CN108369067A - 用于确定输送机上的给料的质量的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
公开了用于确定由输送机在第一时间间隔△t期间卸放的给料的质量的方法和系统。所述方法包括:在输送机的特定区域中拍摄给料的连续数字图像,两个连续图像由具有比第一时间间隔△t短的持续时间的第二时间间隔δt分隔开;针对每个第二时间间隔δt:‑通过对与第二时间间隔δt相关联的所述两个连续图像进行数值处理来计算给料子体积在第二时间间隔δt期间在输送机的所述特定区域中的前进距离;‑确定给料子体积的至少一个横向高度轮廓;‑确定给料子体积的有效给料密度;以及基于针对每个第二时间间隔δt计算出或确定的前进距离、所述至少一个横向高度轮廓和有效给料密度来计算由输送机在第一时间间隔△t期间卸放到冶金炉中的给料的质量。
Description
技术领域
本发明总体上涉及用于对具有例如(钢)碎料和/或其他给料、例如直接还原铁(DRI,也被称为海绵铁)或者有可能生铁的冶金炉例如电弧炉进行装料的方法和系统。更具体地,本发明涉及用于确定由输送机供应到冶金炉中的给料的量的系统和方法。
背景技术
以连续或不连续的方式对冶金炉装以给料例如碎料的技术已被良好地建立。
专利EP2606305描述了一种用于控制和追踪由冶金炉的连续供应输送机输送的材料的装料的系统。该系统包括用于在连续供应输送机上根据预定装料配方对预先确定重量的材料进行装料的装载部分。系统通过识别装置标记装料。检测装载的装料的总体尺寸并且计算装载的装料的前进速度。EP2606305描述了用于检测前进速度的装置,所述装置可以包括用于在延迟时间中获取多个装料图像的装置,所述图像和相对获取时间然后被相互关联和处理。EP2606305的系统仅在相应的装载站处以及在装料部分被卸放在输送机上之前确定每个装料部分的重量一次。最后,系统确定装料到达炉中的时间。
尽管有以上公开内容,但是确定以令人满意的精确度进入冶金炉的给料的质量流在实践中仍然是一个待解决的问题。事实上,以EP2606305的系统的计算为基础的假设之一是,装载在输送机上的每个装料保持在一起并且作为一个整体前进。实际上,情况并非如此,尤其是在输送机是振动类型的输送机的情况下。在这种类型的输送机上,对碎料的前进进行建模(如果不是不可能的话)是复杂的。例如,人们可以观察到,相同装料的不同部分可能取决于许多因素以不同的速度前进。此外,在炉的每次馈料之后,装料可能会留在输送机上,并且下次将被装载到炉中。由于这些原因,最初装载在输送机上的装料部分的重量的知识通常不足以确定在任意时间处有多少给料被馈送至炉。
发明内容
本发明的第一方面涉及一种用于确定由输送机在第一时间间隔(在下文中被表示为△t)期间卸放到冶金炉例如电弧(炼钢)炉中的给料的质量的方法。该方法包括:
○在输送机的特定区域中拍摄给料的连续数字图像,两个连续图像由第二时间间隔(在下文中被表示为δt)分隔开,第二时间间隔δt具有比第一时间间隔△t短的持续时间(δt≤△t);
○针对每个第二时间间隔δt:
通过对与第二时间间隔δt相关联的两个连续图像进行数值处理
来计算给料子体积在第二时间间隔δt期间在输送机的特定区域中的
前进距离;
确定给料子体积的至少一个横向高度轮廓;
确定给料子体积的有效给料密度;以及
○基于针对每个第二时间间隔δt计算出或确定的前进距离、至少一个横向高度轮廓和有效给料密度来计算由输送机在第一时间间隔△t期间卸放到炉中的给料的质量。
如本文中所使用的,表述“给料”指代待装料到炉中的固体材料。例如,在用于钢生产的电弧炉的情况下,给料是含铁材料并且特别地包含(钢)碎料和DRI。可以值得注意的是,EP2606305依赖于最初测量的不同装料部分的重量的知识,并且在给料质量的任何后续计算上保持沉默。
优选地,该方法包括计算输送机上的给料子体积的前进速度和/或给料子体积到达炉的时间。
