Реферат: История существования указанной в заголовке кафедры началась, по существу, с педагогического эксперимента, который продолжается и в настоящее время

Посвящается семидесятилетию

СибГИУ и двадцатилетию кафедры

Информационных технологий в металлургии

Цымбал В.П.

Ретроспективный анализ развития научных направлений кафедры информационных
технологий в металлургии

(попытка наукометрического исследования)

История существования указанной в заголовке кафедры началась, по - существу, с педагогического эксперимента, который продолжается и в настоящее время.

В декабре 1980 года отдельным приказом министра высшего образования Образцова Н.Ф. организована лаборатория обучающих систем на основе тренажеров и технологических игр. А в январе 1981 года письмом заместителя министра Седыкина Ф.М. в Сибирском металлургическом институте была разрешена в порядке эксперимента подготовка одной группы инженеров – металлургов со специализацией «Математическое обеспечение и применение ЭВМ в металлургии».

Таким образом коллективу ученых, выделившемуся из состава кафедры автоматизации металлургического производства была доверена важная и редкая, по тем временам, задача создания новой специализации, которая в последующем практически превратилась в специальность и была заимствована другими вузами.

Основанием для такого решения служил уже имеющийся к тому времени существенный научный задел как в направлении математического моделирования металлургических процессов так и в направлении вузовской педагогики и инженерной психологии.

В предлагаемой статье мы хотим предпринять попытку содержательного наукометрического анализа сорокалетней ретроспективы развития научных направлений, зародившихся еще в недрах кафедры автоматизации металлургического производства и предложенных уже в рамках упомянутой выше кафедры.

В дальнейшем мы предполагаем развить этот анализ до уровня графа индекса авторских ссылок, пользование которым существенно облегчает поиск информации в смежных научных направлениях.

У истоков дерева научных направлений, развившихся к настоящему времени, стоят первые работы по математическому моделированию металлургических процессов [1] и одна из первых диссертаций этого направления [2], защищенная в 1963 году. Близкие к этому направлению работы велись в эти годы также в Московском институте стали (Сургучев Г.Д. и др.) и в ЦНИИЧермете (Туркенич Д.И., Травин О.В., Рожков И.М. и др.). Модели [1, 2] явились основой для постановки задачи непрерывной оценки содержания углерода и управления процессом окисления углерода в мартеновских печах [3, 4].

Упрощенный вариант одной из моделей [1] был реализован в виде промышленных аналоговых вычислительных устройств на ферродинамических преобразователях, которые оказались работоспособными в условиях мартеновского цеха, были внедрены на большинстве мартеновских печей КМК и на одной из большегрузных печей с продувкой кислородом Карметкомбината [5]. А на одной из печей было реализовано промышленное вычислительное устройство для непрерывного определения содержания углерода в ванне мартеновской печи [5, 6].

Использование информации промышленных АВУ позволило более эффективно управлять окислительной способностью и тепловым режимом мартеновских печей [7]. Благодаря наличию такой информации, а также детерминированной свертки большого числа параметров с помощью имеющихся моделей, удалось осуществить в условиях мартеновского цеха по существу уникальный для металлургии активный эксперимент, при котором варьировались четыре комплексных параметра: тепловая нагрузка, избыток воздуха над теоретически необходимым для сжигания топлива, расход руды в завалку (независимо от марки стали), продолжительность завалки и прогрева. Фактически в этих моделях было учтено более пятнадцати параметров. Полученные при этом детерминированно-вероятностные уравнения для прогнозирования продолжительности плавления и количества окисленного за этот период углерода оказались достаточно физичными и адекватными [8]. Эта модель была использована для оптимизации процесса и значительного повышения точности шихтовки [9, 10].

Использование непрерывной информации промышленных ВУ и анализ процессов на основе разработанных моделей, которые продолжали совершенствоваться, позволили вскрыть ряд интересных закономерностей в процессах обезуглероживания жидкой ванны. Наиболее фундаментальная из них - саморегулирование состава продуктов горения во взаимосвязи со способностью мартеновской ванны к самораскислению. Это иллюстрируется рис. 1, из которого видно, что связь между избытком воздуха на подводящей головке (по данным ВУ) и избытка воздуха на отводящей головке О2 – 0,5СО (по данным газового анализа) для периодов с твердой ванной (завалка, прогрев) является достаточно определенной (линия 1), а для периодов с жидкой ванной (плавление, доводка) – практически отсутствует (линия 2).

