陶瓷坯釉配方优化方法

陶瓷坯釉配方优化方法陶瓷采购网1、优化方法简介 为了使某些目标达到最好的结果，就要找出使此目标达到最优的有关因素（或变量）的某些值（通常称为最优点、最优解或近似最优解）。

这类问题在数学上称为最优化问题。

在工程设计、科学研究、经济管理等领域中，可以提出下面一类非常广泛的问题，在约束 h1(X)=0 I=1, 2, 3,…… m (1) g1(X)≥0 j=1, 2, 3,……p (2)条件下，求函数f (X)的极小值。

其中X∈En，式（1）称为等式约束，式（2）称为不等约束，f(X)秒为目标函数，这类问题称为非线性规划问题。

一般的非线性规划问题也可以效地转化成无约束规则问题。

陶瓷坯釉配方所使用的原料种类较多，各种原料的矿物组成及化学组成也比较复杂。

在配方计算中，要使坯或釉的化学组成或某些性能满足预定要求，又要使某些原料的用量在一定的范围以内，因此，这类计算基本上属多变量的非线性规划问题。

在釉配方计算中，如果只满足某些性能要求，不限制各种原料的用量，则属于无约束规则问题。

求解无约束优化和约束优化的计算方法很多，本文选择了复合形法、网格法（以上属约束优化）和单纯形法（无约束优化）。

兹就其优化原理简述如下： （1）复合形法本方法用于求解具有不等式约束的多变量（一般在20以内）的优化设计问题。

它是非线性约束的几维设计空间内，取2n 个顶点构成复形，然后对复形的各顶点函数值逐一进行比较，不断地丢掉最坏点，代之以既能使目标函数有所改善，又满足约束条件的新点，逐步调向最优点。

（2）网格法网格法又称为连续变量法、等距离法，用于求解约束非线性规则问题，即求多元函数的约束极小值。

网格法是一种直接法，对函数无特殊要求。

网格法就是在估计的区域内打网格，在网格点上求目标函数与约束函数之值。

对满足约束函数的点，再比较其目标函数值的大小，从中选择小者，并把该网格点作为一次迭代的结果，然后在求出的点的附近将分点加密，再打网格，并重复前述计算与比较，直到网格的最大间距或目标函数小于预定值时，则终止计算。

（3）单纯形法本方法用于求几元函数的无约束极小值。

它是对几维空间的n+1个点（它们构成一个初始单纯形）上的函数值进行比较，去掉其中函数值最大的点，代之以新的点，从而构成一个新的单纯形，这样，通过迭代逐步逼近极小点。

2、坯料配方优化设计的数学模型在坯料配方的优化设计中，考虑到瓷坯的性能指标，工艺参数等受工艺过程的影响很大，而且不可能建立相关的表达式，因此，不能直接以其性能指标作为优化参数，只能根据瓷坯化学组成与性能的关系，通过对瓷坯化学成分含量的控制，达到控制其性能指标的目的。

（1）已知条件a.使用原料的种类及各种原料的化学组成、物理的和化学的特性。

b.根据产品性能的要求而提出的配料中化学组成要求。

例如，对于铝质电瓷，为提高其机械强度，Al2O3含量应在40%以上，相应地由此可确定矾土的大致加入量。

c.根据工艺要求确定主要影响工艺条件的原料（如粘土）的加入量范围。

（2）数学模型a.确定设计变量X（I），I=1，2，3……NX（I）为各种原料加入量的百分数（不含I .L），N为原料的种数。

b.各种约束①化学组成要求设瓷坯中对Fe2O3、MgO+CaO、TiO2的百分含量必须限制在一定范围内，则可建立约束方程：式中：Q（I，5）、Q（I，6）、Q（I，7）、Q（I，8）--分别为各种原料中MgO 、Fe2O3、CaO、TiO2的百分含量；SS（5）、SS（6）、SS（7）、SS（8）--分别为瓷坯中上述四种氧化物的最大限制百分含量。

