陶瓷坯釉配方优化方法.docx

1、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XEn，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

2、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

3、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（

4、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

5、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=1，2，3N X（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 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。 工艺要求 根

6、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

7、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+F

8、M3-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

9、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4 b.瓷坯化学组成（不含I.L时）见表5 6、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：551071 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8 b.釉的化学组成（不含I.L时）见表9 c

10、.釉性能见表10 表1 各原料的化学组成 原料代号组成SiO2Al2O3Na2OK2OMgOCaO Fe2O3TiO238.055.04.501.501.202.0表3 原料使用控制范围 原料代号用复合形法计算时用网格法计算时下限上限下限上限10.0510.10.220.0510.050.1530.080.120.050.1640.40.440.40.455010.20.3表4 原料配比 原料代号12345用复合形法计算19.8115.2711.7339.8023.50220.155.5410.1839.6424.54用网格法计算116.114.7412.3240.7626.06212.024

11、.7515.2041.1426.89表5 瓷坯化学组成 组分SiO2Al2O3Na2OK2OMgOCaO Fe2O3TiO2复合形法138.0055.001.333.170.100.331.030.94复合形法238.0055.001.253.250.100.300.990.91网格法137.9955.181.243.200.090.341.010.97网格法237.8654.991.233.080.090.381.021.03表6 原料的化学组成 原料代号SiO2Al2O30Na2OK2OMgOFe2O3CaOCr2O3MnO2I.L198.2000000.090000266.8217.79

12、2.1612.920.040.120.33000.16351.401.060.701.0232.470.241.060011.8941.070.440.100.2301.0854.540043.30548.7635.8800.800.200.900.5010013.38639.3745.000000.760.630013.97755.3028.820.192.641.311.950.85008.49表7 釉料化学组成控制范围 氧化物SiO2Al2O3Na2OK2OMgOFe2O3CaOCr2O3MnO2408010200.5-100-150.5-100-51-120-80-8表8 原料配比 原

13、料代号1234567用复合形法计算27.5826.548.8413.107.001.5015.44用单纯形法计算30.6629.809.8513.062.7611.802.08表9 釉的化学组成 氧化物SiO2Al2O3Na2OK2OMgOFe2O3CaOCr2O3MnO2复法68.1213.910.744.393.430.668.3700单法68.2414.000.794.403.600.438.1400表10 釉性能 性能名称单位用复合形法计算用单纯形法计算熔融温度1279.91280.0热膨胀系数1/55.1910-755.010-7表面张力dyn/cm370.0370.0弹性模量kgf

14、/mm27959.38007.4抗张强度kgf/mm28.598.45抗压强度kgf/mm2103.8104.0平均热容kCal/0.38560.3865导热系数Kcal/cms2.41710-52.43610-5热稳定性系数0.9800.929密度g/cm32.4952.490制造陶瓷色料的原料(6)陶瓷采购网 名称分子式分子量比重熔点融液中的氧化物分子量换算因数得到的颜色氧化锰（软锰矿）MnO286.935.0535分解MnO710.817不溶性坯体以及釉的红、黄、褐、紫或黑色色料在SK之前稳定过锰酸钾KmnO4158.032.7240以下分解K2O MnO94.2710.2980.45水

15、溶性坯体以及釉的红、黄、褐、紫或黑色色料在SK之前稳定二碱磷酸锰MnHPO43H2O205.01MnO P2O5711420.3460.346磷酸锰MnPO4H2O167.97MnO P2O5711420.4230.423硫酸锰MnSO44H2O223.052.107MnO710.3185磷酸钕NdPO4239.24Nd2O3 P2O5336.54141.950.7030.297氧化镍NiO74.696.67.52090NiO74.71.0根据釉的组成，可得到蓝、绿、灰、褐、黄色过氧化镍Ni2O3165.38600分解NiO74.70.903制造陶瓷色料的原料(5)陶瓷采购网 名称分子式分子量

16、比重熔点融液中的氧化物分子量换算因数得到的颜色金Au197.2019.31063用于釉上。一般是使之悬浊使用氧化金AuCl3303.573.9254分解使之沉淀作为金属金使用。若和氯化锡共用，可以得到卡修斯紫金氧化铁FeO71.845.71420Fe2O31601.11一般成为色料的不纯物三氧化二铁Fe2O3159.685.21565Fe2O31601.0使砖、其它坯体的颜色成为红、褐、黄色四氧化 三铁Fe3O4231.525.21538分解Fe2O31600.035重铬酸化二铁Fe2(Cr2O7)3759.74Fe2O3 Cr2O31601520.2100.600褐色釉下色料，单独或怀氧化锰

