CN1056719C - 熔炉设备 - Google Patents
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Abstract
熔炉(1)具有一个电极(13)及连接到供电网(20)的连接件(14),以便用电流在电极上形成一个电弧(16)。该熔炉设有一个电压脉冲发生部件(3),用于根据电弧的中断向熔炉提供电压脉冲,以便点燃电弧。
Description
本发明涉及一种由电弧炉构成的熔炉设备,这具有至少一个电极以及连接件,用于把熔炉连接到供电网,以便用电流在电极上形成电弧。
电弧炉的应用已经有很长时间了,例如用于炼钢。这种熔炉具有一或多个电极和炉体,在其中装入炉料。电极被连接到供电网,由电网向在电极与炉料之间和/或电极与电极之间燃烧的一或多个电弧提供电流。在电弧中产生的电流使炉料得到加热。
通常是用交流电压为电弧炉供电,也有些电弧炉用直流电压供电。在炼钢期间使用的一种典型的电弧炉中,炉料上方布置有三个电极,它们各自连接到三相供电网中的一相。可以按公知的方法用电极的位置控制装置来设置电极,也就是控制电极与炉料的距离,由此来控制电弧的长度。熔炉通常经一个熔炉变压器连接到电网,变压器一般都设有一个负载抽头转换开关,用于控制提供给熔炉的电压。
电弧炉的设计功率通常很高,因此,这种熔炉对供电网的影响以及对连接到电网上的其他用户的影响是很大的。特别是在某些操作方式下,例如在熔化炉料的过程中,电弧炉的操作状态是不稳定的。在电极和炉料之间会频繁地发生短路,从而产生浪涌电流。还可能发生一个电弧熄灭的现象,这会造成该相电流完全中断。这些故障通常是不对称的,会造成两相短路,而另一相无电流。这些现象在供电网中会造成明显的负载变化,而负载变化会导致电网的电压发生变化。
采用可控静态无功功率补偿的辅助设备可以减少上述电压变化中的低频成分。然而,由电弧炉造成的电压变化中的大部分处于大约4至8Hz的频率范围内,这种频率的电压变化会造成所谓闪光,它会损伤眼睛,也就是说,会使灯泡和其他光源的光强度发生变化,并且会造成其他干扰,例如使TV接收机的图象发生变化,同时,由于干扰的频率过高,不可能用可控的无功功率补偿措施把干扰降低到所需的程度。
除非供电网的短路功率比熔炉的额定功率大得多,否则,由于上述原因,电弧炉会对其他用户形成不利的干扰。
在达到熔相之后,炉中的电弧以较稳定的方式燃烧,可以减少上述的干扰。在熔相期间,电弧在电极电流的每个过零点处熄灭,并且在电极电压的下半个周期中当新极性的电压达到了一个足以点火的值之后被逐渐再点火。在每次熄灭与随后的点火之间,即每半个周期中有一个无电流间隔。这些无电流间隔会使电弧所产生的平均功率下降,从而影响熔炉的产量。因此希望尽可能地缩短无电流间隔时间。
在现有技术中已知可以在电极的供电线路中连接附加的电感,以便在电流过零点之后加快再点火,这样使得无电流间隔时间减短,然而,从熔炉设备整体的角度来看,这种方法会降低功率因数和电流幅值,但另一方面却能延长燃弧时间,因此则有可能提高熔炉的产量。同时,熔炉设备的成本及其中的损耗也会增加。
本发明的目的是提供一种如说明书引言部分中所述的那样一种设备,它不增加设备的损耗或是无功功率吸收,可以减少熔炉对供电网的干扰(即闪光),并且能缩短无电流间隔的长度,因此就可以使熔炉的产量提高。
在附加的权利要求书中更详细地描述了本发明的设备所具有的特征。
按照本发明的一个实施例,与熔炉并联地构成一个短路通路,当短路通路被断开时,就产生一个电压脉冲。可以用断开一个电感性电路的简单方式来产生电压脉冲,并且所需的附加设备最少。最好是利用可控硅点火来形成短路通路,最好是选用控制极关断闸流晶体管(GTO),将其设在一个可以关断并且与熔炉相并联的可控硅电路中,并且通过关断上述可控硅来断开短路通路。
