坯料设计范文

坯料设计范文（精选5篇）

坯料设计 第1篇

关键词：钢铁生产,坯料设计,粒子群算法,邻域搜索,动态参数选择

1 引言

在市场需求日益多样化和钢铁生产工艺逐步柔性化的影响下, 大规模定制生产已经成为钢铁企业的主要发展方向[1,2,3]。在大规模定制生产中, 坯料设计处于连接客户需求和企业生产计划的核心地位。在钢铁企业的生产流程中, 钢水通过精炼和连铸等工艺形成各类钢坯, 钢坯通过轧制形成各类钢铁产品。所谓坯料设计就是针对需求各异的客户订单, 在满足生产工艺要求的前提下, 将基于量的产品需求转化为基于件次的坯料需求, 以便于生产计划的编制, 实现客户需求与生产组织的统一。

客户订单中对钢铁产品的要求主要有交货日期、钢种、重量、规格等, 针对不同的订单要求, 国内外学者提出了各自的问题模型以及求解方法。针对重量要求为固定值, 客户订单分配过程中有最小重量限制的问题, 张文学等[4]建立了以最小化板坯数量为目标的约束满足模型, 给出了变量选择策略和值选择策略, 提出了基于约束满足技术的求解算法。针对重量要求为固定值, 宽度和厚度要求为区间值的问题, Lee Kangbok等[5]将坯料设计问题归结为基于区间图的团划分问题, 并提出了相应的算法进行求解。席阳等[6]建立了最小化板坯数量和总盈余量的多目标板坯设计模型, 并提出了一种两阶段算法对问题进行求解, 其中第一阶段实现板坯数量最小的约束, 第二阶段在满足第一阶段的基础上使板坯的盈余量最小;并在文献[7]中增加了最小加工重量的约束条件, 并用粒子群算法对问题模型进行了求解。针对客户订单重量需求为固定值的问题, Antoine Gargani等[8]提出了基于全局和逻辑约束的, 将具体的变量和值选择策略植入到深度搜索的问题求解模型, 并通过使用大规模邻域搜索提升了求解速度。Hentenryck P.Van等[9]提出了一种打破对称性的搜索方法, 此方法在不使用大规模邻域搜索的基础上, 保证了求解方法的完整性和高效性。Dawand Milind等[10]建立了以板坯数量和总盈余量最小为优化目标的数学模型, 并提出了一种基于匹配和装箱的启发式算法对问题进行求解。针对订单要求重量和宽度均为区间值的问题, 张英杰等[11]提出了基于合同板坯矩阵的启发式算法。

本文考虑订单需求重量和规格为区间值, 且具有最小加工重量限制的坯料设计问题, 建立兼具一般性和特殊性的数学模型, 采用改进的粒子群算法进行求解。

2 数学模型

对钢铁企业而言, 客户订单对产品提出的要求有钢种、重量、最小加工重量、规格、交货日期等。对于不同类型的钢坯, 其规格也有所不同, 比如圆坯规格为直径, 矩形坯则为宽度和厚度。坯料设计通常考虑钢坯与钢材之间的规格对应, 钢种和交货日期等不在设计范围内, 所以本文中客户订单对产品的约束主要包括订单需求重量、最小加工重量、订单规格3个方面, 具体如下:

(1) 客户订单的需求重量为区间值;

(2) 最小加工重量为固定值, 此值的设置是为了满足工艺要求;

(3) 客户订单的规格要求为区间值。

坯料设计问题应追求以最少的坯料供应满足最多的订单需求, 体现精益制造和精益管理的理念。

为了便于描述, 对符号定义如下:

集合和索引

i:订单序号, i∈N+;j:坯料序号, j∈N+;O:订单集合, O={1, 2, , i, , m};S:坯料集合, S={1, 2, , j, , n}。

参数

Gi:订单i的需求重量, 为区间值, Gi=[ai, bi], ai, bi∈Z+;Wi:订单i的需求规格, 为区间值, Wi=[li, ri], li, ri∈Z+;mi:订单i要求的最小加工重量, mi∈Z+;W:铸造临界值, 即坯料的最大重量;Ωi:订单i的可容多元坯集合;Ω:所有订单的可容多元坯集合元素的集合。

变量

xij:坯料j中包含的订单i的重量, xij∈Z+;rwij:订单i在坯料j中的实际规格, rwij∈Z+。

2.3 模型建立

基于上述问题描述和符号说明, 建立坯料设计问题的多目标优化模型[BD]如下:

上述数学模型中, 目标函数 (1) 是最大化坯料中包含的所有订单的重量和;目标函数 (2) 是最小化坯料的数量;约束 (3) 是坯料j中包含的订单i的重量在订单i要求的最小加工重量和铸造临界值之间;约束 (4) 是每个坯料中包含的所有订单的分配重量之和小于铸造临界值;约束 (5) 是订单i分配到坯料j中的重量要在该订单的要求重量区间中;约束 (6) 是订单i中的设计规格必须在其要求的宽度区间内;约束 (7) 是分配到同一块坯料中的各个订单的规格应相同。

