Математическое моделирование, создание прикладных инструментальных систем и новых металлургических процессов и агрегатов на принципах самоорганизации

Математическое моделирование, создание прикладных инструментальных систем и новых металлургических процессов и агрегатов на принципах самоорганизации

Руководители научной школы – В.П. Цымбал, д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ;   С.П. Мочалов, д.т.н., профессор,  заслуженный работник   высшей школы РФ.
Коллектив научной школы  сформировался в основном в период  с 1980 по 1985 год. В его состав входят: доктора технических наук, профессора С.Н. Калашников, К.М. Шакиров, к.т.н., доценты А.Г. Падалко, В.Н. Буинцев, И.А. Рыбенко, В.И. Кожемяченко,  С.Ю. Красноперов, Л.А. Ермакова.
Этот коллектив поддерживает научные и деловые связи с Институтом теоретической и прикладной механики СО РАН, проектным институтом “Сибирский сантехпроект”, Научно-исследовательским институтом ком-плексных проблем гигиены и профзаболеваний СО АМН, Западно-Сибирским металлургическим комбинатом, Томской горнодобывающей компанией, Центром технологического аудита недроиспользования г. Москва и др.
Профессор В.П. Цымбал одним из первых в стране в 1960 году начал заниматься математическим моделированием металлургических процессов. Коллективом сотрудников кафедры  (В.Н. Буинцев, А.Ф. Сакун, А.Г. Падалко) и специалистов Кузметкомбината  под руководством В.П. Цымбала в 1975-1980 годах на большинстве мартеновских печей Кузнецкого и Карагандинского металлургических комбинатов были установлены аналоговые вычислительные устройства, позволившие снизить расход руды в завалку на 10-15%, расход условного топлива на 10-15 кг/т стали и экономить в год  до 20 тыс. тонн мазута. Эти  устройства, а также тренажер “Сталевар” проработали в мартеновском производстве много лет. Реализация  разработанных под руководством С.П. Мочалова в 1980-1981 годах математических моделей и оптимальных режимов продувки в конверторном производстве  Запсибметкомбината (при участии Р.С. Айзатулова, К.М. Шакирова, Е.И.Ливерца  и  других сотрудников кафедры), позволила повысить выход жидкой стали почти на 1%, что дало очень большую экономию средств (около 1 млн. рублей в ценах тех лет).
На основе созданных на кафедре математических моделей и проведенных психолого-педагогических исследований в 1975-1985 годах впервые в металлургии были разработаны тренажеры «Сталевар», «Конвертерщик» и др., которые внедрены  во многих учебных заведениях и заводах России, Украины и Казахстана, а с 1986 года было взято направление на разработку обучающих систем для персональных ЭВМ, а затем – на разработку электронных учебников.
В 1985-1990 годах по инициативе  профессора В.П. Цымбала было создано  новое для мировой металлургии направление: «Математические модели и новые металлургические процессы на основе принципов самоорганизации»,  в рамках которого разработан и доведен до реализации в виде опытной установки на Запсибе принципиально новый непрерывный металлургический процесс и агрегат типа  СЭР (самоорганизующийся струйно-эмульсионный реактор). Преимуществами процесса и агрегата типа СЭР являются: высокие скорости тепломассообменных процессов (в 100200 раз выше, чем в конвертере); малые размеры и материалоемкость агрегатов (в 1020 раз меньше, чем в традиционной металлургии); низкие сквозные энергозатраты (1517 ГДж/т); высокая экологичность и безотходность технологий, использование в шихте различного рода пылевидных материалов и отходов; управляемость, универсальность, мобильность; возможность выплавки различных металлов и реализации новой концепции создания мини-заводов и структурных изменений в металлургии. Процесс и агрегат запатентованы в большинстве  металлопроизводящих стран мира.
На кафедре информационных технологий в металлургии, начиная с момента ее образования в декабре 1980 года, идет интересный и даже, можно сказать, уникальный педагогический эксперимент, результатом которого явилась разработка своеобразной технологии вузовского образования под названием «Концептуально-деятельностный и самоорганизующий подходы к обучению».