17、、锌白共用。与氧化钴并用，为黑色釉下色料制造陶瓷色料的原料(4)陶瓷采购网 名称分子式分子量比重熔点融液中的氧化物分子量换算因数得到的颜色铬酸钴CoCrO4174.95分解CoO Cr2O3751520.4290.434和Al2O3、ZnO为特殊的艳蓝色及艳绿色硝酸钴Co(NO3)26H2O291CoO750.257硫酸钴CoSO47H2O281.11297CoO750.263水溶性蓝色坯体着色剂。有时用于喷彩无水硫酸钴CoSO4155.003.7981CoO750.484钴酸锂LiCoO297.88Li2O CoO30 750.1530.765具有蓝色着色剂和溶剂的两种作用氧化铜（黑色氧化铜

18、）CuO79.576.41026分解CuO801氧化焰。土耳其绿绿。易受碱含量、种类碱土金属化合物和Al2O3、B2O3含量的影响。还原焰时为红及紫色碳酸铜CuCO3Cu(OH)2221.174200分解CuO800.725硫酸铜CuSO45H2O249.712.3110分解CuO800.320水溶性无水硫酸铜CuSO4159.633.6200CuO800.500水溶性制造陶瓷色料的原料(3)陶瓷采购网 名称分子式分子量比重熔点融液中的氧化物分子量换算因数得到的颜色铬酸铅PbCrO4323.226.16.3844PbO Cr2O3223.0152.00.69 0.235在酸性溶剂中为铬黄在碱性

19、熔剂中为红色不透明。和锡合用制成粉红色铬酸锶SrCrO4203.643.9SrO Cr2O3103.6152.00.5090.373铬黄铬酸锌ZnCrO4181.39ZnO Cr2O381.33 152.020.4490.419磷酸铬Cr(PO4) 2H2O183.062.42Cr2O3 P2O5152.02141.950.4150.388氧化钴 （钴黑）Co2O3CoO240.826900分解CoO750.934坯体、釉下、色釉为蓝色。添加极少的量即可，只要是氧化气氛，不会因烧成温度引起色调的变化氧化钴（灰）CoO75CoO751碳酸钴CoCO3118.954分解CoO750.630氯化钴C

20、oCL6H2O238CoO750.316制造陶瓷色料的原料(2)陶瓷采购网 名称分子式分子量比重熔点融液中的氧化物分子量换算因数得到的颜色氧化铈（纯）商品CeO2CeO2xH2O172.137.31950CeO2172.131氧化铬Cr2O3152.025.21990Cr2O3152.021无锌、镁、锡，只有极少的铅时，呈绿色。由于锡、钙、硅石的存在为粉红色，和锌合用为褐色条件不同为红色。含有大量铅时为黄色重铬酸钾K2Cr2O7294.212.7398 500分解K2O Cr2O394.2 152.00.32 0.517铬酸钾K2CrO4194.202.7968K2O Cr2O394.2152

21、.00.485 0.39重铬酸钠Na2Cr2O7 2H2O298.052.5-2H2O100 320 400分解Na2O Cr2O362.0 152.00.208 0.510铬酸钠Na2CrO4162.002.7Na2O Cr2O362.0152.00.383 0.469重铬酸铵(NH4)2Cr2O7252.102.2分解Cr2O3152.00.603铬酸钡BaCrO4253.374.5约1000分解BaO Cr2O3153.4152.00.605 0.3铬黄，一般用于釉上和色釉制造陶瓷色料的原料(8)陶瓷采购网 名称分子式分子量比重熔点融液中的氧化物分子量换算因数得到的颜色银Ag107.88

22、10.5960金属装饰用（变色）；黄色用石灰或锌带褐色。和硼酸为灰色还原金属彩釉氧化银Ag2O231.767.1300分解Ag1080.931碳酸银Ag2CO3275.776.1218分解Ag1080.783珍珠光泽着色剂，光泽及虹彩釉氯化银AgCl143.345.6455Ag1080.755黄色，卡修斯紫金，电光彩硫磺S32.062.0约120用硫化镉和硒为红色，易出缺陷。有时成为不纯物氧化锡SnO2150.706.66.91127分解SnO21511用铬酸盐和石灰为粉红色及米黄色和钒化合物为黄色和氧化金合用为卡修斯紫金氧化钛（金红石）TiO279.903.84.21640分解TiO2801

23、只能用氧化气氛，由鲜奶油色到暗象牙色还原为灰色极少情况下为蓝色氧化钨WO3231.927.21473WO32321制造陶瓷色料的原料(7)陶瓷采购网 名称分子式分子量比重熔点融液中的氧化物分子量换算因数得到的颜色硫酸镍NiSO4NiSO46H2ONiSO47H2O154.75 262.85 280.863.43.7 2.01.9840分解分解分解NiO NiO NiO74.774.774.70.483水溶性钯Pd106.71551.5用于装饰金属铂Pt195.2321.51773用于装饰金属虹彩釉磷酸钠PrPO4235.89Pr2O3 P2O5329.84 141.950.699 0.301硒Se78.964.24.8217亚硒酸钠Na2OSeO25H2O236.04Na2OSe62790.236 0.300和硫化镉并用为红色硒酸钠Na2OSe