В 1916 — 1918 гг. Головин был заведующим металлургическим производством Нижнетагильского горного округа. Позже он стал инженером Управления того же горного округа. Одновременно он преподавал в Нижнетагильском горнозаводском и строительном институте. А с 1923 г. – в УПИ. Там Головин стал заведующим кафедрой прокатки.
Головиным была создана принципиально новая теория прокатки которая была изложена им в трехтомной монографии, опубликованной в 1931-1935 гг. Особенности данной теории описывается в одной из публикаций, посвященных научному наследию Головина так: «Головину принадлежит энергетическая трактовка течения металла. Используя закон наименьшего сопротивления, он проанализировал и предложил для различных процессов обработки давлением априорные схемы течения металла, а разработанный им метод смещенных объемов позволил находить схему деформированного состояния.
Большое значение имели его исследования уширения и опережения металла при прокатке и выведенные им известные соответствующие формулы. Широкое распространение в заводской практике получил разработанный Головиным метод соответственной полосы для расчета калибровки валков прокатных станов. Многие заводские калибровщики до настоящего времени развивают этот метод».
В годы индустриализации А. Ф. Головин активно осваивал непрерывные станы на строящемся Магнитогорском металлургическом комбинате, на заводе «Запорожсталь» и многих других. При активном участии Головина была разработана технология изготовления особо прочной броневой стали за счет прокатки слитков на большом прокатном стане или блюминге. Данная технология была успешно внедрена на Магнитогорском металлургическом комбинате. В годы Великой Отечественной войны она обеспечила поставку бронетехники на фронт.
По руководством А. Ф. Головина на Ревдинском метизно-металлургическом заводе было налажено производство высокопрочной электродной проволоки для сварочных работ. Она была необходима для производства танков и самоходных орудий. Головиным также была решена задача обеспечения выпуска гильз для стрелкового оружия и артиллерийских снарядов. Головиным была разработана и технология прокатки труб для минометных стволов. Ему же принадлежит технология прокатки сплава «Электрон», применявшегося в годы Великой Отечественной войны для восстановительной хирургии.
За все то, что он сделал для оборонной промышленности в 1943 г., Головин был удостоен Сталинской премии второй степени и звания «Заслуженный деятель науки и техники РСФСР». В 1944 г. Головин был награжден орденом Ленина. На здании в г. Екатеринбурге по улице 8 марта 68, где жили Головин , имеется мемориальная доска в его честь. Головина можно увидеть и на групповом портрете выдающихся уральских ученых в фойе главного корпуса Уральского федерального университета.