Началом этого эксперимента следует считать приказ министра высшего и среднего образования РСФСР И.Ф. Образцова (декабрь 1980 года), об организации в СМИ лаборатории обучающих систем и технологических игр  и письмо зам. министра Минвуза РСФСР Ф.В. Садыкина (январь 1981 года), которым была разрешена подготовка в СМИ в опытном порядке одной группы инженеров со специализацией «Математическое обеспечение и применение ЭВМ в металлургии» по разработанному институтом учебному плану.
Научные исследования по этой проблеме и педагогический экспери-мент осуществлен коллективом кафедры информационных технологий в металлургии и лабораторией обучающих систем под руководством профессора, д.т.н. В.П. Цымбала в составе: профессора, д.т.н. С.П. Мочалова; доцентов, к.т.н. В.Н. Буинцева, А.Ф. Сакуна, А.Г. Падалко, С.А. Шипилова, Е.И. Ливерца, С.Н. Калашникова,  С.Ю. Красноперова, В.И. Кожемяченко, И.А. Рыбенко, Ю.А. Соловьевой и др.
В результате этих исследований была создана двухуровневая система с самообучением, в которой на первом уровне обучаемый контактирует с моделью данной предметной области, например, с моделью конверторной плавки. Обучение здесь идет по конкретным технологическим критериям на языке данной предметной области. На втором уровне системы осуществляется управление процессом обучения (уже по дидактическим критериям) путем поэтапного усложнения как модели предметной области, так и критериев обучения.
В период после 2000 года продолжались работы по созданию математических моделей и программно-инструментальнных систем для разработки новых металлургических технологий и учебного процесса. Разработан комплекс математических моделей и автоматизированная система проектирования  гарнисажного охлаждения металлургических агрегатов, что позволяет одновременно решать задачи обеспечения стойкости агрегатов с утилизацией тепла и большой экономии огнеупоров.
Продолжалось патентование процесса и агрегата типа СЭР. В 2004 году получен патент на «Способ получения металлов из рудных  материалов и агрегатов для его осуществления», реализация которого позволит, например, создать безотходную технологию переработки титано-магнетитовых руд с одновременным получением железа и кондиционного сырья (титанистого шлака) для титановой промышленности. В 2009  году получен патент  на «Способ прямого восстановления металлов с получением синтез газа и агрегат для его осу-ществления». Реализация этого изобретения позволит полностью исключить выбросы газа из металлургического агрегата, превращая их в энергетический или синтез-газ с его последующей подачей в агрегат каталитического синтеза для превращения в экологически чистое моторное топливо, стоимость которого превышает стоимость получаемого металла.
Ведутся фундаментальные исследования по разработке моделей синергетических процессов и синергетической  концепции создания новых металлургических процессов и агрегатов.
В 2001  году В.П. Цымбалом выпущено учебное пособие «Введение в теорию самоорганизации», а в 2004-2005 годах коллективом авторов - В.П. Цымбалом, С.П. Мочаловым, С.Н. Калашниковым – трехтомник «Модели и механизмы самоорганизации в технике и технологиях». В 2006 году в издательстве «Российские университеты» вышел учебник В.П. Цымбала «Математическое моделирование сложных систем в металлургии», предназначенный для подготовки магистров.
В 2001,  2006 и 2011 годах проведены всероссийские научно-практические конференции на тему «Моделирование, программное обеспе-чение и наукоемкие технологии в металлургии».  Выпущено три сборника трудов объемом около 500 страниц, которые хранится на Web-сервере.
В 2004 году под редакцией С.П. Мочалова выпущен сборник «Обу-чающе-тренинговые компьютерные дидактические системы и технологии в сфере технического образования».
В настоящее время проводится информационная компания по внедрению в производство разработанного  коллективом научной школы нового металлургического процесса и агрегата типа «Самоорганизующийся струйно-эмульсионный реактор» (СЭР).
За последние 5 лет  защищена 1 кандидатская диссертация, опубликовано 16 статей в журналах рекомендованных ВАК и 5 в зарубежных изданиях, получен 1 патент и 1 свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности, выпущено 2 электронных учебника, проведена 1 научная конференция. Объем выполненных НИР составил 41261,6 тыс. рублей.