3 模型分析

根据坯料中包含订单的数目, 将坯料划分成两类:单一坯和多元坯。单一坯是指此坯料中仅仅包含一个订单并且订单在此坯料中的重量恰恰为铸造临界值。多元坯是指此坯料中包含一个或是多个订单并且所包含订单要求的重量之和可以小于或是等于铸造临界值。通过定义可知, 多元坯在满足订单的前提下, 可能会产生盈余, 此盈余可以作为库存。

多元坯的最大数目等于订单的数量, 且每种多元坯的规格是固定的, 即为将订单按照需求规格区间的上限排列后, 相应序号订单上限的数值。很显然, 一种坯料并不能包含全部的订单, 一个订单也不能分配到任意的坯料中。本文定义订单可以分配到的多元坯的集合为订单的可容多元坯集合。令r0=l1, 则订单的可容多元坯集合Ωi可定义如下:

模型[BD]为多目标优化模型, 因此需要按照一定的规则将两个函数合二为一。通常, 将多目标划一的方法有线性加权法、理想点法、功效系数法等, 本文选择简单实用的线性加权法。其基本思想是根据各个分目标的重要程度和数量级给出一组加权因子, 取经过无量纲化的分目标函数和相对应加权因子的线性组合, 构成一个新的统一的目标函数。同时, 由于一组订单的单一坯的数量是固定的, 故目标函数F1化为最大化多元坯处理重量, F2转化为最小化多元坯数目。

目标函数, 进行无量纲化后转化为:

按照决策者的偏好和企业的实际情况给两个目标函数赋权重ω1和ω2, 且ω1+ω2=1, 因此原问题的目标函数可以转化为如下的单目标函数:

4 求解算法

此问题是一个具有团划分问题NP完全性质的问题, 因此本文选用粒子群算法 (Particle Swarm Optimization, PSO) 为求解方法的核心, 以期在合理时间内获得满意解。粒子群算法源于对鸟群捕食行为的研究, 其基本思想是通过群体中个体之间的协作和信息共享来寻找最优解。作为一类随机性较强的群体智能算法, 粒子群算法的应用需要解决几个主要问题, 即编码方案、初始化方案、种群更新机制和终止条件。此外, 为了更有效地求解坯料设计问题, 本文有针对性地设计了邻域搜索机制以提升求解效果, 采用了动态参数选择机制以提升求解效率。

4.1 编码方案

编码方案是一种将问题空间映射到具有某种结构的表示方法, 根据前述定义, 可以将所有订单的多元坯集合中元素的顺序排列作为粒子的编码: ( (x11x1j) (x21x2j) (xm1xmj) ) 。

4.2 初始化粒子群

首先将订单中包含的单一坯的数量求解出来, 并更新订单中的要求重量区间为Gi*=[ai*, bi*], 按照上述规则进行粒子编码, 最后对粒子赋初始值 (iter=0) 。其中:

速度的初始值为:

4.3 种群更新

一般情况下适应度应为目标函数的值, 但在本文讨论的问题中, 粒子更新过程中产生的新的位置可能不满足约束条件, 所以增加惩罚值punish, 对不满足的粒子位置进行惩罚, 惩罚值的计算公式如下:

其中 (x) +=max (x, 0) , κ为一个很大的实数。加上惩罚值的适应度计算函数为:

本文中用pbesthiter表示第h个粒子在第iter代的最优位置;用gbestiter表示截止到第iter代, 整个粒子群经历的最优位置。h∈[1, H], h∈N, H为种群粒子数量。itermaxiter, maxiter为算法的最大迭代次数。其中:

4.4 邻域搜索

邻域的确定根据下面两个原则:

(1) 当前粒子附近可以使坯料处理总重量增加的粒子;

(2) 当前粒子附近不增加坯料数目的粒子。

上述两个规则产生的粒子集合的交集即为当前粒子的邻域, 邻域若不为空集, 则从邻域中任取一个元素作为邻域粒子, 用nxhiter表示第h个粒子在第iter代的邻域粒子, 并将邻域粒子nxhiter的取值赋给当前粒子xhiter, 然后进行全局和局部最优位置的更新。

4.5 参数选择

速度和位置的更新, 按照如下公式:

其中, i∈O, j∈Ωi;u为惯性因子, 是使粒子保持着运动惯性, 具有搜索新的区域的能力;c1和c2是学习因子, 分别代表将每个粒子推向自身最优位置pbesti和全局最优位置gbesti的加速权值;通过调整惯性因子和学习因子可以改变算法的全局和局部搜索能力。vmax为最大速度, 当更新后的速度绝对值超过最大速度时, 正数取最大速度, 负数取最大速度的相反数。参数u、c1和c2取值参照参考文献[12]中提供的方法, 即通过三角函数动态改变参数的值, 使结果与实际搜索过程特点更加吻合。

4.6 终止条件

在进化类算法中, 终止准则一般为预先设定一个最大迭代次数或是规定适应值稳定的代数。本文中, 设置最大迭代次数maxiter, 每更新一代粒子, 都检查是否达到了终止条件, 若iter=maxiter, 则算法结束, 输出gbestiter和Fitness (gbestiter) , 否则继续进行更新。