Вначале нам самим такая ситуация казалась парадоксальной, особенно до того момента, когда мы додумались разделить на две группы (на периоды с твердой и жидкой ванной), смешанные до этого данные газового анализа. Статья с анализом этой закономерности и вытекающих из нее принципиально новых подходов к управлению тепловым и окислительным режимом мартеновских печей была направлена в журнал «Сталь» в 1971 году, однако была дважды отклонена рецензентом. Как выяснилось позже в приватной беседе, было сказано, что данные в общем интересные, но саморегулирование тут якобы не причем. Эта статья была опубликована спустя четыре года в журнале «Известия вузов Черная металлургия» в 1975 году [11].

Мы остановились более подробно на этом вопросе потому, что у нас есть основания с удовлетворением отметить, что нам удалось в какой-то мере предвосхитить (хотя и на достаточно частном примере) появление теории самоорганизации. Как известно, первые фундаментальные работы этого нового научного направления (Илья Пригожин, Герман Хаксен) появились в английском оригинале в 1978 и 1979 годах, а на русском языке соответственно 1979 и 1980 годах [12, 13].

Использование вскрытых закономерностей самораскипания мартеновской ванны позволило предложить принципиально новый способ управления окислительной способностью и тепловым режимом мартеновских печей не требующий быстродействующего непрерывного газового анализа, на реализацию которого были затрачены многолетние усилия и значительные финансовые средства. Оказалось, что с учетом этой закономерности можно ограничиться данными периодического анализа на этапе поиска оптимальных режимов. Полученные при этом режимы были внедрены на большинстве мартеновских печей КМК и одной печи КарМК, что дало большой экономический эффект в виде снижения расхода руды в завалку на 13 кг/т и расхода топлива на 5 кг/т, при этом одновременно повысилась производительность печей. В годовом исчислении это выразилось в десятки тысяч тонн руды и мазута.

Уместно вспомнить огромные усилия и средства, которые были затрачены в шестидесятых – семидесятых годах на создание систем автоматического регулирования тепловым режимом в мартеновских печах, ориентированных на использование непрерывного анализа дымовых газов в замкнутом контуре. Тщетность этих попыток связана, по-видимому, не только с ненадежностью систем газового анализа (например,  - индикатор Тулуевского оказался вполне работоспособным), сколько с неправильностью используемых принципов и подходов, в том числе неучетом явлений самоорганизации кипящей волны.

Параллельно с внедрением вычислительных устройств, оптимизацией тепловых и технологических режимов, которые велись в содружестве с ЦЛАМ и ТТЛ КМК, продолжалась работа по методологии математического моделирования [14], а также поэтапному совершенствованию конкретных моделей, чему и была посвящена кандидатская диссертация В.Н. Буинцева [15, 16]. Для этой цели в содружестве с С.А. Дубровским был удачно использован компонентный и факторный анализ [17]. Вопросы исследования и управления сталеплавильным процессом с применением математических моделей были систематизированы и обобщены в докторской диссертации В.П. Цымбала [18].

В 1972-1975 годах начало развиваться еще одно научно-техническое направление с одной стороны связанное с математическим моделированием, с другой стороны требующее привлечения знаний из области инженерной психологии и педагогики. Речь идет о впервые поставленной для металлургии задачи создания тренажеров и компьютерных обучающих систем. В то время тренажерные системы уже имели определенное развитие в некоторых областях техники (авиации, космонавтики, ВМФ, энергетике). К тому же опыт использования наших моделей показал их недостаточную количественную адекватность для целей управления, но достаточно хорошую качественную адекватность в смысле отражения причинно-следственных связей, что явилось важнейшим фактором для их использования в качестве заместителя объекта при обучении. С другой стороны проблемы внедрения промышленных вычислительных устройств и разработанных рациональных технологических режимов объективно требовали новых методов и средств обучения, повышения квалификации и воздействия на человека – оператора.