②工艺要求根据工艺要求提出的各种原料的大致加入量，可建立边界方程：LX（I）≤X（I）≤HX（I）式中：LX（I）--各原料加入量的下限；HX（I）--各原料加入量的上限。

c.目标函数设为满足瓷坯的性能要求，其化学组成中SiO2、Al2O3、K2O、Na2O要严加控制，由此可建立目标函数。

式中：Q（I，1）、Q （I，2）、Q（I，3）、Q（I，4）--分别为各原料中SiO2、Al2O3、Na2O、K2O的百分含量；SS（1）、SS（2）、SS（3）、SS（4）--分别为瓷坯要求上述四种氧化物百分含量。

3、釉料配方优化设计的数学模型在釉料配方的优化设计中，考虑到釉具有玻璃体的性质，其主要性能可通过较明确的数学表达式求得，因此可直接选取几种较重要的釉性能作为优化参数，建立目标函数。

（1）已知条件使用原料的种类及各种原料的化学组成；主要的釉性能指标；用复合形法时提供釉的化学组成范围或原料控制使用范围。

（2）约束条件用复合形法时，设以釉的化学组成控制范围作为约束条件，则约束方程为：LFQ（I）≤FQ（I）≤HFQ（I）式中：LFQ（I）――釉料中各化学组成的控制下限；HFQ（I）――釉料中各化学组成的控制上限；FQ（I）――各化学组成的计算机（3）目标函数以某种电瓷釉为例，设选取釉的熔融温度、热膨胀系数、表面强力为优化参数，则建立目标函数为：minF=∣FM1-TM∣+(FM2-AL)2+∣FM3-S1G∣式中：FM1、FM2、FM3――分别为熔融温度、热膨胀系数和表面张力的计算值；TM、AL、S1G――分别为上述三个的控制值。

4、源程序说明本文分别以复合形法和网格法编制了坯料配方计算的计算机程序二套，以复合形法和单纯形法编制了釉料配方计算的计算机程序二套，所有程序均使用FORTRAN语言，这些程序有以下特点：（1）采用模块结构，易于编排和移植，且层次清楚，调节灵活。

（2）主要原始数据如原料的化学组成、坯或釉的化学组成控制范围、釉性能的计算系数、和原料的控制用量的上下限等编入到数据文件中，调试程序或更换原始时都很方便。

（3）对于同一组原始数据，当输入的初始点（第一顶点或网络划分数）数值不同时，可以产生多组满足要求的配料比，这对于进一步确定试验方案、比较配料成本都是很有益的，手工计算时很难做一这一点。

5、坯料配方运行实例（1）各原料的化学组成见表1（2）瓷坯要求的化学组成见表2（3）原料使用控制范围见表3（4）计算结果a.原料配比（含I.L时）见表4b.瓷坯化学组成（不含I.L时）见表56、釉料配方运行实例（1）原料的化学组成见表6（2）釉性能要求熔融温度：1280℃热膨胀系数：55×10－71／℃表面张力：370dyn/cm（3）釉料化学组成控制范围见表7（4）计算结果a.原料配比（含I.L时）见表8b.釉的化学组成（不含I.L时）见表9c.釉性能见表10表1 各原料的化学组成表4 原料配比表6 原料的化学组成制造陶瓷色料的原料(6)陶瓷采购网制造陶瓷色料的原料(5)陶瓷采购网制造陶瓷色料的原料(4)陶瓷采购网制造陶瓷色料的原料(3)陶瓷采购网制造陶瓷色料的原料(2)陶瓷采购网制造陶瓷色料的原料(8)陶瓷采购网制造陶瓷色料的原料(7)陶瓷采购网制造陶瓷色料的原料(9)陶瓷采购网欧洲陶瓷釉料新技术概况陶瓷采购网欧洲是当今高档建筑卫生陶瓷产品生产最发达的地区，其中以意大利和西班牙为建筑卫生陶瓷工业的领头羊。

欧洲的建筑卫生陶瓷工业在实现自动化与机械化的同时，在坯料与釉料制备方面颇具技术实力与开发能力。

估计要领先其它国家20年～30年左右的距离。

欧洲建筑卫生陶瓷业非常注重采用先进的釉料技术，拥有一大批著名的专业性很强的陶瓷釉料和陶瓷熔块、色料公司。

诸如，人们所悉知的英国魏基伍德公司与道顿公司，德国的迪高沙与凯勒公司，意大利的海马与西斯特勒公司，西班牙亚卡迪和欧莱等专业化公司等现代陶瓷学包括了现代矿物学，物理学（如可塑机理，流体力学），化学（分子学、分子运动学），机械动力学，微观结构学与高温化学（热力学）等广泛的内容。