5 数据实验

算法参数设置为maxiter=200, H=150, vmax=20, ω1=0.7;订单数据源自文献[7]。算法程序由EclipseJavaEEIDEforWebDevelopers, Version:Helios Service Release 1实现, 实验环境:CPU为AMD Turion (tm) X2 Dual-Core Mobile RM-72 (2 CPUs) , 2.1GHz, 3.00G RAM。

本文算法 (BD-PSO) 实验结果与与文献[7]算法 (SD-PSO) 结果对比如表1所示, 其中, 处理百分比等于多元坯处理的重量除以订单要求重量上限减去单一坯重量。

从与文献[7]中算法的对比结果可以看出, 本文的优化算法在处理单一坯和多元坯中都有明显优势, 但多元坯存在剩余, 这将是下一步研究的优化方向。

6 结论

本文在考虑钢铁企业客户订单需求和工艺能力的基础上, 建立了坯料设计问题的数学模型。针对模型特点, 以标准粒子群算法为求解框架, 通过线性加权法将多目标化为单一目标, 并引入基于三角函数的动态参数选择方法和邻域搜索, 提高算法的求解效率。最后的数据实验结果表明, 本文提出的模型和求解方法可行、有效。

参考文献

[1]刘相华, 王国栋, 杜林秀, 等.钢材性能柔性化与柔性轧制技术[J].钢铁, 2006, 41 (11) :32-36, 62.

[2]A Balakrishnan, J Geunes.Production Planning with Flexible Product Specifications:An Application to Specialty Steel Manufacturing[J].Operations Research, 2003, 51 (1) :94-112.

[3]周世春, 丁建华, 陈超, 等.“大规模定制”生产模式在钢铁企业的应用实践[J].中国工程科学, 2006, 8 (3) :1-6.

[4]张文学, 李铁克.基于约束满足的板坯设计模型与求解方法[J].北京科技大学学报, 2011 (5) :641-646.

[5]Lee Kangbok, Chang Soo Y, Hong Yushin.Continuous Slab Caster Scheduling and Interval Graphs[J].Production Planning and Control, 2004, 15 (5) :495-501.

[6]席阳, 李铁克.针对固定重量板坯的板坯设计优化算法[J].北京科技大学学报, 2008, 30 (10) :1179-1183.

[7]席阳, 李铁克.基于粒子群算法求解区间值板坯设计优化问题[J].计算机工程与应用, 2008 (3) :205-209.

[8]Antoine Gargani, Philippe Refalo.An Efficient Model and Strategy for the Steel Mill Slab Design Problem[C]//Proceeding of the13th InternationalConference on Principles and Practice of Constraint Programming.Springer-Verlag, 2007:77-89.

[9]P V Hentenryck, L Michel.The Steel Mill Slab Design Problem Revisited[C]//Proceedings of CPAIOR, 2008:377-381.

[10]Dawande Milind, Kalagnanam Jayant, Lee Ho Soo, et al.The Slab-Design Problem in the Steel Industry[J].Interfaces, 2004, 34 (3) :215-225.

[11]张英杰, 席阳, 李铁克.考虑属性区域值的板坯设计模型与算法[J].铸造技术, 2008, 30 (7) :945-948.

坯料设计 第2篇

随着人们生活水平的不断提高，不锈钢餐厨具由于具有亮丽的外观、清洗方便、经久耐用，已经成为家用餐厨具主流，同时对不锈钢厨具加热的均匀性、节能性等性能提出了越来越高的要求。一般的不锈钢锅采用不锈钢薄板直接冲压成型，加热快是其显著优点，但加热不均匀也是其明显缺点，高档不锈钢锅采用铝导热板夹层的复合锅底不锈钢锅体结构，弥补了此缺点。为了实现导热的效率、均匀性和牢固性，在铝导热板夹层与不锈钢板之间必须焊接牢固达到冶金结合，其采用的焊接工艺包括预焊、加热、压力焊等过程，因此需要对加热状态的坯料进行传输，其输送的速度、节拍等不仅涉及到制品的焊接质量，而且影响到加工过程的热能损耗，尤其是一旦产生铝导热板夹层与不锈钢材料结合强度达不到要求，将会产生废品造成更大浪费。

目前国内复合底不锈钢锅焊接过程中的坯料传输主要采用人工与滑槽相结合的方式，从提高生产效率、降低生产成本、节能减排等方面考虑，对复合底不锈钢锅高温坯料进行自动化传输是不锈钢制品加工急需解决的问题[1]。