已经得到证实,如果相对于电弧中断经过一定延迟再产生用于点火的电压脉冲,本发明的效果会更明显。在大多数情况下可以证实,这一延迟的量值可以影响由熔炉产生的干扰的量值和频谱,并且能影响熔炉电流的量值以及无电流间隔的长度。因此,按照本发明的一个实施例,延迟是根据某些适当的检测参数或是检测参数的函数受到控制的,从而在受到延迟影响的参数之间获得一种最佳的关系。
以下要参照附图1-7解释本发明。
图1示出了按照本发明的一例设备,图2示出了用于该设备的脉冲发生器的控制装置,图3a和3b表示了该设备的函数。
图4示出了按照本发明的另一实施例的设备,其中的电压脉冲是通过闭合并随之断开一个与熔炉并联的电感性短路通路而产生的。
图5示出了图4中所示设备的三相形式,图6示出了用于这种形式的一例控制装置,而图7示出了该设备的函数。
图1示出了按照本发明一个实施例的熔炉设备的单线图。熔炉设备包括一个示意性表示的电弧炉1,其炉体10带有一个底部触点11,触点11与装在炉体内的炉料12保持电接触。炉电极13被设在炉料上方。该电极具有连接导线14,底部触点具有连接导线15。在熔炉的操作过程中,电弧16在电极和炉料之间燃烧。
电网20通过一个带有负载抽头转换开关的熔炉变压器向熔炉供电。变压器的附边绕组通过一个电抗器22连接到熔炉的连接导线14。一个脉冲发生器3与熔炉并联地连接,并且按照下文所述的方式在熔炉两端施加电压脉冲。
一个例如电压互感器的电压测量件23被连接到熔炉上,并且响应熔炉电压的瞬时值向脉冲发生器传送一个信号“u”。一个例如电流互感器的电流测量件24被连接在熔炉的供电导线中,并且响应由变压器提供给熔炉的电流的瞬时值,向脉冲发生器提供信号“i”。信号“u”和“i”在下文所述的方式中被用于控制脉冲发生器3,以便向熔炉提供具有适当极性和适当相位的电流脉冲。
熔炉可以是由单相电网供电的单相炉,与此对应的设备如图1所示。另一方面熔炉也可以是一个三相炉,并且通过一个三相熔炉变压器由三相电网为其供电。在这种情况下,熔炉中可以没有底部触点,而脉冲发生器3则可以连接到三相电极的连接导线,并且在电极之间向熔炉提供具有适当极性和适当相位的电压脉冲,而不是象图1中那样在电极和底部触点之间施加电压脉冲。
按照公知的方式,电感22可以由连接在熔炉变压器和熔炉之间的一个独立电抗器构成。由于本发明的一个显著优点就是可以采用比现有技术中较低的串联电感而实现稳定的操作,可以完全去掉独立的电抗器,而图1中的电感22则是由电网,熔炉变压器及连接导线14的电感构成的。
图中的仅是示意性地示出了熔炉1,它本身还可以包括附加的适当或必要设备及特征,例如用于控制电极和变压器带负载抽头转换开关的位置控制装置。
脉冲发生器3被连接到熔炉的电极连接导线14。它可以提供双极性的电压脉冲,并且包括分别用于每个极性的电容器31a和31b,分别由整流器33a和33b构成的电容器充电部件,整流器由交流电压源供电,以及分别与每个电容器串联连接的控制极关断闸流晶体管(GTO)32a和32b。两个整流器各自由一个可控整流器构成,按公知的方式控制其电流和电压,以便按适当速度为电容器充电并使电容器电压达到适当电压。另外,脉冲发生器3包括一个低电阻值的电阻34,选择其电阻值,把电容器通过闸流晶体管放电的电流限制在容许的值。脉冲发生器还包括一个过电压保护装置35,它由一个变阻器构成,用于保护脉冲发生器及其内部元件,并且保护其他的熔炉电路,特别是熔炉变压器。最后,脉冲发生器还包括一个控制装置36,它接收测量参数“i”和“u”,并且向闸流晶体管32提供点火和关断脉冲。