将理解的是,根据本发明的第一方面的方法从利用相机拍摄的数字图像中提取(针对每个第二时间间隔δt的)给料的前进距离。在给定的第二时间间隔中经过输送机的特定区域的给料的质量使得系统能够得出何时该质量将到达炉的入口并被卸放到其中。该系统因此可以跟踪炉的装料,并且还提前一段时间预期未来的装料。预测范围取决于输送机的在其处进行测量的特定区域与到炉中的入口之间的距离以及给料的前进速度。由于前进速度可以变化,因此预测范围也可以变化。然而,该时间可以被用于以优化其效率(在容量和/或功耗和/或操作成本方面)的方式来调整炉的操作参数。
如本文中所使用的,“时间间隔”是具有开始时间、结束时间和持续时间(开始时间与结束时间之间的差)的时段。在表述“第一时间间隔”和“第二时间间隔”中,序号“第一”和“第二”仅用于区分时间间隔的这两种类型,并且没有意在暗示任何时间上的层级或顺序。事实上,如以上所提及的,根据本发明的第一方面的方法可以是预测由输送机在未来的第一时间间隔期间卸放的给料的质量中的一个。
可以值得注意的是,第一时间间隔△t和第二时间间隔δt的持续时间都不需要是固定的,尽管出于简单起见,这可能是优选的。事实上,持续时间△t和δt两者均可以被动态地调整。
第二时间间隔的持续时间可以是相机的两个连续图像之间的时间或其整数倍(在此情况下,上面提及的两个连续图像在由相机拍摄的图像序列中不是最近的邻居)。可以通过选择在每个被保留用于数值处理的图像之后丢弃多少个图像来改变第二时间间隔的持续时间。如果相机的帧速率是可调整的,则可以经由帧速率的变化来调整第二时间间隔的持续时间。
优选地,计算在第一时间间隔△t期间卸放的给料的质量包括:
○针对每个第二时间间隔δt,基于所确定的前进距离、所述至少一个横向高度轮廓和有效给料密度来计算给料子体积的质量;以及
○对在第一时间间隔△t期间到达炉的给料子体积的质量进行求和。
所述方法优选地包括:对例如在相应的第二时间间隔δt期间在输送机的特定区域中对给料拍摄的数字图像进行数值分析,以便确定给料的颗粒尺寸分布(粒度测定)。
可以基于给料的颗粒尺寸分布来确定每个子体积中的有效给料密度。可以例如基于通过光学粒度测定确定的给料的颗粒尺寸分布并且使用其中有效给料密度与给料颗粒尺寸分布相关的查找表来确定子体积中的有效给料密度。作为可替选方案,所述方法可以使用经过训练的分类器,以基于相应的数字图像将有效给料密度分配至给料的每个子体积。在输送机的特定区域中拍摄的数字图像优选地被用作通过光学粒度测定测量的颗粒尺寸分布的基础。
可以基于给料的颗粒尺寸分布来动态地调整第二时间间隔δt的持续时间。细粉碎的给料的问题是,如果第二时间间隔太长,则给料的表面如相机所见那样可显著改变。这是由于由基础的振动运输机构所产生的振动。位于堆的顶上的给料颗粒可以被容易地移动,覆盖其他颗粒、在先前图像中仍然可见。因此,在较细的给料的情况下,减少第二时间间隔δt的持续时间可以是有利的,而在较大的给料情况下,可以增加第二时间间隔δt的持续时间。
优选地,如果由相机拍摄的图像是彩色图像,则用于计算前进距离的数值处理包括将彩色图像转换成灰度图像。除了数值处理的部分之外,还可以执行其他图像校正,例如裁剪、对比度调整和/或滤波。
用于计算前进距离的数值处理优选地包括:在两个连续图像中的一个图像中选择给料部分;以及在两个连续图像中的另一个图像中识别对应给料部分。所选择的给料部分优选地包含在两个连续图像中的一个图像的限定区域(例如,感兴趣区域)中。包含所选择的给料部分的感兴趣区域可以是矩形或圆形或任何其它合适的形状。感兴趣区域在图像内可以具有固定的尺寸和位置。可替选地,可以取决于图像的内容、即当前正被拍摄的给料来动态地调整感兴趣区域。可以例如通过第一图像中的感兴趣区域与第二图像中的感兴趣区域之间的互相关来完成在两个连续图像中的另一个图像中的所选择的给料部分的识别。当已经(通过互相关或以任何其他合适的方式,例如,图像配准或特征检测)找到给料部分在两个连续图像中的另一个图像中的位置时,该给料部分的前进距离以相机像素为单位是已知的。通过正确地缩放距离(沿行进方向)并且除以两个图片之间的时间间隔,可以轻松地计算出给料的前进速度。另一选择是例如在一个图像的不同区域中选择给料的一个或更多个单独的片,并且在另一图像中识别这些片。如果确定了所述单独的片以不同距离的移动,则这些距离的平均值可以被用作给料的前进距离。