2 复合底不锈钢锅自动输送系统总体方案

2.1 复合底不锈钢锅坯料传送过程

复合底不锈钢锅采用铝导热板夹层结构，其生产工艺如图1所示，在对不锈钢锅体铝导热板夹层不锈钢锅底的两个接合面涂敷钎料，并对三层材料点焊固定位置之后经加热窑炉均匀加热到500°C左右，再在高温状态加压实现三层材料两个结合面的冶金结合完全固结于一体。目前的生产过程中，处于500°C左右的复合底不锈钢锅坯料出炉后，在出炉口通过窑炉中物料输送带的推力在斜面滑道上由高处滑向底端，由一名操作工在滑道出口截住，并钳起送到压力焊机工作台上定位，然后由摩擦压力机进行压焊，压焊完毕，由另外一个工人把工件从压力焊机工作台上取下，并排放在料台上，完成一个加工循环，全程需要2个人进行高温坯料的传送。

2.2 复合底不锈钢锅高温坯料人工传送存在的问题

经过对复合底不锈钢锅高温坯料的传送过程以及生产过程分析统计，可以归纳出其中主要存在的问题：

(1)生产过程中约10%左右的高温坯料会掉出滑道需要重新回炉，增加热能损耗;

(2)人工送料无法精确控制时间和节拍，坯料输送节拍与压力机节拍难以配合恰当、造成加工周期增大，压力机效率降低耗能增加，另一方面由于锅体坯料出炉等待时间延长造成了热量耗散增加或焊接不良品率增加;

(3)劳动条件恶劣，操作者简单重复动作，处于高温、高噪声的劳动环境损害健康，一条生产线仅高温坯料传送需要2人同时工作，劳动力短缺问题已经开始困扰企业发展。

因此，不论从节能方面考虑，还是从改善劳动条件解放劳动力方面，并且从发展的角度采用高温坯料的自动输送已是势在必行。

2.3 复合底不锈钢锅高温坯料自动上下料方案设计

设计方案主要考虑在上料和下料两个工位选用上料机械手和下料机械手取代人工，通过PLC控制实现上下料动作与压力机工作周期的协调联动提高工作效率，同时上料机械手采用绝热结构与耐热材料制造，缩短窑炉与压力机之间的距离，减少高温坯料的传送距离，降低热能消耗，从而传提高热效率。高温坯料自动上下料总体设计方案如图2所示。

3 复合底不锈钢锅高温坯料自动上下料传输线关键结构

3.1 高温坯料的个体分离与定位

为了减少高温坯料输送过程中的热量耗散，窑炉出口距离上料机械手越近越好，但如果距离太近，上料机械手长期工作于高温环境，也会影响到上料机械手工作稳定性;另一方面，基于上料机械手的价格和稳定性，考虑采用单关节平面结构机械手，因此需要在高温坯料出炉后先行定位等待上料机械手抓取。为了实现高温坯料从窑炉输送带上的个体分离，在窑炉出口处设计一段高速输送带，(速度高于窑炉输送带)将出炉后的高温坯料与窑炉输送带上的坯料分离，并送达上料定位点。

3.2 上下料机械手结构设计

按照高温坯料输送的工作要求，上料机械手具有坯料夹持单元和运动单元，上料机械手夹持单元采用夹钳结构，以气缸作为夹持动作的动力源，给与圆柱形高温坯料稳定的夹持力，运动单元则将夹持单元安装在回转轴上可以实现180度回转和定位，同时具有单轴运动，其结构原理如图3所示[2]。其工作周期是：上料机械手夹钳张开向坯料方向运动到达坯料定位点(光电感应)夹钳收紧夹持坯料后旋转180度上料机械手直线运动到模腔上方(位置感应)松开夹钳坯料落入模腔位上料机械手退回原点。

1.齿轮齿条配合2.底板3.气缸

下料机械手采用与上料机械手相同的结构，但其工作周期相对简单，下料机械手夹钳张开向坯料方向运动到达坯料加工位置夹钳收紧夹持坯料后旋转90度下料机械手直线运动到原点松开夹钳坯料坯料被输料小车运出，下料机械手与压力机及输料小车之间的关系如图4所示[3]。

1.下料机械手2.地面导轨3.手臂4.输料小车5.压力焊机

3.3 上下料机械手与压力机工作周期联动控制

由于高温坯料在进入压力机模具型腔时需要准确定位，因此上下料机械手必须预先确定机械运动的原点，并且在高温坯料定位、模具上有无坯料都需要设置传感器检测坯料位置来控制机械手的动作，同时实现上下料机械手上下料动作与压力机冲压动作的联动，达到动作协调并且周期最小[4]。

4 结论

本文通过对复合底不锈钢锅生产过程的分析，基于降低复合底不锈钢锅加工过程中的热量耗散、解放恶劣工作环境的劳动力、提高生产自动化程度的要求，优化设计了复合底不锈钢锅高温坯料自动上下料方案、上下料机械手结构及其控制、高温坯料夹持机构等，已经通过了合作企业的技术方案可行性评估，将根据企业设备等生产条件情况组织实施。

参考文献

[1]田志宾.大型封头冲压设备自动上下料辅机的设计与研究[D].武汉:华中科技大学,2006.

[2]赵碧,巴鹏,徐英凤.气动上下料机械手手部结构的设计与分析[J].沈阳理工大学学报,2006(06):58-61.

[3]张超群,邓喜君,蔡鹤皋.基于PLC的橡胶包装码垛生产线控制系统设计[J].高技术通讯,1997(8):14-18.