图2示出了控制装置36的结构。信号“i”和“u”分别被提供给电平检测电路361,362和363。电路361被用来产生输出信号i0,该信号在熔炉的电流为零时,即在实际情况下电流低于一个低限值时等于“1”。电路362产生信号u+,该信号在熔炉电压为正,即电压超过一个低的正值时等于“1”。电路363产生信号u-,该信号在熔炉电压为负时,即在电压低于一个低的负值时等于“1”。信号i0被提供给两个AND电路364和365的输入端之一,而信号u+和u-被提供给AND电路的另一输入端。在达到“i”为零而“u”为正的状态时,电路364的输出信号P+从“0”变成“1”。该信号被供给具有延迟“t”的延迟电路366的差动输入端。延迟电路在达到上述状态后的时间“t”产生一个脉冲t+。这一脉冲被提供给控制脉冲装置368,使其向闸流晶体管32a的点火电极321a发出点火信号,并且在此后的预定时间向同一闸流晶体管的关断电极322a发出关断信号。
与此相似,在达到“i”为零而“u”为负的状态时,电路365的输出信号P-从“0”变成“1”。该信号被供给具有延迟“t”的延迟电路367的差动输入端。该延迟电路在达到上述状态后的时间“t”产生一个脉冲t-。这一脉冲被供给控制脉冲装置369,并使其向闸流晶体管32b的点火电极321b发出一个点火信号,并在此后的预定时间向同一闸流晶体管的关断电极322b发出一个关断信号。
电路366和367中的时间延迟可以适当地定在1ms的量级,各个闸流晶体管32a和32b在点火和关断之间的时间可以定为100μs。
在电压和电流为负值的半周之后,电弧16被熄灭,检测电流变为零,而熔炉电压为正。经过延迟“t”之后,闸流晶体管32a被导通并随之很快被关断(在本例中持续100μs),电容器31a就会通过闸流晶体管放电,并把一个高值的短电压脉冲提供给电极。从而比其他情况下较早地点燃电弧。按照相应的方式,在电压和电流为正值的半周之后利用闸流晶体管32b向熔炉提供负电压脉冲。与此相似,如果在除了熔炉电流的半周结束时之外的其他时间发生电弧的中断,本发明的设备也可以操作。这种中断由信号i0变为“1”来表示,该状态可以向熔炉提供一个电压脉冲,从而迅速并可靠地重新点燃电弧。按照上文所述,电路362和363可以确保电压脉冲的正确极性。
电容器的充电电压及其所提供的相应的电压脉冲的幅值可以达到一或几KV的量级。
每个闸流晶体管均按公知的方式设有适当的一个所谓缓冲电路,也就是一个与闸流晶体管并联连接的RC电路,或是设有另一种用于减小闸流晶体管电压上升速度的电路,并且用于在关断闸流晶体管时限制其电压的最大值。
按照本发明所提供的电压脉冲通常可以使熔炉电流的量值有所增加,显著地缩短死机时间(即电弧在熄灭和重燃之间的时间),并且在点燃电弧之后更迅速地产生电流。因此,本发明的一个重要的优点就是在熔炉电流的每个半周期间明显地增大了有电流的时间区,从而可以明显地提高熔炉的产量。通过对电流过零点和电压脉冲之间的时间延迟进行选择,还可以增强本发明的良好效果。当熔炉电流低且死机时间长时,延迟具有特殊的优选性。
图3a和3b示出了本发明的效果。图中示出了供电电压u(变压器副边电压),熔炉电压u(近似等于电弧电压)及熔炉电流i。图3a示出了在一个交流电压周期中按以往公知的方式操作时的状态,也就是没有本发明的电压脉冲时的状态。图3b同样示出了在一个周期中按照本发明进行操作时间的状态。电压脉冲用标记“SP”表示。从图中可见,借助本发明可以明显地缩短死机时间dt,由此会使熔炉设备的功率因数显著提高。同时还可使电流值有所增加,并且明显地增大电流时间区,从而提高熔炉的生产率。在这种操作条件下,向熔炉提供50Hz,400V的交流电压。图1中的电感22为10μH。电路366和367的延迟“t”为1ms。从图中可见,熔炉的电流值从25KA左右提高到40KA左右,死机时间由2ms左右缩短到1ms左右。这样就以一种简单且经济的方式明显地改善了熔炉的操作性能。电压脉冲中的大部分能量被提供给了电弧,也就是供给了熔炉,因此,在本发明的电压脉冲发生电路中的功率损失很小。
