材料工艺陶瓷的配料及计算.ppt

陶瓷的配料及计算,洛阳理工学院 2011.2,一、陶瓷坯釉料配比和组成的表示方法 二、企业各种配方的价值与意义 三、陶瓷坯体配方计算,陶瓷的配料及计算,一、陶瓷坯釉料配比和组成的表示方法,陶瓷的配料包括坯料和釉料的配料两种，坯料和釉料的表示方法相近但有差异。 陶瓷配料的表示方法主要有四种：示性矿物组成、实验式表示法、化学组成和配料量表示法。我们在企业看到的主要是配料量表示法；在许多参考书中看到的化学组成和实验式表示法；示性矿物组成表示法一般只在说明坯体的性质时才使用，没有实际意义。,一、陶瓷坯料和釉料配比的表示方法 1、示性矿物组成表示法 如：某瓷器的组成是：长石25、石英35、粘土40，属于长石瓷。 2、化学组成表示法 邯郸陶瓷研究所研制的瓷器配方：SiO272.4、TiO20.11、Al2O3、21.5、Fe2O30.11、Na2O0.69、K2O3.24、CaO1.3、MgO1.3、其它氧化物6.53。 我国瓷的化学组成一般在下列之间波动：SiO26575、Al2O31925、ROR2O46。 一般瓷的化学组成不固定，SiO2含量高时Al2O3就低，我国和日本的瓷器就是如此；反之也成立，SiO2低时Al2O3含量就高，欧美的瓷器就是这样。,一、陶瓷坯釉料配比和组成的表示方法,3、实验式表示法 釉式是以R2ORO摩尔数（mol数）总和为1，再计算其他的三价氧化物和SiO2的数值，写出釉式。我国日用瓷、古瓷及著名产瓷区的釉式如下：（R2ORO）（1.94.5）Al2O3（1220）SiO2，烧成温度约1300。 康熙年间的斗彩青花釉实验式： （0.185K2O0.151Na2O0.548CaO0.116MgO）（0.664Al2O30.034Fe2O3）0.4879SiO2。 少数国内瓷器和多数国外瓷器的釉式如下： （R2ORO）（46）Al2O3（20.527.5）SiO2，烧成温度约1400。 坯式则是以三价氧化物摩尔数（mol数）总和为1，再计算碱性氧化物和SiO2的数值，写出坯式。 瓷器坯体的实验式表示法如下：（我国康熙瓷的实验式） （0.86K2O0.12Na2O0.082CaO0.030MgO）（0.978Al2O30.022Fe2O3）4.15SiO2,一、陶瓷坯釉料配比和组成的表示方法,4、配料量表示法（釉料和坯料都可以采用该方法表示，但初学者不容易分清坯、釉式），即在陶瓷配方中，用原料的质量分数(或质量)来表示配方组成的方法。例如：鲁青瓷配方如下，煅烧滑石75、长石12、新汶高岭土10、莱阳土3、碱0.3粉；某厂坯料配料量，石英29，长石21，大同砂石32，界牌土15，滑石3。现在许多工厂都以某种矿物的产地来命名及计算添加量。 这四种表示方法除了示性矿物组成表示方法太粗外，其它三种方法之间是可以相互转化的，转化的方法就是化学百分比和mol数百分比之间的转化。,一、陶瓷坯釉料配比和组成的表示方法,二、企业各种配方的价值与意义,陶瓷的烧结温度主要与配比有关，指的是化学组成。化学组成一致的坯体烧结温度相同，这也是我们研制的测温三角锥的根据，陶瓷的很多生产技术和使用性质都由此而来；耐火材料也是如此。但陶瓷的生产不单是依靠烧结一种条件来控制制品的质量，陶瓷在生产加工过程中还要成型，必须考虑其成型性能。 陶瓷的工艺性能主要与所使用的原料有关，从理论上讲，单独的瓷石可以烧结为陶瓷，但因工艺性能差而不能单独使用。 对于日用瓷而言，一般常用塑性成型，坯料的塑性很重要，通过添加塑性粘土和瘠性物料的比例来改变坯体的塑性；对于卫生瓷而言，多常用注浆成型，泥浆的流变性（流动性和触变性）很重要，泥浆中往往有一定数量的蒙脱石；而墙地砖则多常用压制成型，对可塑性要求不高，可少量使用高可塑性粘土，但如果坯体中没有粘土类矿物或粘土类矿物过少，则坯体强度低，成型后的坯体易开裂、破损而影响产品合格率，影响制品的产量和质量。,我们在企业看到的多是物料组成，单这个配方对我们价值不大！（配方中各物料的自由水和结合水含量是多少？各物料的工艺性能是什么，它们各自的化学组成是多少及成分波动，对这种瓷器的物理化学性能要求是什么？等这些问题都非常清楚时，这个配方才真正有价值。） 如果知道一个企业的完整配方，则需要知道矿物配比和每种矿物的化学组成和工艺性能，这种配方才具有价值！（知道化学组成就知道这种陶瓷的烧结温度、知道工艺性能则了解加工方法！）许多陶瓷工艺课本都给出了陶瓷坯体和釉料的化学组成和矿物组成，也给出一些陶瓷的物料组成，但没有对应关系。我们要努力找出它们的对应关系，这样的话，到工厂去，我们人人都是专家。 实际工作中，我们经常看到一个企业请了一个专家，请了一个人去管理这个企业， 这个人除了具有专业知识外还要具备较强的管理能力和做人的本领（为人处事的本领），这样才能管理好。