它们是发展陶瓷的基础理论和技术指导。

只有在基础研究领先才能保持陶瓷产品的时时新颖与丰富多样，其中尤以陶瓷釉料研究最引人注目。

欧洲国家使用的釉料产品类别与用途分类如下：１、铅釉和无铅釉；２、生料釉与熔块釉；３、一次烧成或二次烧成用釉；４、瓷砖，餐具，卫生陶瓷与电磁用釉；５、按施釉方法划分的侵釉，喷釉，浇釉；６、高温釉和低温釉；７、高膨胀釉和低膨胀釉；８、烧成气氛氧化焰，中性焰和还原焰；９、颜色釉与无色釉；１０、透明釉与乳浊釉；１１、光泽釉，无光釉，半无光釉或花纹釉；等等。

以上分类强调了釉料的复杂本质及与其他因素相互间关系。

诸如包括釉料的化学成分，配料成分，产品用途，成瓷后的化学物理特性。

有的表明了其工艺方法及釉面的外观表象，以及将来建筑卫生陶瓷用釉料的发展指向。

现择其概要简介如下：１、铅釉与无铅釉。

在英国生产与使用的铅釉配方中，铅的来源出自偏硅酸铅或硼硅酸铅熔块。

在实际生产中典型的偏硅酸铅配方组成为：（塞格尔式）1.00氧化铅，0.10三氧化二铝，1.89二氧化硅，重量：氧化铅64％，氧化铝３％，二氧化硅33％。

可使釉产生最低溶解度。

如果增加碱性氧化物和氧化硼的含量，可导致熔块中铅溶解度的增加。

在荷兰等国并无铅溶解度的限制规定，他们使用低熔融或高溶解的硅酸铅及硼酸铅熔块釉。

铅釉与无铅釉的差别牵涉到产品的质量问题。

不过在高于1150度时，铅均明显挥发。

而高于此温度界限时，则通常不再使用铅釉。

在英国无铅釉指氧化铅含量少于１％的重量的种类。

随着环境保护要求越发严格，近年来欧洲建陶工业已经逐步转向统统使用无铅釉料、无铅熔剂与无铅色料。

锶釉在取代铅釉方面表现出不俗的效果。

除了烧成范围宽，低烧成温度和可形成光泽釉表面外，还具有良好的耐磨性能。

因此锶釉成为一种很好的无铅釉。

当它与釉下色剂一起使用时，几乎看不到对色料的不利影响。

但在与铬锡粉红共用时，釉内必须添加一定的氧化钙，以稳定色调质量。

２、生料釉与熔块釉。

由于欧洲陶瓷生料釉组成内不使用熔块，所以它们仅限于最高烧成温度大于1150度时使用。

通常可用做生产硬质瓷器，玻化卫生瓷，炻器，电磁及各种低膨胀坯体的施釉。

生料釉内含有矿物溶剂，如长石或霞石正长岩，外加黏土、石英、碳酸钙、白云石、氧化锌和硅酸锆作为常用原料。

低膨胀生料釉还使用透锂长石作为熔剂。

生料釉不会有任何形式的玻璃相，在烧成时必须经过足够时间将气体从原料组分内排出，釉熔融后可获得光滑而无气泡的釉面。

因此，生料釉烧成时间要比熔块釉长。

在烧成温度低于1150度时，则宜采用熔块釉料。

另外在采用低温快烧工艺时，需要釉内熔块含量相宜增加。

３、一次烧成釉与二次烧成釉。

欧洲陶瓷企业认为，对于施釉产品来讲，一次烧成比二次烧成节能好且更经济，大幅度降低了产品成本，并有利于环境保护。

一次烧成非常有利于高附加值的产品，如大件卫生洁具，或大型绝缘子。

但二次烧成的主要优点是可以拣选并剔除某些有缺陷的半成品，也能生产出高质量与低成本的产品。

在一次烧成工艺中，釉与坯体同时成熟，坯与釉的中间层的形成常常能够增加产品的强度。