在熔炉工作在中高或高电流条件下并且死机时间已经很短的情况下,若能缩短或完全消除上述延迟将会是有益的。因此,最好使电路366和367中的延迟按照熔炉的操作状态而改变。这种改变在图2中可以用提供给该电路的控制信号S(虚线)来实现,该信号用于控制延迟“t”的量值。这一控制信号可以由人工操作,以便把延迟调整到能达到最佳操作状态的值。另一方面也可以根据一或多个检测到的操作变量来自动地控制延迟量。图2中示出了如何把多个检测到的操作变量a1,a2,a3,a4提供给控制单元360的情况,控制单元360计算且产生控制信号S,该信号在各种情况下按照这些检测到的操作变量的预定函数给出最佳的延迟。如上所述,可用于控制延迟的适当的操作变量可以是熔炉电流的平均值和死机时间。
以上以通常是复杂并且不能完全预料到的方式验证了本发明的效果,它取决于上述时间延迟的数值。反之也可以按照控制工程领域内的公知方式对控制单元360进行优选设计。可以向其连续地提供一或多个受到延迟影响的参量,或是由其自身根据测得的操作变量来决定,而这些参量是可以借助本发明被优化的。例如,这些参量可以是在一定频率范围内的摆动量,无功功率损失,以及熔炉的平均电流。控制单元按照这些变量的预定函数计算出一个最佳变量。该函数是根据最佳操作状态来选择的,由此来确定是否应把最佳变量定为最小(或最大)。例如,该函数可以是简单的线性关系:
T=K1·a1+K2·a2+K3·a3+……其中a1,a2等等是不同的操作变量,而K1,K2等等是为各个操作变量选择的加权系数,而其中的T是最佳变量。这种控制单元按照公知方式自动并连续地调整控制信号S,并由此来校正延迟,并且由控制单元检测出由于延迟所选择的变量T的改变。其工作方式是把变量T一直保持在最小(或最大),从而按照由最佳函数所预定的准则使熔炉一直保持最佳的操作状态。
图4示出了本发明的熔炉设备的另一个实施例。其与图1所示实施例的区别在于电压脉冲发生部件3的结构不同。由于去掉了电容器及其充电设备而得到了明显的简化。与图1不同,短路通路30a,30b与熔炉并联连接,以便能将熔炉短路。为了分别闭合及断开短路通路,在通路中连接了关断闸流晶体管32a和32b。当一个电压脉冲被产生时,例如正电压脉冲,相应的闸流晶体管就被点火,此时被点火的是32a。短路通路30随之被闭合,由熔炉的供电电压驱动的快速增大的短路电流流过电抗器22和短路通路。在一个经选择可以使电流达到一个高值,但是该值又不超过闸流晶体管电流容量的时间间隔之后,闸流晶体管被关断。短路通路随之被断开,而在电感中感生的一个电压为熔炉提供了一个高值的正电压脉冲。导通和关断之间的间隔在参照图3所述的操作状态下可以是大约500μs,这意味着在关断闸流晶体管之前可以产生量值为10KA量级的最大短路电流。在一定程度上取决于缓冲电路的规格和结构,它足以产生足够量值的数KV电压脉冲,快速并可靠地使电弧重新点燃。
每个闸流晶体管设有一个由电容324a,324b与电阻325a,325b串联构成的缓冲电路。电阻与二极管323a,323b并联连接,二极管的导通方向与闸流晶体管相同,其原因是为了在关断过程中提供较缓慢的电压上升,以便按公知的方法促使其关断。
控制装置36可以设计成与图2中所示情况相同,并且图4所示的设备的功能和效果总地来说与图1-3所描述的设备的功能和效果相同。
变阻器35限制了脉冲,从而保护了脉冲发生装置中及其元件,同时也保护了熔炉电路,特别是熔炉变压器。
在图2所示的控制装置中,每个闸流晶体管在预定时间周期内被导通,例如导通500μs。另一方面,可以对通过导通的短路闸流晶体管的电流进行测量并且在电流达到预定值时关断闸流晶体管,例如在电流达到1KA-10KA范围内的某一值时,这主要取决于短路闸流晶体管的电流容量。
通过适当的变更,以上参照图1-4描述的本发明的实施例可以用于单相和多相的熔炉。在实际应用中的熔炉的类型通常是三相的结构。这种熔炉通常没有底部触点,并且炉料在这种情况下是不导电的。在这种熔炉中,不能直接应用具有上述结构的设备。