缩放给料的前进距离和/或前进速度优选地基于当前正被考虑用于前进距离和/或前进速度的计算的相机与给料(部分)之间的距离来执行。该距离(在下文中被称为“视线”距离)可以根据与由相机成像的给料对应的横向高度轮廓来推断。将前进距离从像素单位转换成长度单位的比例因子取决于视线距离。如果高度轮廓的变化与视线距离相比是显著的,则动态缩放是优选的并且甚至可能是必需的,以便在前进距离和/或前进速度计算中实现期望的精确度。然而,如果输送机上的给料的高度水平或多或少是恒定的,则平均比例因子可以足以确定所考虑的图像之间的正确移动,并且因此计算给料的正确前进距离或前进速度。
根据所述方法的实施方式,在两个连续图像中的一个图像中选择给料部分包括:在光学上确定给料跨图像的颗粒尺寸分布;以及取决于颗粒尺寸分布来选择给料部分。优选地,系统选择其颗粒尺寸分布允许良好互相关的给料部分。例如,仅包含小给料片的图像区域可以导致第二图像中的不满意的识别结果。如果实现了动态选择,则可以优先选择具有较大的给料片的区域。用于动态地选择给料部分的另一标准可以是其在图像中的位置:将不会选择由于其移动而可能不会出现在其他图像中的任何给料部分。在两个连续图像中的一个图像中选择给料部分可以包括:可替选地或另外地,使用不同于颗粒尺寸分布的一个或更多个标准(例如,明亮和黑暗区域的分布,可识别边缘的存在等)分析图像中的一个图像的内容,然后取决于该分析的结果来选择给料部分。
根据本发明的第一方面的方法尤其适合与振荡型(或振动型)输送机结合。这一发现令人惊讶,因为给料在振荡输送机上的运动不是平移。事实上,随着给料向前移动,给料片之间存在显著的相对运动。由于给料中的每片都遵循其自己的独立轨迹,所以不能期望前进距离(或前进速度)的光学探测在产生有用的结果的同时将可能具有合理的计算时间。然而,令人惊讶的是,当基于相关的模式识别被用于检测前进距离时,结果就是这种情况。
本发明的第二方面涉及一种用于确定由输送机在第一时间间隔△t期间卸放到冶金炉例如电弧炉中的给料的质量的系统。该系统包括:
○被配置且布置用于在输送机的特定区域中拍摄给料的连续图像的一个或更多个相机,两个连续图像由第二时间间隔δt≤△t分隔开;
○用于确定给料子体积在特定区域中的至少一个横向高度轮廓的至少一个激光扫描仪或范围相机(例如,3D飞行时间相机);
○数据处理系统,该数据处理系统被配置用于:
针对每个第二时间间隔δt,通过对与第二时间间隔δt相关联的两个连续图像进行数值处理来计算相应给料子体积在第二时间间隔δt期间的前进距离;以及
基于针对每个第二时间间隔δt计算出、确定或固定的前进距离、至少一个横向高度轮廓和有效给料密度来计算由输送机在第一时间间隔△t期间卸放到炉中的给料的质量。
系统可以包括用于照亮一个或更多个相机的视场的至少一个照明模块,以便允许足够短的曝光时间,以降低信噪比并且增强图像的对比度。
优选地,所述一个或更多个相机被放置在输送机的上方、被选择成确保足够图像分辨率的距输送机的距离处。例如,在所述一个或更多个相机配备有标准光学器件的情况下,包含在输送机的横向宽度的一倍至三倍之间的所述一个或更多个相机距输送机的距离可能是合适的。
所述系统优选地被配置成执行根据本发明的第一方面的方法,并且特别适于配备有“连续”装料装置的冶金炉,例如电弧炉。
本发明的第三方面涉及一种用于操作由输送机将给料卸放到其中的冶金炉(例如,电弧炉)的方法。根据本发明的第三方面的方法包括:
○使用本发明的第一方面的方法来预计在第一时间间隔△t期间卸放到炉中的给料的质量,并且
○基于预计的给料质量来修改炉的操作参数;以及/或者
