高炉冶炼过程的混沌性问题解决策略探究

盛天亮

摘 要：铁的生产分为高炉冶炼、直接还原和熔融还原三种方式。目前，高炉冶炼被使用的频率最高，其特点为生产效率高、自动化程度高，且可实现大规模生产。高炉系统是一种混沌系统，混沌是非线性系统中产生的一种不规则的现象。以唐山钢铁的高炉为样本，对高炉冶炼过程中的混沌性问题的解决策略进行了研究，并分析了采用关联积分法计算Kolmogorv熵以及测量可预测时间尺度的过程。

关键词：高炉；混沌性；非线性动力学；Kolmogorv熵

中图分类号：TF325 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.113

自1963年美国气象学家首次发现混沌现象以来，其迅速成为了国内外研究的热点问题。混沌研究的基础是对混沌系统的辨识，并从混沌系统的特性出发，研究高炉冶炼的过程。高炉还原铁的方法为用焦炭还原铁氧化物中的铁。高炉冶炼是一个相对复杂的过程，其特性包括非线性、时滞、高维和噪声大等。一直以来，相关研究人员都将高炉冶炼的过程视为随机过程进行过程控制，但根据非线性动力学的研究结果，该过程具有混沌性。本文选取河北唐山钢铁的高炉为样本，分析了高炉冶炼过程中的混沌性辨识问题，阐述了混沌性问题的解决策略，并计算了高炉冶炼过程中Kolmogorv熵的数值，测量了高炉的可预测时间尺度。

1 高炉冶炼过程的混沌性辨识

高炉冶炼的过程就是让燃料在高炉内经过物理、化学反应完成铁的还原和融化的过程。高炉的操作要求为安全、稳定和均衡。高炉冶炼的过程十分复杂，且处于密闭、高温的状态，因此，想要准确掌握炉内的温度分布情况较为困难。一般情况下，高炉内的温度通过高炉炉缸热状态指示灯显示，并通过铁水的含硅量反映炉缸的热状态。在此情况下，高炉操作技术的核心是对铁水含硅量的测量和优化控制。具体而言，对铁水含硅量的测量和优化控制分为以下2步：①滞后时间的确定。重构相空间时，通常会考虑到系统信息的丢失问题。因此，应先确定滞后时间，但实际重构相空间的滞后时间非常长，不相关误差、冗余误差较大，无法反映细节情况。在实际操作中，需要确定最佳的滞后时间，而确定滞后时间的方法较多，本文主要采用相关函数法。采用相关函数法能确定时间序列不同取值之间的依赖性，但为了确保重构相空间的矢量点能保持独立，这种依赖性不可过强。②饱和关联维数的确定。高炉冶炼的过程中存在很多不同结构的混沌吸引子。在对高炉冶炼系统优化的计算中可看出，不同混沌吸引子在冶炼过程中的焦比相差较大。通过饱和关联维数能反映混沌吸引子结构的复杂性，也能反映混沌吸引子的数量。因此，饱和关联维数不仅对混沌信号相空间的重构有重要影响，还为工作人员描绘混沌吸引子的结构特征提供了方便。

2 混沌性问题的解决策略

高炉本身是一个开放的体系，因此，从混沌动力学的角度分析高炉冶炼的过程是一个不错的方法。混沌作为自然界中的普遍现象，其特性包括不可预测、不可分解、周期点稠密和对初值极端敏感等。高炉冶炼的混沌性问题解可采用关联积分法计算Kolmogorv熵的数值和测量可预测时间尺度两种方法解决。Kolmogorv熵的计算方法包括最大似然估计法和关联积分算法，本文主要分析了关联积分算法。

在关联积分算法中，对Kolmogorv熵的定义为：对于自由度为F的动力系统，如果F维的相空间可以用尺度为E的盒子划分，则可解决动力系统奇异吸引子的轨道问题。在计算Kolmogorv熵的数值时，通常选取近似值，这样不仅能保持K的主要性质，还能区分周期运动、混沌运动和随机运动。利用Kolmogorv熵的计算结果，并采用唐山钢铁高炉铁水硅含量时间序列样本（采样间隔为2 h），经分析得出了最佳的滞后时间，且通过Kolmogorv熵的数值了解了高炉冶炼过程具有的混沌性，从而为混沌理论在高炉冶炼中的应用奠定了基础。此外，基于Kolmogorv熵下限值中为正的Lyapunov指数可估计高炉铁水硅含量的可预测时间尺度和采样时间间隔。

3 结束语

本文根据Kolmogorv熵的计算方法，以唐山钢铁高炉的铁水硅含量为样本，得出了在高炉冶炼过程中Kolmogorv熵的数值，并基于Kolmogorv熵的有限值分析了高炉冶炼过程具有的混沌性。Kolmogorv熵作为混沌系统的度量标准，在不同动力系统、时间序列中的数值不同。因此，可根据Kolmogorv熵的数值确定系统的状态，从而帮助工作人员采取有效的措施来降低高炉发生异常的概率。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