坯料设计 第3篇

陶瓷原料的种类复杂,用多种原料配制成坯料就会导致坯料的质量问题复杂化。坯料配制不仅要考虑原料之间相互作用,也需要考虑很多的其他因素,所以从原料到坯料的配制过程非常复杂。一般陶瓷配坯料配方是专业的理论指导下,通过一定的试验摸索材料特性和原料比例等,综合考虑原料价格的问题,最后产生原料配方。而计算机辅助配方系统大都采用最优化算法和遗传算法等,都存在着算法精确度不高,可控性差,效率低,算法过于复杂和无法对算法进行有效的预测等问题,这样的计算机辅助配方系统往往在实际配方操作中适用性差,且系统流程过于复杂或者封闭,没有一定专业知识背景的往往难以理解配方原理,故实用性也不强。而求解广义逆矩阵的方法具有精度较高,算法复杂度适中和算法效率较高等优点,且具有一般数学知识的人都能对算法进行理解,系统相对开放,具有较强的实用性。

1 基于广义逆矩阵的陶瓷坯料配方算法

无论是改进现有配方还是设计新的配方都有一个目标配方的化学成分组成为配方的最终标。新的配方的目标是在误差允许的范围内通过多种原料的组合是配方尽可能的接近目标料配方中各种主要化学元素的含量。当然还要考虑一些其他的因素,比如原料的价格以及其他性能等。而通过计算机辅助配方系统是不可能将众多的复杂因素都考虑进去的,如何最接近目标配方是计算机辅助配方系统所考虑的主要问题。通过建立数学模型,计算机编程实现,配方试验结果分析三个步骤就可以评价一个计算机辅助配方系统是否具有实用性。

1.1 坯料配方中的数学问题

通过化学分析可知一般陶瓷原料和坯料是由SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2等八种化学组成表示,有些原料和坯料可能还包括P2O5,但是一般含量较小,所以通常在配方时只选择含量最多的八种化学元素来进行计算[1]。

将要配的坯料称为目标坯料,用公式表示为(D1,D2,D3D8);原料种类有多种,用公式表示为(U1i,U1i,U3iU8i);各原料的百分含量,用公式表示为(X1,X2,X3Xm(i=1,2,3m),其中m表示有m种原料[2]。

对原料和坯料进行预处理,以主要元素含量百分比的形式表现出来,将坯料定义为

某种原料表示为:

1.2 目标函数的确立

在本陶瓷配方系统的设计中暂不将陶瓷原料的价格考虑在内,使配方中的各个元素含量无限接近目标坯料中的含量为配方函数的目标。将各个元素含量误差的平均误差作为误差进行分析,取相对误差最小的即为最优解。

每一种元素含量的最优解

所有元素含量总和为100%即:

陶瓷坯料配方的最优化模型为:

1.3 配方算法中的广义逆矩阵及求解

每一种的目标坯料可以由任意m种的原料混合进行配置,从而得到一个最接近目标坯料的配方方案由1.1中的描述可以。将8种元素的含量作为行向量,每种元素的各种含量成为一个列向量,则任意m种原料组成的元素含量矩阵为一个8xm的矩阵。用矩阵A来表示原料各种元素含量矩阵。

其中v代表各种原料,下标为元素代号,商标为原料代号。

目标坯料中8种元素中各种元素的含量构成一个8X1的列向量。用列向量D=[d1d2d3d4d5d6d7d8]T来表示。

所求的各种原料的含量构成了一个mx1的列向量,即X=[x1x2x3xm-2xm-1xm]T。

AX=D,求解X是配方中的数学问题,因为一般情况下不可能只选择8中原料来进行配方,所以原料元素含量矩阵A不是一个8方阵,因此求解各种元素的含量不能单纯采用求A逆矩阵的方法来解决。这种情况下只能采用求解广义逆矩阵[3]方法来求出各种原料含量。

广义逆矩阵的求解方法有很多种,如满秩分解,分块矩阵法,镶边矩阵法,迭代法,奇异值分解(SVD)法,Greville递推法等算法,此外还有极限法、秩因式分解、连续矩阵平方、矩阵束方法等多种求解方法,而在工程中通常采用满秩分解法来求解广义逆矩阵的问题,满秩分解方法是将广义逆矩阵化解为普通矩阵的求解方法[4]。对于非齐次线性方程组求解得到的结果是一组通解或者一组相似解,所以最终的结果是解向量的集合[5]。

因此对于配方求解问题的方程组AX=D,通过采用求解广义逆矩阵的方法进行计算,将会得到通解或者一些近似的解向量结合。

1.4 求最优解

因为通过求解广义逆矩阵的方法得到的配方是一些向量集合,所以必须在向量集合中选取最优的一个作为最优配方方案来使用。本系统中取目标坯料中元素含量向量和解向量得出的元素含量向量做减运算,得出误差向量,后求误差向量的1-范数[6],逐次求出所有解向量对应误差向量的1-范数,最后取1-范数最小的为最优解。