○基于炉的目标操作参数来修改卸放到炉中的给料的质量流。
炉操作方法因此使用预计来手动地或自动地控制炉的操作并且/或者校正(连续)装料过程。优选地,组合两种调节类型以便在最优制度下操作炉。
附图说明
附图示出了本发明的若干方面,并且与详细描述一起用于说明本发明的原理。在附图中:
图1:是用于炼钢的电弧炉的装料机构的示意图;
图2:包含由相机在不同时间处拍摄的示出了给料在输送机上的运动的两个图像;
图3:是输送机上的由大的片构成的给料的示意性截面图;
图4:是输送机上的由较小的片构成的给料的示意性截面图;
图5:是输送机上的给料堆的所检测到的高度轮廓的图形表示。
具体实施方式
图1至图5描绘了用于对炼钢电弧炉16进行装料的简化的系统10的各方面。装料系统10包括将给料特别是碎料存积在输送机14上的装载站12。输送机14是振荡式的,其由于不堵塞和自清洁性质而最适合于输送给料。
在朝向炉16在输送机14上输送期间,给料经过给料表征站18。给料表征站18连接至处理器20。处理器20将关于给料的信息发送至控制中心22。基于从给料表征站18接收到的信息,控制中心22中的控制器可以修改电弧炉16的操作参数并且/或者调节给料的未来质量流。这两种措施都用于尽可能有效地驱动电弧炉16。
给料装载站12通常包括移动起重机或类似的装置,其中,装载在输送机14上的给料的量未被控制或者至少未被精确地控制。因此,在时间间隔△t期间卸放到电弧炉16中的给料的质量不能仅仅依靠来自给料装载站12的信息(如果有的话)而被确定。此外,给料部件的形状、尺寸以及纵横比可以随时间显著变化。
给料表征站18用作在光学上确定给料沿输送机14的纵向方向的前进速度和质量分布的目的。给料表征站18定位在装载站12与电弧炉16之间,并且具有被固定在输送机14的上方、优选地包含在输送机14的横向宽度的一倍至三倍之间的距输送机14的距离处的作为主要部件的数字相机24和激光扫描仪26。对于具有2m的横向宽度的输送机14,相机24和激光扫描仪26可以例如固定在输送机14的上方2m至6m之间。
数字相机24以优选地被包括在从1Hz至30Hz的范围内的帧速率对通过给料表征站18的给料拍摄数字图像。相机24的视场28覆盖输送机14的整个宽度和输送机14的沿其纵向方向的一部分。作为示例,由相机24覆盖的区域可以是2米乘2米尺寸的输送机14。给料表征站18还包括例如包括LED的用于照亮相机24的视场28的照明模块30。
对于相机24的类型没有特定的要求,除了它优选地是配置成经受其暴露的环境状况的坚固的相机。
对由相机24拍摄的图像进行处理以提取给料的前进速度、给料的颗粒尺寸分布和有效密度。
前进速度的提取基于所谓的“图像配准”技术。在由相机24递送的图像序列中选择两个图像32-34。图像32-34可以是直接连续图像,但这不一定是优选的,尤其是在相机24具有高的帧速率的情况下。这些图像32-34之间的时间间隔δt被选择得足够小,使得给料的至少一部分存在于图像32-34两者中,尽管是在不同位置处。在图像32中的一个图像中,选择包含给料部分的所谓的“模板”36(子图像或感兴趣区域),并且处理器20尽力在第二个图像34中寻找同一给料部分38。在第二图像34中,该给料部分已相对于第一图像32移动了一定距离40。识别第二图像34中的该给料部分是通过将模板36与第二图像进行2D互相关来执行的。识别被认为是在其中互相关函数达到其最大值的区域中实现的。模板36与第二图像38中的区域之间的以像素为单位的距离与时间间隔δt中的给料的前进距离40相对应。基于相机24的先前做出的校准来执行从以像素为单位的前进距离40到实际前进距离40(例如,按公制单位)的转换。通过将前进距离40除以两个图像32-34之间的时间间隔,获得了平移速度。
处理器20优选地被配置成完全自动地提取前进速度。该算法可以包括一些图像预处理,特别是以便处理给料的高度可变的方面:类型(碎料或DRI)、尺寸、形状、颜色(干净的到完全氧化的)。
