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. Постыля-
ков, 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 элек-
трического тока. Производство медной катанки является 
основным заготовительным процессом изготовления кабе-
лей и проводов, шинопроводов, коллекторных профилей и других из-
делий электротехнического назначения, мировой объем потребления 
которых проявляет тенденцию к устойчивому росту. Поскольку каче-
ство указанных видов продукции во многом определяется свойствами 
катанки, используемой для их изготовления, требования к ней со сто-
роны потребителей постоянно ужесточаются.
В настоящее время медную катанку изготавливают преимуществен-
но высокопроизводительным методом непрерывного литья — прокат-
ки, пришедшей на смену прокатке вайербарсов, по технологическим 
схемам Southwire’s SCR, SMS Meer CONTIROD и CCR Properzi. Сум-
марная производственная мощность российских предприятий-изго-
товителей медной катанки полностью обеспечивает потребности ка-
бельной промышленности России и позволяет экспортировать катанку 
на международные рынки.
Высокопроизводительный процесс сортовой прокатки не лишен 
недостатков, как любой технологический процесс. И литье, и прокат-
ка сопровождаются явлениями дефектообразования. По ходу обработ-
ки меняется структура и текстура металла, происходит видоизмене-
ние дефектов. Наличие части этих дефектов недопустимо в конечном 
продукте. Поэтому нужны методы анализа, которые описывали бы 
явления, происходящие в деформируемой среде и позволяли бы сде-
лать 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, строи-
тельство, машиностроение, транспорт, потребительские то-
вары) благодаря ее высокой электро- и теплопроводности, коррози-
онной стойкости и другим ценным свойствам [1, 2].
Основное количество производимой меди используют в виде раз-
личных деформируемых полуфабрикатов, среди которых 74 % состав-
ляет медная катанка (рис. 1). Различный прокат, трубы и заготовки 
применяют в значительно меньшем суммарном объеме, который на-
ходится 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, сверну-
тая в бухту, изготовляемая методом непрерывного литья или методом 
непрерывного литья и прокатки. Медную катанку широко применя-
ют для изготовления кабельных изделий, контактных проводов воз-
душной сети городского и магистрального транспорта, токопроводя-
щих шин, коллекторных профилей и др. [5].
Основными изготовителями медной катанки в России являются 
предприятия «Уралэлектромедь», «КМЭЗ», «Роскат», «Элкат», «Кам-
кат», «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 агрега-
тов, отличающихся друг от друга исполнением основных конструк-
тивных элементов и принципом ведения технологического процес-
са. 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-ли-
той катанки (UPCAST, Rautomead и др.). Структура мирового про-
изводства 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 совре-
менного литейно-прокатного агрегата, вне зависимости от произво-
дителя, входят плавильная печь, миксер, литейная машина, прокат-
ный стан, линии осветления, охлаждения и консервации, сборщик 
бухт и упаковочный пресс. Вместе с тем исполнение указанных еди-
ниц оборудования, их технические и эксплуатационные характери-

1.2.Технологическиесхемыпроизводствамеднойкатанки

стики заметно различаются [11, 12], в особенности это касается кон-
струкции литейной машины и прокатного стана, а также применяемой 
калибровки валков последнего.
В литейно-прокатных агрегатах применяют литейные машины ро-
торного и ленточного типа. Основу конструкции первых составляют 
два вращающихся колеса: литейное и натяжное, — охваченных с внеш-
ней стороны замкнутой стальной лентой. По периметру литейного 
колеса выполнен канал, вместе с лентой образующий вращающийся 
кристаллизатор, в который из миксера подается расплав меди. Непре-
рывно-литая заготовка в поперечном сечении обычно имеет форму 
трапеции. Такие машины используют в составе своих ЛПА компа-
нии Properzi и Southwire. В машинах ленточного типа горизонталь-
ные стенки поступательно движущегося кристаллизатора образуют 
две бесконечные стальные ленты, а вертикальные — цепи бронзовых 
дамб-блоков, движение и натяжение которых обеспечивается соответ-
ствующими 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 пре-
имущественно трехвалковые клети с расположением валков под углом 
120° друг к другу и калибровкой шестигранник — стрельчатый тре-
угольник — круг. В станах Southwire и SMS Meer GmbH применяют 
двухвалковые клети с системой ящичных калибров в черновых и си-
стемой овал — круг в предчистовых и чистовых клетях. Клети черно-
вой и чистовой групп обычно имеют индивидуальный привод, тогда 
как предчистовой группы — групповой. Общее количество клетей ва-
рьируется в зависимости от производительности.
Предприятие «Уралэлектромедь», расположенное в г. Верхней Пыш-
ме Свердловской области, является крупнейшим изготовителем мед-
ной катанки в России. Годовая производственная мощность предприя-
тия составляет 280 тыс. т (табл. 1), а доля на внутреннем рынке — около 
40 %. Выпуск катанки осуществляется методом непрерывного литья-
прокатки по технологии CONTIROD® (SMS Meer GmbH) в соответ-
ствии с требованиями стандартов ГОСТ Р 53803–2010, ASTM B 49–10, 
BS EN 1977:2013.