假设解向量集合为X=[X1,X2,X3,Xι-1,Xι],共有L组解向量,其中Xι为解向量为mx1的列向量。

Xι对应的解为B81=A8mXm1,解B为8x1的列向量。

对应的误差向量

求出△D的1-范数

1-范数最小的△D对应的解向量B为所求的最优解。

2 试验及结果分析

上述方法用C/C++编写程序,并在vc++6.0中编译通过。当前的坯料配方系统还未将原料的灼减值考虑在内,因为考虑灼减值的话程序和算法将会变的更加复杂和不可控。

2.1

配方试验结果

2.2 结果分析

相对误差最大的元素为Si O2为3.97%,最小的为1.3%,平均相对误差为3.13%,相对误差较为稳定都在平均误差附近上下浮动1-2个百分点。

一般情况下基于广义逆矩阵的算法都能求解出一个最接近目标配方的配方,但是相对误差范围并不能保证,相对误差和平均相对误差的范围需要根据实际情况而定,但是一般情况下都能够满足实际配方的需求。

因为陶瓷坯料配方需要通过实验验证才能确定优劣的,采用算法求出的配方只能是近似逼近目标坯料,并不能简单地认为与目标坯料无限接近就是一个好的配方方案。

3 总结与展望

从数学模型的建立、求解算法和目标函数的确定、试验以及试验结果分析可以看出,基于求解广义逆矩阵的方法总是能够求出一个最逼近目标配方的解。与最优化方法相比求解方法更加的直接和可靠,与遗传算法方法相比求解方法假单易于理解,且结果能够预测算法较为可控。

综上所述通过本方法得到陶瓷坯料配方与目标坯料配方之间误差较小,具有更强的适用性,为陶瓷坯料配方的设计提供了很大程度上的便利。但是本方法目前尚不完善,尚未考虑各种原料的价格因素,配方算法和配方评价算法较为单一,且并没有考虑将已经配好经过试验的配方考虑到配方计算中。下一步将考虑将已经配好的配方经过试验检验数据进行细微调整后再存入系统作为配方知识库,下次相似的配方可以依靠知识和算法共同进行,进而配方的次数不断地增加系统的可用性以及配方精度等也会不断地增强。并且改进算法和误差评价算法以适应多种情况下配方计算的需求。

参考文献

[1]张瑛.陶瓷配方优化算法的设计与实现[D].西安:陕西科技大学,2009

[2]程杰.陶瓷坯料配方优化系统的设计与实现[D].西安:陕西科技大学,2011

[3]高珍珍.广义逆矩阵及其应用[J].伊利师范学院学报(自然科学版)2011,(4)1-7

[4]魏洪增.矩阵理论与方法[M].北京:电子工业出版社,2005:252-256

[5]程云鹏,张凯院,徐仲.矩阵论(第3版)[M].陕西:西北工业大学出版社,2006:290-343

[6]蔺小林,蒋耀林.现代数值分析[M].北京:国防工业出版社,2004,36-42

浅谈陶艺坯料的呈色因素 第4篇

一、陶器、炻器、瓷器坯料的呈色特点

依据烧成后的坯体密度可将陶艺分为三类:陶器、炻器和瓷器。陶器烧成后的坯体吸水率在10%—15%, 由于烧成范围较大, 呈现出较宽范围的密度值和较多颜色, 如红陶、黑陶、白陶、彩陶。炻器因其重量和密度给人一种石材的感觉, 故称作“炻器”, 其烧成后的坯体吸水性为2%—5%。炻器绝大多数不施釉, 但颜色极富特色, 斑驳陆离。瓷器烧成后的吸水性为零。瓷器通常为白色, 较薄的坯体呈半透明状。无论是陶器、炻器还是瓷器, 也无论采取哪种装饰元素, 在未施釉的情况下, 坯料的颜色、外观和肌理效果可以完全呈现。相同的造型用在陶器、炻器、瓷器这三种坯体上, 得到的效果截然不同。这种现象促使创作者对创作过程进行思考:在进行陶艺设计时, 首先需要根据作品预期效果进行坯料的选择, 不同的坯料呈现不同的质感 (陶器粗糙柔和吸光, 炻器具有岩石一般的外观, 瓷器光滑反光, 各具美感) ;其次也要考虑釉料在不同坯料上的发色效果和其它装饰效果。在任何情况下, 粘土的颜色都会或多或少影响釉料的发色, 只是有些细微之处往往会被肉眼忽略, 比如哑光黑色釉在白色高岭土坯体上完全呈现出黑色, 而哑光白色釉在含铁质较多的坯体上施制会呈现出许多铁斑点。也就是说, 深色釉会不同程度的阻挡浅色或白色的坯体发色, 而浅色釉或透明釉会更容易呈现坯体自身的颜色和材质特征。