Задача создания тренажеров потребовала решения целого комплекса научных и научно – технических проблем. Кроме моделей основных процессов нагрева и обезуглероживания, имевшихся к тому времени, необходимо было получить модели ограничений, описывающих состояние агрегатов и технологические требования. В результате анализа существующих дидактических систем была разработана двухуровневая система управления процессом обучения [19], упрощенная схема которой приведена на рис. 2. На первом уровне этой системы осуществляется самообучение оператора на основе математической модели по технико-экономическим критериям, на втором уровне ведется управление процессом обучения по дидактическим критериям. На основе этой структуры строились все создаваемые в последующем тренажеры и компьютерные АОС. В результате была разработана достаточно стройная система и обобщен опыт создания и использования тренажеров [20]. Методика и опыт разработки тренажера «Сталевар» были рассмотрены в диссертации А.Ф. Сакуна [21].

Большую роль в проблеме создания тренажеров играет имитация реальной производственной обстановки и наглядное представление информации. В этом направлении нами в содружестве с А.Г. Падалко были получены очень интересные и необычные результаты [22, 23], которые несколько позже были высоко оценены представителями Института психологии АН СССР (Лебедев А.Н.).

Остановимся на этой проблеме несколько подробнее. На рис. 3 представлена образно-наглядная модель конвертерной плавки, построенная на основе фундаментального положения В.А. Веникова о подобии сложных систем (подобие элементов и соединяющих систем). При реализации выделенных пространственных элементов посредством специализированной электронной схемы, управляющей лучом на электронно-лучевом индикаторе, был использован метод аппроксимации этих элементов, смысл которого заключается в синтезе огибающих их линий путем суммирования сдвинутых определенным образом по фазе периодических сигналов. Как оказалось при обсуждении с А.Н. Лебедевым, этот подход очень близко корреспондирует с менее распространенной (чем двоично-нейтронная) теорией восприятия и запоминания информации, предложенной академиком М.Н. Ливановым, связанной с пространственной организацией периодических процессов мозга и хранением сигналов в виде систем периодических колебаний нейтронной активности [24]. Хотя в последующем, в связи с ростом возможностей и быстродействия цифровых ЭВМ, эта картинная модель была реализована (Падалко А.Г., Толстенев В.М.) программным путем [25], мы считаем необходимым напомнить здесь об этом интересном, но пока не нашедшем дальнейшего развития направлении в связи со скорым достижением предельных по быстродействию возможностей цифровых ЭВМ, которых философы называют элементарными. С учетом этого возникает необходимость использования других принципов восприятия и переработки информации, в том числе, возможно, близких к упомянутых выше.

Вернемся к проблеме создания тренажеров.

Для воспроизведения обстановки и наглядного отображения информации сотрудниками кафедры и лаборатории обучающих систем (Падалко А.Г., Буинцев В.Н., Сакун А.Ф., Мочалов С.П. и др.) был создан целый ряд устройств, на которые были получены авторские свидетельства. Среди них следует выделить: устройство для моделирования пламени [26], для генерирования функций, коммутаций и представления информации на ЭЛТ [27]. Получены также авторские свидетельства на ряд тренажеров: оператора мартеновской печи, кислородного конвертера, оператора энергетических и энергоемких объектов [28], а также на ряд устройств оценки деятельности оператора [29].

Первый тренажер «Сталевар» был создан в 1976 году еще в рамках кафедры автоматизации металлургических процессов, а тренажер «Конверторщик» в 1981 году, в первый год существования новой кафедры математического обеспечения и применения ЭВМ в металлургии. В 1982 году на этих тренажерах под эгидой ЦК ВЛКСМ в связи с 50-летием КМК был организован конкурс операторов конвертеров и мартеновских печей, который показал достаточную эффективность этих тренажеров. С 1981 по 1986 годы наступил этап достаточно широкого внедрения тренажеров, в основном в средних специальных учебных заведения Минчермета УССР, в связи с интересом, проявленным начальником отдела подготовки кадров И.В. Молчановым и при содействии Днепропетровской экспериментальной лаборатории, возглавляемой А.Ф. Косолаповым. При таком сотрудничестве было реализовано более 15 тренажеров в средних и высших учебных заведениях Днепропетровска, Донецка, Мариуполя, Макеевки и др. Тренажер «Сталевар» был реализован также на КМК и ММК. Все перечисленные тренажеры были реализованы на основе аналоговых ЭВМ, реальных пультов и щитов управления.