图5示出了向熔炉提供三相电弧的设备。供电网20是一个三相网,熔炉变压器21是三相变压器。在图中把熔炉表示成了三个单相炉1r,1s,1t,但实际上它是由装有炉料的一个炉体构成的,在其上设置了三个电极13r,13s,13t。该设备按照以上参照图4所述的原理产生电压脉冲,然而,此时的短路通路是在熔炉的三个连接导线14r,14s,14t之间形成的。这是利用连接在连接导线之间的闸流晶体管的连接32sr-32rs,32ts-32st,32tr-32rt来实现的。每个这种连接由两个反并联的关断闸流晶体管构成。闸流晶体管设有缓冲电路,例如与图4所示类型相同的缓冲电路,但在图中为了简化而没有示出。
闸流晶体管的控制设备可以模仿图2所示的设备来设计。在图6中示出了该设备中用于控制闸流晶体管32rs和32sr的那一部分的实例。检测相r中的电流ir,如果电流的绝对值低于预定的低电平,电平检测器361rs就发出信号ir0=“1”。该信号被提供给AND电路364rs和365rs。检测相r与s之间的电压urs并将其提供给电平检测器362rs和363rs。如果电压为正,前一个检测器就发出信号urs+=“1”,若电压为负,后一个检测器就发出信号urs-=“1”。这些信号被提供给AND电路364rs和365rs。与图2所示的电路中相仿,当电路364rs的两个输入信号均为“1”时,就发出为闸流晶体管32rs点火的信号P+。当电路365rs的两个输入信号均为“1”时,它就发出为闸流晶体管32sr点火的信号P-。信号P+和P-被提供给延迟电路366rs,367rs的差动输入端,并且延迟是可控的。这些延迟电路的输出信号t+和t-被提供给控制装置368rs,369rs,它们分别向闸流晶体管32rs和32sr提供导通和关断信号。
图6所示的电路及上述操作完全是模仿了上文中参照图1-4所述的方式。当一相(r)电流为零时,连接到供电交流电压相序(rst)的下一相(s)的两个闸流晶体管(32rs,32sr)之一被点火,这其中可能有一个延迟。这些闸流晶体管中仅有一个可以载流,这取决于哪一相的电位最高。电平检测器(362rs,363rs)保证了这一最高的闸流晶体管被点火(并且在使得短路电流达到适当值之后被关断)。在下一半周期间,二者中的另一个闸流晶体管被点火。
用于其他两对闸流晶体管的控制电路的结构及其操作模式与上述情况完全相同。
图7示出了图5和6所示设备的操作模式。在图7中所示的熔炉的三相电流ir,is,it是时间t的函数。从图的最左端看起,ir为正并且是下落的。当ir变为零时,闸流晶体管32sr在t=t1被点火,而供电电压驱动一个短路电流流经该闸流晶体管和电感22r,22s(相s中的电压相对于相r中的电压为正)。在这一间隔中,相s中的部分熔炉电流流经闸流晶体管32sr。在t=t2时,该电流达到了足够高的值,闸流晶体管32sr被关断。这样就在熔炉的相r中感应出一个负电压脉冲,该脉冲使该相的电弧立即被点燃,而高电流立即开始流通。在上述过程期间,相t中的电流仅受到很小程度的影响。
在t=t3时,闸流晶体管32tr被点火,并且当其在t=t4时被关断时向熔炉的相t提供一个正电压脉冲,从而点燃该相的电弧。
在t=t5时,闸流晶体管32ts被点火,当其在t=t6时被关断时,向熔炉的相s提供一个负电压脉冲,从而点燃该相的电弧。
在t=t7时,闸流晶体管32rs被点火,当其在t=t8时被关断时,向熔炉的相r提供一个正电压脉冲,从而点燃该相的电弧。
在t=t9时,闸流晶体管32rt被点火,当其在t=t10时被关断时,向熔炉的相r提供一个负电压脉冲,点燃该相的电弧。
在t=t11时,闸流晶体管32st被点火,并且当其在t=t12被关断时,向熔炉的相t提供一个正电压脉冲,从而点燃该相的电弧。
在图7中为了简化而假定短路闸流晶体管是在熔炉电流变为零的同时被点火的,也就是说假定延迟电路366rs和367rs的时间延迟被定为零。如果这些电路中的延迟大于零,其功能仍与图示的情况相仿。