二、色泥的配制及呈色特点

必须说明的是, 坯料的配制并不是随心所欲的, 需要具有粘性、可塑性的粘土、控制密度和烧成温度的助溶剂, 以及调节粘土粘性和收缩率的添加剂, 并进行烧制测试。本文的重点在于讨论坯料的烧成颜色, 由于原料在某种程度上会改变坯料的特征, 所以按照比例进行配制混合的原料, 会在烧成之后形成预期的颜色和肌理效果。在白色坯料中添加颜色可以得到色泥, 即可以用某些金属氧化物和色剂为粘土着色, 也可以用天然有色粘土充当坯料或氧化泥浆着色剂。典型的例子为绞胎瓷器, 绞胎瓷器是唐代陶瓷业中出现的一个新工艺, 唐代以前尚未出现。“所谓绞胎, 是用白褐两种色调的瓷土相间揉合在一起, 然后拉坯成型, 胎上即具有白褐相间的类似木纹的纹理。这种纹理变化多端, 上釉焙烧即成绞胎瓷器。”1。绞胎瓷器中的白色部分为瓷土本色, 而褐色部分为加入氧化铁矿物的色泥。现代的绞胎工艺, 是将两种颜色或更多颜色的泥料揉在一起, 采用这种方法可以形成类似玛瑙般的花纹。很多现代陶艺家利用制备色泥的方法制作出极具美感的陶艺作品, 如瑞士陶艺家Lea Georg, 她利用两种不同颜色的坯料, 除呈色剂不同, 其它原料成分相同, 采用注浆成型的方法, 再用雕刻、刮擦等手法, 形成两种颜色对比的装饰效果的创作风格。Lea Georg在“一千零一个杯子”的世界巡展陶艺创作中, 采用此种方法, 创作的杯子为各陶艺家称赞。

三、影响坯体呈色的其它装饰元素

除了采用色泥进行坯料颜色的改变之外, 还可以用只装饰坯体外表面的方法代替色泥。用天然粘土、金属氧化物或商业色剂进行着色, 这是一种泥浆装饰手段。另外, 天然粘土中的杂质或有意添加的杂质、沙粒、氧化金属粉末或矿渣、矿砂, 由这类物质配制的坯料会在烧成的坯体上形成各种色斑。如前文所述, 在含氧化铁矿物的坯体外表施制哑光白色釉, 烧成之后会显现出铁斑点, 成为独特的装饰效果。

四、几种特殊坯料的呈色

除了以上的坯料, 还有几种烧成之后具有独特色彩装饰的坯料。

中国江苏省宜兴市的“紫砂”, 紫砂以其褐色、红色、光亮的米黄色、光滑致密的无釉陶器闻名于世。紫砂坯料在深山中自然沉淀而成, 颜色大多数为红色、橙色以及暗黄色。制作紫砂茗壶的主要原料, 多深藏于黄龙山岩层下数百米, 在“甲泥”矿层之间, 俗称“天青石”“红木字泥”“底槽青泥”“大红泥”。由于紫砂坯料愈显珍贵, 现在很多紫砂壶采用化工料, 即用一般陶土混合金属氧化物为坯料。此类化工壶虽色彩类似紫砂茗壶, 但不具有纯正紫砂料壶色泽黯雅的美感和温润的颗粒感和砂质感。紫砂茗壶虽然不做施釉, 烧成之后的坯体表面仍会发光, 具有独特的视觉效果。我们可以从一些紫砂壶名家的作品, 了解紫砂坯料烧成之后呈现的色彩。明清以前的古壶名家以紫砂壶鼻祖供春为首, 明末人文震亨在长物志中说:“紫砂壶以砂者为上, 盖既不夺香, 又无熟汤气。供春最贵, 第形不雅, 亦无差小者。时大彬所制, 又太小。”2供春的作品“栗色暗暗, 如古金铁, 敦庞周正。”3从这段文字的描写中, 即能考究紫砂古壶的色彩特征。当代紫砂壶大师的作品将造型和色彩相结合设计, 从更多范围呈现出紫砂坯料的独特美感。

彩陶, 历史学家经常使用“彩陶”一词, 但陶艺家却很少用“彩陶”一词。据考证, 陶器的出现始于旧石器时代晚期或可追溯到更早的阶段, 首先出现红陶、灰陶、黑陶等不同品种的陶器, 接着出现带有多种颜色装饰效果的彩陶。从彩陶大的历史范围和地域范围, 又包括以下几种。

(一) 新石器时期世界各地出现的彩陶文化, 以我国新石器时期的仰韶文化彩陶艺术为例。仰韶文化的彩陶, 是在陶器未烧制之前进行绘制, 以黑色为主, 也兼用红色, 有的地区在彩绘之前, 先施以一层白色的陶衣为背景, 以便彩绘的花纹更为鲜明突出。“据测定, 仰韶文化彩陶的烧制温度为900—1000℃。关于仰韶文化彩陶彩料的化学组成问题, 经光谱分析表明:赭红彩中的主要着色元素是铁, 黑彩中的主要着色元素则是铁和锰。白彩中除含有少量的铁外, 基本上没有着色剂。”4仰韶文化彩陶艺术中, 人面形纹、鱼纹、蛙纹、鹿纹与鸟纹等形象逼真生动。在出土的彩陶器中, 如人面纹彩陶盆、水鸟啄鱼纹船形壶、鱼蛙纹彩陶盆、鹳衔鱼纹彩陶缸等都极具艺术水平。

