмещению литья и прокатки стальных изделий [4].  

На основе проведенных исследований во ВНИИМЕТМАШе был создан первый в мире 
опытный ЛПА для производства стального проката. Агрегат состоял из наклонной машины 
непрерывного литья стальных заготовок сечением 140140 мм с кристаллизатором конвейерного типа (машина М.Ф. Голдобина) и заготовочного непрерывного стана конструкции 
ВНИИМЕТМАШ. Однако агрегат не удалось запустить в производство из-за плохого качества 
слитков. 
По предложению академика А.И. Целикова в 1964 г. во ВНИИМЕТМАШе был создан 
опытно-промышленный ЛПА, состоящий из радиальной МНЛЗ, планетарного стана, чистовой 
непрерывной трехклетьевой группы для перекатки квадратной заготовки в катанку и моталки 
(рис. 1.3) [5]. 

 

Рис. 1.3. Модель литейно-прокатного агрегата 
с радиальной МНЛЗ и планетарным станом 

На этом агрегате в 1964–1968 гг. проведен комплекс научно-исследовательских работ по 
совмещению непрерывного литья и прокатки при получении стальной катанки. Непрерывнолитую заготовку сечением 40×40 мм после индукционного нагрева прокатывали в планетарном стане до сечения 88 мм и затем в трех клетях для получения катанки диаметром 6 мм. 
Исследования образцов проволоки показали хорошие результаты – механические свойства 
оказались более высокими, чем при традиционной технологии. 
В 1960–70-х гг. во ВНИИМЕТМАШе проведены работы по разработке и исследованию 
технологического процесса производства круглых стальных заготовок для труб методом совмещения непрерывной разливки и прокатки в трехвалковых клетях. Трехвалковые клети позволяют увеличить интенсивность обжатий литого слитка, уменьшить габаритные размеры и 
массу прокатного стана [6]. Непрерывная прокатная группа состоит из четырех трехвалковых 
клетей с внутренней раздачей момента и индивидуальным приводом, диаметр валков – от 630 
до 400 мм. На рис. 1.4 показан опытный литейно-прокатный агрегат с трехвалковой клетью 
«630». 
С учетом результатов проведенных исследований было принято решение о создании промышленного агрегата с планетарным станом, который в 1979 г. был создан ВНИИМЕТМАШем и на 
протяжении многих лет успешно эксплуатируется на металлургическом заводе «Электросталь» 
им. И.Ф. Тевосяна. Данный ЛПА имеет следующие характеристики: емкость индукционной печи – 1,1 т; масса плавки – 1 т; сечение слитка – 6080 мм; скорость литья – 1,5...4,0 м/мин; диаметр катанки – 8...12 мм; скорость прокатки – свыше 5 м/с. Ему предшествовал опытный ЛПА, 
установленный во ВНИИМЕТМАШе в 1963 г. и состоящий из радиальной МНЛЗ (сечение 
кристаллизатора 38×47 мм), универсального планетарного стана и чистовой группы клетей 
для прокатки стальной катанки диаметром 8 мм. 

Рис. 1.4. Опытный литейно-прокатный агрегат 
с трехвалковой клетью для получения трубной заготовки 

Основная особенность данного ЛПА заключается в том, что в качестве обжимной машины 
использован сортовой планетарный стан конструкции ВНИИМЕТМАШ. На рис. 1.5 показано 
изменение технологического процесса получения проволоки в результате внедрения ЛПА 
прямого совмещения с планетарным станом в качестве обжимной клети, а на рис. 1.6 – внешний вид агрегата. 
Применение ЛПА для получения проволоки из высоколегированной труднодеформируемой стали позволило снизить продолжительность производственного цикла с 3...6 месяцев до 
3 часов и при этом увеличить выход годной продукции с 30...35 до 90 %. 

 

Рис. 1.5. Технологический процесс производства проволоки 
до и после внедрения литейно-прокатного агрегата на заводе «Электросталь» 

Рис. 1.6. Внешний вид литейно-прокатного агрегата, 
установленного на заводе «Электросталь» 

Применение данной технологии производства проволоки из коррозионностойких и высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов и сплавов с особыми физическими свойствами, 
кроме значительного сокращения продолжительности технологического цикла, дает возможность снизить расход энергии на подогрев металла более чем в 3 раза и потери металла в 5 раз 
по сравнению с традиционной многоступенчатой технологией. Себестоимость катанки из углеродистых сталей ниже на 20 %, а из железохромалюминиевых сплавов – меньше в 5 раз. 
При этом обеспечивается получение проката высокого качества. 
Работы по совмещению непрерывного литья с прокаткой проводились также рядом зарубежных фирм. По данным источника [7], на начало 1972 г. находилось в эксплуатации 18 литейнопрокатных агрегатов общей производительностью около 5 млн т. Вначале получили распространение заготовочные ЛПА, осуществляющие прокатку непрерывнолитых заготовок c целью 
уменьшения сечения и улучшения структуры слитков. Слябовые литейно-прокатные агрегаты 
были установлены на заводах фирм Mac Lought Steel в г. Детройте (США), Vereinigte 
Österreihische Eisen und Stahlwerke (VÖEST) в г. Линце (Австрия), Badische Stahlwerke в г. Киле 
(Германия), а ЛПА для производства сортовых заготовок – на заводах фирм Badische Stahlwerke в 
г. Киле (Германия), National Steel, Timken Rolling Bearing, Inland Steel (США) и др.  
На рис. 1.7 показаны разновидности заготовочных литейно-прокатных агрегатов, разработанных фирмой Böhler (Австрия) [8]. Варианты отличаются расположением прокатных клетей, наличием или отсутствием нагревательного и правильно-тянущего устройства. При отсутствии правильно-тянущего устройства его функции выполняют прокатные клети. В процессе исследований 
варианта, представленного на рис. 1.7, а, было установлено, что в ряде случаев отсутствует необходимость в выравнивании температуры по сечению заготовки, и поэтому возможно обжатие заготовки после полного затвердевания металла (вариант на рис. 1.7, б). В этом случае выравнивание температуры заготовки происходит только по ее периметру. В варианте на рис. 1.7, в деформация происходит при наличии жидкой сердцевины. Это позволяет в значительной степени устранить ликвацию в заготовке. 

 

Рис. 1.7. Схемы заготовочных литейно-прокатных агрегатов, реализующих способ «B-S-R»: 
1 – кристаллизатор; 2 – зона вторичного охлаждения; 3 – правильно-тянущее устройство; 
4 – нагревательное устройство; 5 – рабочая клеть с горизонтальными клетями; 
6 – рабочая клеть с вертикальными валками 

В отечественной металлургии, несмотря на успехи, достигнутые на первоначальных этапах, внедрение ЛПА надолго затянулось. До сих пор на некоторых металлургических комбинатах и минизаводах оборудование для разливки жидкой стали и прокатные станы расположены в отдельных 
цехах. При этом возникает проблема сохранения тепла жидкого металла с целью экономии энерго