Принципиальная схема литейно-прокатного агрегата, функциони-
рующего на АО «Уралэлектромедь», приведена на рис. 4. Непосред-
ственно процесс производства описан ниже.

1.Описаниесовмещенногопроцессалитья—прокаткивпроизводствемеднойкатанки

Таблица 1
Производственные мощности и применяемая технология  
основных российских изготовителей медной катанки

Изготовитель
медной катанки
Годовая производственная 
мощность, тыс. т
Применяемая
технология
Уралэлектромедь
280
CONTIROD
Элкат
155

Southwire’s SCR

Новгородский металлур-
гический завод
90

Транскат
70
Роскат
70
КМЭЗ
83
Налкат
11
PROPERZI
Камкат
11

1

2

3

4

5
6

7

8

9
10

11

12

13

14

15

16
17
18

19

Рис. 4. Принципиальная схема ЛПА, функционирующего на АО «Уралэлектромедь»:

1 — скиповый подъемник; 2 — плавильная шахтная печь; 3 — разливочный желоб; 4 — мик-
сер; 5 — литейный желоб; 6 — литейный ковш; 7 — литейная машина; 8 — изгибающий роль-
ганг; 9 — трайб-аппарат; 10 — маятниковые ножницы; 11 — подъемный стол; 12 — фрезагре-
гат; 13 — прокатный стан; 14 — линия осветления, охлаждения и сушки; 15 — изгибающий 
рольганг; 16 — линия нанесения воскового покрытия; 17 — укладчик и сборщик бухт; 18 — 
транспортное устройство; 19 — упаковочный пресс

В качестве исходного сырья в ЛПА используют катодную медь марки 
М00к [13, 14], а также собственные возвратные отходы с участков прокатного 
и волочильного производства. Сырье посредством скипового 
подъемника 1 загружают в плавильную шахтную печь 2. Из плавильной 
печи по разливочному желобу 3 расплав меди поступает в миксер 4, 
в котором осуществляют его рафинирование, регулирование интенсивности 
потока, а также удаление шлаковых составляющих. Из миксе-

1.2.Технологическиесхемыпроизводствамеднойкатанки

ра расплав последовательно подают в литейный желоб 5, ковш 6 и литейную 
машину 7 ленточного типа, предназначенную для получения 
медной заготовки размерами B0 = 120 мм и H0 = 70 мм методом непрерывного 
литья со скоростью 11,0 м/мин (рис. 5).

Рис. 5. Литейная машина в процессе работы

После выхода из литейной машины, заготовку переводят в горизонтальное 
положение и центрируют по линии прокатки посредством изгибающего 
рольганга 8. Трайб-аппарат 9, приводные ролики которого 
постоянно прижаты к заготовке, обеспечивает синхронизацию скорости 
процессов литья и прокатки. Резку заготовки в моменты запуска 
ЛПА и при аварийных остановках выполняют маятниковые ножни-
цы 10. Отрезанные части заготовки удаляются с подъемного стола 11 
толкателями. После прекращения резки, стол опускают и заготовку 
по нему подают во фрезагрегат 12, предназначенный для снятия с че-
тырех ее сторон фасок 5ґ45 °. Этим предотвращается попадание заусен-
цев или смятых острых углов внутрь полосы, приводящее к появлению 
ряда дефектов в катанке [15]. Далее заготовка поступает в прокатный 
стан (рис. 6).