(二) 埃及粘土, 根据象形文字记载, 在克娄巴特拉时代及之前的几个世纪, 埃及人用这种坯料制作成彩色珠子, 用于人像、珠链, 或被雕刻成项链以及被制成衣扣。埃及粘土在烧成之后较大部分为蓝绿色, 这是铜的发色效果, 也有其它颜色。

(三) 16-18世纪在中欧国家和英格兰流行的彩色浮雕陶器。

五、坯料烧制过程中的呈色

除了坯料在烧制过程中本身呈色, 以及坯料外表所附釉料的发色影响之外, 烧制过程中本身就具备多种影响因素。一件青花瓷花瓶与一块普通红砖的区别不仅是原料不同, 同时涉及窑炉的气焰类型以及温度的差别。一块普通红砖与一块硬度高于红砖的青砖的区别, 即便是原料相同, 也涉及烧制方法和温度的差别。同样的坯料, 制作成尺寸相同, 造型相同的两件作品, 施以相同的釉料, 置于同一窑炉进行烧制, 不同的摆放位置也可能会造成坯体色彩的差别。所以烧成绝不是一件简单的事情。烧成温度与烧制过程中窑炉内的气氛, 会对坯体产生多种影响。烧制的气氛分为氧化气氛和还原气氛, 在不同的气氛中金属氧化物通过氧化反应或还原反应发色, 根据作品的预期效果进行气氛的控制。中性气氛烧成的器皿暗淡无光, 不可取, 除非需要这种色彩效果。目前通常所用的窑炉大多数为气窑或电窑, 这里要特别介绍一下乐烧窑和盐釉窑。乐烧和盐釉烧制的坯体均可施釉或不施釉, 乐烧过程中将烧制982℃的坯体稍作冷却后放入装有树叶、锯末、纸屑等类似可燃性材料的铁桶中, 得到色彩斑斓的装饰效果。盐釉的烧制过程中, 在窑温达到既定温度时直接向窑内未施釉的坯体上投撒盐粒, 形成透明光洁, 又带有橘皮效果的肌理。除此之外, 还有烟熏烧成、匣钵烧成、柴烧等, 都会在未施釉的情况下, 在烧成的过程中为坯料的色彩装饰效果造成独特的色彩的美感。

当谈及陶艺的色彩, 大家更多的是关注釉料的发色和烧制过程, 尤其是现在方便购买各种釉料的环境中, 自然会忽略陶艺的坯料发色情况。本文以坯料为重点, 从坯料自身的材料特征和发色特征出发, 概括分析影响坯料发色的诸多因素, 结合色泥、金属氧化物泥浆, 以及具体的坯料发色例证, 又以绞胎、紫砂、彩陶、埃及粘土等为实例, 说明改变坯料发色的因素。为了全面分析坯料发色的因素, 还从烧制过程中出现的各个细节中做探讨。本文完整的分析了影响陶艺作品坯料呈色的各种因素和条件, 对陶艺创作中坯料的认识和使用具有一定的参考价值。

摘要：在现代陶艺作品中, 造型、色彩、肌理效果、尺寸等的综合效果成为评判作品价值的主要因素。对于古代陶瓷收藏品, 其评判标准还包括其历史年代、工艺水平等其他因素。本文将坯料的色彩特别提出, 分析讨论陶艺坯料的呈色特征和影响坯料呈色的多种因素, 同时以色泥、金属氧化物泥浆为例, 说明坯体自身影响呈色的条件, 又例举宜兴紫砂坯料几种烧成之后具有独特色彩装饰效果的坯料进行具体说明。最后, 再将烧成过程以及几种特殊烧制方式对坯料呈色的影响进行阐述说明。

关键词：陶艺坯料,呈色,金属氧化物,烧制

注释

1[1]中国硅酸盐协会, 中国陶瓷史[M], 文物出版社, p213.

2[2]中国硅酸盐协会, 中国陶瓷史[M], 文物出版社, p393.

3[3]吴骞, 阳羡名陶录 (上卷.拜经楼刻本) .

坯料设计 第5篇

项目简介:找到扩展用于生产坯料的资源基地的方法, 这些坯料可用于快速编制和生产大、中、小型的装饰产品, 使用天然材料和废料。研发生产原料坯料的高产设备。坯料制得的装饰产品可用于室内和室外。得到的坯料可提高编制速度或用其他方法生产产品的速度, 更好地利用天然原料和工业废料。开发出几种类型的用于装饰、装修及建筑的坯料产品。在中国开发出产品, 可以将设备及坯料出口到越南、泰国、印尼、韩国、印度、泰国、加拿大、巴西和非洲。装饰产品可以出口到东南亚、独联体、欧盟、中东、中亚和美洲。

经济和技术优势:降低能源消耗, 坯料和产品的成本比普通产品降低2/3~1/2;生产坯料的设备回收期短 (6~8个月) ;用于生产多种新型装饰产品的资源得到扩大。