Начиная с 1987 года в связи с возрастанием быстродействия и возможностей цифровых ЭВМ, появлением персональных компьютеров типа IBM началась новая полоса развития обучающе – тренирующих систем применительно к персональным ЭВМ, которые отличались несколько меньшими возможностями в смысле воспроизведения реальной производственной обстановки, но обладали значительно большими возможностями не только в смысле тренировки навыков, но и в смысле повышения степени усвоения знаний, принятия решений на уровне не только оператора, но и на уровне мастера, начальника смены и т.д. Наиболее емкая и интересная обучающая программа была создана для конверторного процесса, а затем в несколько упрощенном виде – для мартеновского и электросталеплавильного процессов (Мочалов С.П., Красноперов С.Ю., , Федотова Ю.М., Коротких В.Г., Буинцев В.Н., Сакун А.Ф. и др.) - [30]. Эти системы были внедрены на ряде металлургических предприятий (Запсиб, КарМК), а также во многих высших и средних учебных заведениях и показали достаточно высокую эффективность. С 1987 по 1991 год работы этого направления были продолжены по договору с НИИ Профтехобразования г. Санкт-Петербург, где особое внимание уделялось методике обучения с применением АОС.

Параллельно с разработкой и внедрением обучающе –тренирующих систем продолжались работы по совершенствованию математических моделей и оптимизации технологических режимов на их основе. Остановимся еще раз на примере с оптимизацией мартеновской плавки, чтобы затем сосредоточиться на конверторном процессе.

Описанный выше опыт оптимизации теплового и окислительного режимов мартеновских печей был снова успешно использован, когда в 1979-80 годах осуществлялся перевод мартеновских печей КМК на природный газ. В связи с его высокой калорийностью и плохой светимостью факел визуально стал коротким и не покрывал даже половины длины ванны. Казалось естественным стремлением сталеваром к повышению тепловой нагрузки. Однако, это не только не дало эффекта, но и наоборот, привело к снижению окислительной способности газовой фазы печи и увеличению расхода руды в завалку и доводку. Продолжительность плавок возросла до 11-12 часов вместо 10-11 часов. Вместо ожидаемого положительного эффекта от использования природного газа Кузнецкий комбинат оказался в глубоком прорыве. Производительность мартеновских печей снизилась почти на 10% и это практически поглотило прирост производства от запущенного незадолго до этого второго электросталеплавильного цеха. На комбинат возвратился в качестве директора, перешедший на работу в Министерстве А.Ф. Кузнецов. Для анализа обстановки был привлечен ряд центральных НИИ, рекомендации которых были направлены главным образом на совершенствование конструкций топливосжигающих устройств.

Творческий коллектив нашей кафедры совместно с ТТЛ и ЦЛАМ КМК (Цымбал В.П., Калиногорский Н.А., Грицков В.С., Шерышев Ю.А., Хорошавин Е.Ф. и др.) - [31, 32] предложил вернуться к ранее (до перехода на природный газ) проверенным идеям повышения роли окислительной способности газовой фазы печи (за счет которой выгорает до 50 % углерода) и учета ранее упоминавшегося свойства саморегулирования кипящей ванны. Спланированные активные эксперименты позволили снова подтвердить правильность этих предпосылок и найти конкретные пределы рациональных режимов. В результате, как видно из поясняющей качественной схемы (рис. 4), оказалось возможным, с учетом сохранения постоянства количества окислительного углерода С (холм с плоской вершиной), перейти из области 1 (с большим расходом руды Gр, большой тепловой нагрузкой Qт и малым избытком кислорода ) в область 2 (с меньшим на 10-12% расходом руды, большим избытком и меньшей на 10-15% тепловой нагрузкой). Характер изменения продолжительности периода плавления должен отражать не показанный на этом рисунке овраг (или воронка). Как оказалось в результате последовательной реализации этих режимов и продолжительность плавки вернулась в нормальное русло. Мы подробно остановились на этом примере потому, что здесь как и ранее в 1970-71 годах был получен парадоксальный результат: достигнута огромная экономия руды и топлива (десятки тысяч тонн в год) и стабилизация технологии казалось бы из «ничего», благодаря многократно подтвержденной гипотезе, то есть из того, что мы теперь называем наукоемкими информационными технологиями. По результатам этих работ был создан пакет прикладных программ для исследования и оптимизации режимов работы [33, 34]. Этим вопросам были посвящены кандидатские диссертации Калиногорского Н.А., Мельника Г.Б. [32, 34].