本发明的上述实施例是针对a.c.炉而言的。然而,本发明仍可以为d.c.炉提供明显的优点,因为在这种炉中也存在电弧中断问题,特别是在熔化炉料的过程中。由于本发明提供了一种快速并有效地重新点燃电弧的方式,在这种情况下仍可以实现平滑的操作,也就是说,可以减少熔炉对电网的影响,并且增大熔炉的平均电流,由此就能提高熔炉的产量。
本发明的上述实施例表示了根据熔炉电流的过零点,也就是在电弧中断的情况下向熔炉提供单个电压脉冲的情况。按照本发明的电弧点火方式也可以改成向熔炉提供两个或更多脉冲,而不只单个脉冲,例如提供高频脉冲串形式的脉冲。同样,在本发明的实施例中所述的情况是根据熔炉电流的每个过零点(每当电弧中断时)向熔炉提供单个电压脉冲。尽管这是一个优选的实施例,仍可以在本发明的范围内对控制电路进行修改,以便根据某种预定条件仅在电弧出现某种类型的中断时才向熔炉提供重燃电弧的电压脉冲。
Claims (12)
1.熔炉设备,包括带有至少一个电极(13)的电弧炉(1)以及用于把熔炉连接到供电网(20)的连接件(14),以便用电流在电极上产生电弧(16),其特征是该设备包括脉冲发生部件(3),用于根据电弧的中断向熔炉提供至少一个用于重燃电弧的电压脉冲。
2.按照权利要求1的熔炉设备,其特征是脉冲发生部件(3)包括一个可控的短路通路(30a,30b)连接到熔炉的连接件(14),同时还连接到部件(32a,32b,36),部件(32a,32b,36)被用于闭合短路通路并随后断开短路通路,从而产生一个电压脉冲。
3.按照权利要求2的熔炉设备,其特征是在至少一个连接件(14)与供电网(20)之间设置有电感件(22)。
4.按照权利要求2或3的熔炉设备,其特征是短路通路包括可以用控制信号关断的闸流晶体管连接(32a,32b),上述短路通路(30a,30b)通过对包括在闸流晶体管连接中的闸流晶体管(32a,32b)点火而被闭合,并且通过关断该闸流晶体管被断开。
5.按照权利要求2所述的熔炉设备,包括一个具有多个电极(13r,13s,13t)的多相电弧炉(1r,1s,1t),以及用于把各个电极连接到交流电压供电网(20,21)的一相上的相导线(14r,14s,14t),其特征是其中包括多个短路通(32st,32rs,32ts,32st,32tr,32rt),它们各自被设置在两相的导线之间。
6.按照权利要求5的熔炉设备,其特征是其中包括用于一个电极(13r)的短路通路(32sr,32rs),该通路设在该电极的相导线(14r)与交流电压网的相序(rst)中紧随该相之后的电极(13s)的相导线(14s)之间,以及部件(361rs-369rs),用于在上述电极(13r)的电弧中断时闭合短路通路,并随后将其断开。
7.按照权利要求1的熔炉设备,其特征是脉冲发生部件(3)包括一个预充电的电容器(31a,31b)以及用于将电容器连接到熔炉的开关部件(32a,32b)。
8.按照权利要求1所述的熔炉设备,其特征是还包括电流检测部件(24,361),用于检测电极电流的中断,从而检测出电极电弧的中断,并且作用于脉冲发生部件使其产生一个电压脉冲去重新触发电极上的电弧。
9.按照权利要求1所述的熔炉设备,其特征是脉冲发生部件(3)被用于在上述电极的电弧中断之后经过一个延迟后为该电极产生电压脉冲。
10.按照权利要求9的熔炉设备,其特征是脉冲发生部件(3)包括用于控制延迟的控制部件(360)。
11.按照权利要求10的熔炉设备,其特征是,脉冲发生部件包括部件(360),用于检测熔炉中的一个操作变量(a1,a2,a3,a4),并且根据该操作变量去控制延迟。
12.按照权利要求10的熔炉设备,其特征是脉冲发生部件包括部件(360),用于形成一个优化的变量(T),并且根据这一变量去控制延迟。
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