第一预处理步骤可以包括裁剪图像,以便移除无有用信息的边界区域。
在相机24拍摄彩色图像的情况下,可以执行包括将彩色图像转换成灰度图像的预处理步骤。该步骤不会减少或至少不会显著减少图像中存在的信息量,但是会显著降低互相关的计算成本。
图像的高对比度对于检测更具鲁棒性的最大互相关是有用的。为此,处理器20应用自适应直方图均衡例程来增加图像的对比度。
对于每个图像,可以使用所谓的“形态学图像开”技术来获得给料部分的粒度测定(颗粒尺寸分布)。该技术与在由结构元素((以像素为单位的)可变直径的或其他形状的开圆盘)构成的图像上传递掩模相对应并且对与经过该可变尺寸的结构元素的被成像的给料片的轮廓相关的像素的数目进行计数。该技术还可以被称为“光学筛选”。关于给料粒度测定的信息可以由处理器20使用以动态调整待跟踪的模板36的尺寸(以及可能的形状)。通常,较大的给料片比较小的给料片需要更大的模板以用于良好的位移检测。此外,该粒度测定数据可以用于向炉操作员给出关于何种类型或等级的给料当前在输送机上输送的更“客观的”信息的信息。
可以使用其他光学粒度测定技术。然而,“图像开”技术特别适合,因为优选地对通过根据“形态学图像开”技术实现的滤波而获得的图像执行互相关。那些经滤波的图像只包含具有特定范围内的直径(最大扩展)的特征。
激光扫描仪26被配置且布置用于在与给料的运动垂直(横向)的平面中对给料进行扫描42。扫描42提供经过给料表征站18定位的给料子体积的至少一个高度轮廓44。连续记录的高度轮廓44可以被组合以产生子体积的给料表面的3D表示。在图5中提供了给料输送机14的子体积的这样的3D表示的示例。替代(记录场景的独立切片的)线性激光扫描仪,给料表征站18可以可替选地包括3D激光扫描仪或3D飞行时间相机。
基于在光学上确定的颗粒尺寸分布,处理器20确定给料的有效密度。使用该信息结合高度轮廓44,可以计算给料子体积的质量。
给料子体积的质量的确定需要给料子体积的表观体积Vapp和其有效密度ρeff的知识。通常,可以将表观体积、有效密度、堆积体积V和堆积密度ρ之间的关系写为ρV=ρeffVapp。通过由激光扫描仪26测得的至少一个高度轮廓44已知表观体积Vapp。为了清楚起见,在图3和图4中描绘了两个示例,其中,给料的颗粒尺寸的分布具有高的、分别低的、平均的颗粒尺寸,而两个给料部分的表观体积Vapp近似相同。处理器20使用其中有效给料密度与给料颗粒尺寸分布相关的查找表来确定给料子体积的有效密度ρeff。在最后一步中,处理器20将有效密度ρeff乘以表观体积Vapp来确定给料子体积的质量。
虽然在本文中已详细描述了具体实施方式,但是本领域技术人员将理解的是,根据本公开内容的总体教导,可以开发对这些细节的各种修改和可替选方案。因此,所公开的特定布置仅意为是说明性的而不是限制本发明的范围,本发明的范围将由所附权利要求书及其任何和所有等同物的全部范围给出。
Claims (17)
1.一种用于确定由输送机在第一时间间隔△t期间卸放到冶金炉中的给料的质量的方法,其中,所述方法包括:
在所述输送机的特定区域中拍摄所述给料的数字图像,其中,两个连续图像由第二时间间隔δt≤△t分隔开;
针对每个所述第二时间间隔δt:
通过对与所述第二时间间隔δt相关联的所述两个连续图像进行数值处理来计算给料子体积在所述第二时间间隔δt期间在所述输送机的所述特定区域中的前进距离;
确定所述给料子体积的至少一个横向高度轮廓;
确定所述给料子体积的有效给料密度;以及
基于针对每个所述第二时间间隔δt计算出或确定的所述前进距离、所述至少一个横向高度轮廓和所述有效给料密度来计算由所述输送机在所述第一时间间隔△t期间卸放到所述炉中的所述给料的质量。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,计算由所述输送机在所述第一时间间隔△t期间卸放的所述给料的质量包括:
针对每个第二时间间隔δt,基于所确定的所述前进距离、所述至少一个横向高度轮廓和所述有效给料密度来计算所述给料子体积的质量;以及
对在所述第一时间间隔△t期间到达所述炉的所述给料子体积的质量进行求和。
3.根据权利要求1或2所述的方法,还包括:在所述输送机的所述特定区域中对所述给料拍摄的数字图像进行数值分析,以确定所述给料的颗粒尺寸分布。
4.根据权利要求3所述的方法,其中,基于所述给料的所述颗粒尺寸分布来确定所述子体积中的所述有效给料密度。
5.根据权利要求4所述的方法,其中,基于所述给料的所述颗粒尺寸分布并且使用其中有效给料密度与给料颗粒尺寸分布相关的查找表来确定所述子体积中的所述有效给料密度。
6.根据权利要求3或4所述的方法,其中,基于所述给料的所述颗粒尺寸分布来动态地调整所述第二时间间隔δt的持续时间。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法,其中,所述图像是彩色图像,并且用于计算所述前进距离的所述数值处理包括将所述彩色图像转换成灰度图像。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法,其中,用于计算所述前进距离的所述数值处理包括:
在两个连续图像中的一个图像中选择给料部分;以及
在所述两个连续图像中的另一个图像中识别对应给料部分。
9.根据权利要求8所述的方法,其中,在两个连续图像中的一个图像中选择给料部分包括:
确定所述图像中的所述给料的颗粒尺寸分布;以及
基于所述颗粒尺寸分布来选择所述给料部分。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法,其中,计算所述给料子体积在所述输送机上的前进速度。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法,其中,所述输送机是振荡型的。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法,包括:基于在所述给料的所述前进距离和/或所述前进速度的计算中当前正被考虑的所述相机与所述给料之间的距离来对所述前进距离和/或所述前进速度进行缩放。
13.根据权利要求12所述的方法,其中,取决于所述横向高度轮廓来动态地执行所述缩放。
14.一种用于确定由输送机在第一时间间隔△t期间卸放到冶金炉中的给料的质量的系统,所述系统包括:
能够在所述输送机的特定区域中拍摄所述给料的连续图像的至少一个相机,其中,两个连续图像由第二时间间隔δt≤△t分隔开;
用于确定给料子体积在所述特定区域中的至少一个横向高度轮廓的至少一个激光扫描仪或范围相机;
数据处理系统,所述数据处理系统被设计用于:
针对每个第二时间间隔δt,通过对与所述第二时间间隔δt相关联的所述两个连续图像进行数值处理来计算相应给料子体积在所述第二时间间隔δt期间的前进距离;以及
基于针对每个所述第二时间间隔δt计算出、确定或固定的所述前进距离、所述至少一个横向高度轮廓和所述有效给料密度来计算由所述输送机在所述第一时间间隔△t期间卸放到所述炉中的所述给料的质量。
15.根据权利要求14所述的系统,包括用于照亮所述至少一个相机的视场的至少一个照明模块,以便降低信噪比并且增强所述图像的对比度。
16.根据权利要求14或15所述的系统,其中,所述至少一个相机被放置在所述输送机的上方、包含在所述输送机的横向宽度的一倍至三倍之间的距离处。
17.一种用于操作由输送机将给料卸放到其中的冶金炉的方法,所述方法包括:
根据如权利要求1至13中的任一项所述的方法来预计在第一时间间隔△t期间卸放到所述炉中的给料的质量,
基于在所述第一时间间隔△t期间卸放在所述炉中的给料的质量来修改所述炉的操作参数;以及/或者
基于所述炉的目标操作参数来修改卸放到所述炉中的给料的质量流。
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