Накопившийся к 1984-85 гг. собственный опыт математического моделирования, а также сформировавшиеся в науке методы и подходы были обобщены в монографии «Математическое моделирование металлургических процессов» [35]., которая была рекомендована в качестве учебного пособия, в настоящее время используется она практически во всех металлургических вузах и требует переиздания.

Теперь возвратимся на 5-7 лет назад и остановимся на направлении, связанном с исследованием, математическим описанием и оптимизацией конвертерного процесса.

Хронологически первой статье этого направления [36], под названием «Об одном подходе к моделированию сложных металлургических систем», авторы (В.П. Цымбал, Л.Г. Рыбалко, И.И. Ливерц, С.П. Мочалов) сделали попытку перенести в металлургию апробированные ранее в химической технологии подходы, связанные с разбиением системы на так называемые условно элементарные операторы, связанные с фундаментальными физическими закономерностями (идеальное перемешивание и вытеснение, тепло- и массоперенос, химическая кинетика и др). К этому подходу мы в последующем неоднократно обращались при попытках построения инструментальных систем моделирования.

Определенный след в изучении конверторного процесса оставили работы [37], связанные с косвенным контролем уровня шлака, в том числе на основе устройства, запатентованного Рыбалко Л.Г., Келем В.К., Ливерцем И.И. др. [38]. К этим вопросам мы возвратимся ниже при анализе несколько позже выполненных диссертационных работ.

Интересным и плодотворным этапом в направлении исследования и математического описания конвертерного процесса явилось сотрудничество с кафедрой физической химии и теории металлургических процессов, в первую очередь с д.т.н., профессором Шакировым К.М. (в то время кандидатом наук). Им была предложена физико-химическая модель процесса обезуглероживания, основная теоретическая предпосылка в которой состояла в том, что в первичной реакционной зоне осуществляется прямое окисление железа и углерода газообразным кислородом в соответствии с мольными долянием окисляемых элементов, а во вторичной реакционной зоне (точнее на межфазной поверхности) имеет место гетерогенно-кинетическое лимитирование скорости обезуглероживания, определенное прежде всего площадью межфазной поверхности, которая зависит от интенсивности продувки и положения фурмы.

Эта концепция оказалась плодотворной и была использована в качестве основы в диссертационных работах С.П. Мочалова, Р.С. Айзатулова, С.А. Шипилова, а также в математической модели тренажера «Конвертерщик» и одноименной компьютерной обучающей системе. Однако, путь от теоретической концепции до адекватной практически полезной математической модели, оказался весьма непростым. Понадобилось провести большое количество промышленных и модельных экспериментов, для определения констант гетерогенных реакций, зависимости межфазной поверхности от режима продувки и т.д.

Здесь прежде всего следует отметить диссертационные работы Р.С. Айзатулова и С.П. Мочалова [39, 40], в рамках которых (благодаря тесному сотрудничеству с Запсибом и активному участию Р.С. Айзатулова) удалось провести в ККЦ-2 очень сложные в организационно-технологическом отношении эксперименты (плавки с двумя-тремя промежуточными повалками, поддержание положения фурмы и интенсивности продувки на основе планов факторных экспериментов и т.п.), которые позволили экспериментально уточнить и идентифицировать неизвестные параметры математических моделей, получить весьма интересные данные по характеристикам свободного движения системы шлак – металл и динамике межфазной поверхности, влиянии ступенчатого изменения режима продувки на состав отходящих газов по данным непрерывного анализа и.т.п. [41, 42].

На основе машинных экспериментов на идентифицированной модели были получены оптимальные программы изменения положения фурмы и интенсивности продувки, которые позволили увеличить выход жидкой стали на 1% и повысить степень удаления фосфора и серы. При исследовании конвертерного процесса на модели получены также интересные теоретические результаты, один из которых представлен на рис. 5. Оказалось, что существует оптимальная программа изменения положения фурмы, при которой благодаря эффекту саморегулирования ванны значительные колебания содержания оксида железа в шлаке в середине плавки (на 8-9 минутах) к концу плавки стягиваются в достаточно узкий пучок. Естественно, что это облегчает задачу управления окисленностью шлака.

В связи с успешной практической реализацией этих результатов следует заметить в качестве положительного примера взаимосвязи науки и производства, что несмотря на большую занятость (будучи в то время главным сталеплавильщиком). Р.С. Айзатулов нашел время для серьезного знакомства с возможностями и методами математического моделирования, что позволило ему прочувствовать получаемые результаты непосредственно у пульта и экрана монитора аналоговой ВМ (в то время имеющиеся ЦВМ, например ЕС1022, не давали возможности интерактивного взаимодействия). Полученные при этом программные траектории изменения управляющих воздействий были включены в технологические инструкции и сразу начали давать конкретный эффект в виде уменьшения угара металла.

В диссертации С.П. Мочалова, кроме рассмотренных выше вопросов, решавшихся совместно в двух отмеченных диссертациях [39, 40], были также рассмотрены задачи создания модели – имитатора кислородно-конвертерной плавки, которая была использована при создании тренажера «Конвертерщик» [43, 44], а затем в тренажерно - обучающей системе на основе персональных ЭВМ [45].

В 1983-87 годах по тематике, связанной с конвертерным процессом были выполнены еще три кандидатских диссертаций [46, 47, 49], в которых самое активное участие в качестве научного консультанта принимал С.П. Мочалов. Первая из них принадлежит И.И. Ливерцу [46]. Ссылка на работы, на которых базировалась эта диссертация, уже были приведены выше [36, 37, 38]. Разработанный в этой диссертации способ контроля шлако - металлической эмульсии был использован в диссертации Е.И. Ливерца [47] в качестве одного из параметров технологического комплекса, описываемого с помощью аппарата нечетких множеств и математической модели вспенивания шлака, основанной на механизме витания капель металла и пузырьков [48].

Совершенствование математических моделей конвертерной плавки было продолжено в диссертации С.А. Шипилова [49], в которой был разработан алгоритм управления заключительным периодом продувки на основе моделей, учитывающих внутренние взаимосвязи процесса [50]. В рамках этой работы был также создан пакет прикладных программ СОД для статистической обработки опытных данных, который и до настоящего времени используется на кафедре, он был продан или передан по содружеству многим организациям.

В последующие годы также продолжались работы по математическому описанию, управлению и оптимизации конвертерного производства. Творческую группу молодых сотрудников (выпускников кафедры), занимающихся этими вопросами возглавлял С.П. Мочалов. Результаты этих исследований составили в последующем одну из глав его докторской диссертации. Здесь следует отметить попытку создания программного и технического обеспечения автоматизированной системы исследования управления дутьевым режимом конвертерной плавки [51], в которой участвовали Толстенев В.М., Ливерц Е.И., Клемашов С.В., Коротких В.Г., накопление опыта по освоению и созданию прикладного программного обеспечения и инструментальных систем моделирования молодыми сотрудниками (Красноперов С.Ю., Калашников С.Н., Кожемяченко В.И., Рыбенко И.А., Коротких В.Г., Климов В.Ю., Федотова Ю.И.) - [52], что в последующем явилось основой диссертационных работ первых четырех из перечисленных сотрудников.

На период с 1984 по 1995 годы приходятся работы по созданию методического обеспечения для ранее разработанных тренажеров и автоматизированных обучающих систем и обобщению результатов педагогического эксперимента, с упоминания о котором начиналась эта статья, тем более что в 1986 году произошел первый выпуск инженеров новой специализации, на основе которой отрабатывалась новая технология обучения. В этот период, начиная с организованного нашей кафедрой в 1984 году межвузовского совещания-семинара [43], сотрудники кафедры активно участвовали в разного рода методических конференциях, например, [53]. Наиболее широкий спектр вопросов вузовских технологий обучения был рассмотрен на межвузовских конференциях [54, 55], в труды которых включены несколько сотрудников нашей кафедры (Цымбал В.П., Мочалов С.П., Сакун А.Ф., Падалко А.Г., Буинцев В.Н., Шипилов С.А., Красноперов С.Ю., Рыбенко И.А., Кожемяченко В.И.). Эти вопросы были обобщены в научно – методической разработке [55], где рассмотрена двадцатилетняя ретроспектива педагогического эксперимента, основой которого является концептуально - деятельностный подход в сочетании с самообучением на математических моделях - имитаторах.

Еще одним интересным направлением деятельности сотрудников кафедры в этот период было участие в создании баз физико-химических, технологических данных и математических моделей для оптимизации металлургических технологий. Три всесоюзных совещания по этому вопросу были проведены в Днепропетровске, Кургане [56] и в 1991 году в Новокузнецке [57]. Это совещание было организовано нашей кафедрой совместно с кафедрой физической химии и теории металлургических процессов, при активном участии С.П. Мочалова и К.М. Шакирова. Совещание имело довольно широкое представительство и географию (Днепропетровск, Москва, Курган, Челябинск, Новокузнецк и др.), прошло на хорошем научном уровне, в нем приняли участие многие сотрудники кафедры [57]. К сожалению из-за распада Союза и экономических сложностей, следующего подобного совещания организовать не удалось, хотя некоторые из участников совещания продолжают личные контакты по обмену информацией.

В заключительной части статьи остановимся на новом научном направлении, которое связано с использованием в металлургии идей и принципов теории самоорганизации (синергетики). Отправной точкой здесь следует считать 1993 год, когда из популярной статьи Курдюкова С.П. и Малинецкого Г.Г. [58], мы узнали о формирующемся в науке новом научном направлении. И поскольку ряд явлений саморегулирования и самоорганизации мы уже наблюдали раньше в существующих металлургических процессах [3, 11], интуитивно мы оказались подготовлены к достаточно быстрому переносу этих идей в металлургию. В 1994 году на кафедре состоялся первый научный семинар на синергетике, затем было проведено еще несколько семинаров с привлечением представителей других кафедр. Два года понадобилось для более глубокого постижения фундаментальных работ этого направления Г. Николис, И. Пригожин [12], Г. Хакен [13] и других, появившихся к этому времени.

На основе этих работ в 1986 году впервые в периодической литературе по металлургии (именно в данном журнале) были опубликованы статьи, посвященные изложению основных идей этой теории и их переосмыслению применительно к металлургии [59], а в 1988 году совместно с Сакуном А.Ф., Мочаловым С.П. статья о явлениях самоорганизации в существующих сталеплавильных процессах [60]. В эти же годы эскизно было проработано большое число возможных вариантов конкретной аппаратурной и технологической реализации идей теории самоорганизации применительно к металлургии. К развитию и реализации этих идей в виде заявки на патентование в первую очередь были привлечены С.П. Мочалов и К.М. Шакиров. Идею создания опытного агрегата на Запсибе одобрили и приложили серьезные усилия для ее реализации Б.А. Кустов и Р.С. Айзатулов (в то время директор и главный инженер комбината), а директор Сибгипрмеза Н.И. Михеев и начальник сталеплавильного отдела А.И. Торопов взялись силами и средствами этого института выполнить первый проект опытной установки. В течении двух лет (1987 – 88 годов) было составлено весьма обстоятельное описание к патентной заявке (более 25 страниц), которая была принята патентным ведомством практически без корректировок с приоритетом от 24.11.88 г. [61]. В 1993 году на основе международной заявки РСТ/RV/00325 этот процесс был запатентован в основных металлопроизводящих странах [62]: США, Япония, Республика Корея, страны Европы. Кроме обычных для изобретения признаков (в виде последовательности операций и добавлений элементов в конструкцию агрегата) в описание к этому патенту была включена совокупность из девяти физических эффектов, среди которых можно выделить:

использование свойств саморегулирования реакций прямого и косвенного окисления углерода в системе под давлением;

создание в первом реакторе условий для значительного отклонения системы гетерогенных реакций от термодинамического равновесия;

создание в первом реакторе повышенного пульсирующего давления путем использования эффекта «самозапирания» соединительного канала в режиме критического истечения двухфазной среды;

создание высоких удельных поверхностей контакта фаз за счет распыления потока шихты встречными струями;

использование высокого слоя шлаковой пены во втором реакторе и соединительных каналах в качестве «мокрой» газоочистки.

Реализация совокупности первых четырех эффектов позволила создать своеобразный металлургический реактор – осциллятор, который обладает свойствами универсальности, может быть использован не только в черной и цветной металлургии, но и в других технологических процессах, где продукты реакции могут представлять смесь (эмульсию или газовзесь) газообразной и конденсированной или твердой фазы. Схема этого реактора представлена на рис. 6. Упрощенный механизм его действия поясним на примере продувки чугуна кислородом, хотя сейчас этот реактор используется в основном для прямого восстановления оксидов из пылевидных материалов.

При окислении железа и углерода чугуна газообразным кислородом имеют место следующие основные гетерогенные химические реакции:

[С] + 0,5{O2} = {CO}, (1)

[Fe] + 0,5 {O2} = {FeO}, (2)

(FeO) + [С] = [Fe] + {CO}, (3)

Эти реакции протекают на диспергированных встречными струями микрочастицах: каплях, пузырьках, твердых частичках (при подаче в реактор пылевидных отходов). Эти частицы играют роль микрореакторов, которые в ансамбле совокупностей создают в объеме реактора поле давлений, концентраций, температур, которое в свою очередь действует по обратной связи на процессы в каждом из микрореакторов. Таким образом, здесь конкретно реализуется принцип круговой подчиненности (и параметра порядка) – один из фундаментальных принципов синергетики (подробнее см. в [63]).

Реализация еще одного важного принципа синергетики – значительного отклонения системы от состояния термодинамического равновесия – достигается за счет выбора площади сечения соединительного канала таким образом, чтобы скорость истечения двухфазного потока q3 находилась в нелинейной области зависимости скорости этого потока от газосодержания



Эта зависимость иллюстрируется рис.7 – заштрихованная область.

Качественно характер изменения термодинамического потенциала в первом, втором реакторе и усреднительной емкости (устройстве доводки) представлен на рис. 8. Основы технологии процесса и конструкции агрегата опубликованы в [64, 65, 66], а также рассмотрены в отдельной статье.

После краткого знакомства с процессом рассмотрим как же развивалось это научное направление, обеспечившее создание нового металлургического процесса и агрегата. В отличие от традиционно существующих металлургических технологий и агрегатов, основы конструкции которых интуитивно определились еще в прошлом веке и лишь в шестидесятых годах были сделаны первые попытки их математического описания, в данном случае процесс создания опытной установки велся по классической схеме разработки современных наукоемких технологий: концептуально-теоретическая постановка задачи, разработка математических моделей, в том числе пригодных для инженерных расчетов, физическое моделирование, испытание отдельных элементов процесса и агрегата в производственных условиях и, наконец, проектирование и строительство крупномасштабной установки с автоматизированным экспериментом.

Естественно, что после того как концептуально были определены, описанные выше задачи и возможности использования идей и принципов теории самоорганизации, следующей важнейшей ступенью реализации этой схемы явилась необходимость создания взаимосвязанной системы математических моделей разных уровней, описывающих: материальные и энергетические потоки через агрегат в целом; процессы, протекающие внутри отдельных реакторов и на поверхностях раздела фаз; процессы в микрореакторах (микрочастицах). Эта сложная и весьма трудоемкая задача была поставлена и успешно решена в докторской диссертации С.П. Мочалова [67], что позволило быстро просчитывать, анализировать и оптимизировать различные технологические решения.

Естественно, что решение столь сложной задачи, к которой добавился еще целый ряд проблем, не под силу одному человеку. К счастью, нам удалось создать и сохранить относительно небольшой, но дружный коллектив молодых ученых, в основном выпускников н
^ Список ключевых работ творческого коллектива

С целью сокращения печатается без соблюдения стандартов

Цымбал В.П. Известия вузов ЧМ, 1962, № 4, № 6 и 1963, № 2.

Цымбал В.П. Моделирование процесса обезуглероживания стали в мартеновской печи на электронных математических машинах. Автореферат кандидатской диссертации,