,二、企业各种配方的价值与意义,在此，主要介绍测温三角锥对坯釉烧成温度的意义 我们把试样的化学组成换算为实验式，通过实验式可以大致判断试样的烧结温度，判断试样的耐火度，进而估计试样的烧成温度。 方法是：把试样中的碱金属和碱土金属氧化物mol含量计算出来并加和，把Al2O3、Fe2O3、Cr2O3等三价化合物归结为Al2O3，把剩余的四价及其更高价化合物都归结为SiO2，把这些计算数据按照R2ORO总和为1分别计算试样中Al2O3和SiO2的含量，写出实验式；同时，把测温三角锥的化学组成也按照该方法计算，得到各三角锥的实验式；通过试样的实验式与测温三角锥实验式对比，与试样最接近的那个三角锥耐火度也近似是试样的耐火度，再考虑试样中杂质比较多，适当下调耐火度对应的温度，根据耐火度与烧结温度的关系，估计出试样的烧结温度 。,二、企业各种配方的价值与意义,单一的天然原料很难满足陶瓷生产的化学成分和工艺性能要求，往往需要几种物料配合陶瓷坯体配方的计算是采用满足主要化学成分和工艺性能要求来逐步计算的。 产品的物理性质和使用性能要求是考虑坯料和釉料组成的主要依据，如：日用瓷要求坯体的白度、釉的透明度和光泽度，整套的瓷器器形规整、色泽一致；而电瓷则要求较高的力学性能和电器绝缘性能，釉面砖则规格一致、表面平整并有一定的吸水率。在拟定陶瓷的配方时，可采用一些工厂或研究单位积累的经验和数据，以节省时间且提高效率。 在进行配料计算时，还要了解各种物料的工艺性能（可塑性、触变性和流动性等）和化学成分对试样化学组成的影响，了解原料对试样成型性能、干燥性能和烧成性能的影响。还要选择来源广泛、价格低廉、性能稳定、运输方便的原料。 在初步选定所使用的原料后，再进行配料配比的计算。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,在计算前，把所有的物料按化学组成都换算成灼烧基（把吸附水、结晶水及一些有机物杂质等都除去）；把所有的物料都按化学组成换算为mol组成（不换算也可），按满足法去计算坯体的配料量：一般是采用长石矿物满足坯体中钾钠含量的要求，再用粘土满足试样中剩余Al2O3的用量要求，最后用石英满足剩余SiO2的用量要求。但采用这种方法没有考虑试样的工艺性能，一般试样中蒙脱石（膨润土）的含量不大于4，在配料计算时，应该首先计算添加蒙脱石后剩余试样的各成分含量，再用满足法计算。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,（一）、从化学组成计算实验式 若知道了坯料的化学组成，可按下列步骤计算成为实验式。 若坯料的化学组成包含有灼减量成分，首先应将其换算成不含灼减量的化学组成。 以各氧化物的摩尔质量，分别除各该项氧化物的质量分数，得到各氧化物的量n(mol)； 以碱性氧化物或中性氧化物总和，分别除各氧化物的量，即得到一套以碱性氧化物或中性氧化物为1mol的各氧化物的数值； 将上述各氧化物的量按RO、R2O3和RO2的顺序排列为实验式。 下面是某瓷坯的化学组成，试计算其实验式。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,解先将该瓷坯的化学组成换算成不含有灼减量的化学组成 w(SiO2)=63.37/(100-5.54)100=67.09 w(Al2O3)=24.87/(100-5.54)100=26.33 w(Fe2O3)=0.81/(100-5.54)1000.8575 w(CaO)1.15/(100-5.54)1001.217 w(MgO)0.32/(100-5.54)100=0.3388 w(K2O)2.05/(100-5.54)1002.170 w(Na2O)1.89/(100-5.54)1002.001 100.00,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,将各氧化物质量分数除以各种氧化物的摩尔质量，得到各种氧化物的量(mol) n(SiO2)67.09/60.11.116(mol) n(Al2O3)=26.33/101.90.2583(mol) n(Fe2O3)0.8575/159.70.0054(mol) n(CaO)=1.217/56.1=0.0217(mol) n(MgO)=0.3388/40.30.0084(mol) n(K2O)2.17/94.2=0.0230(mol) n(Na2O)=2.001/620.0323(mol) 将中性氧化物的总量算出：0.2583十0.00540.2637(mol),三、陶瓷坯、釉料的配方计算,用0.2637除各氧化物的量，得到一套以R2O3系数为1的各氧化物系数。 SiO21.116/0.26374.232 Al2O30.2583/0.26370.9795 Fe2O30.0054/0.26370.0205 CaO0.0217/0.26370.0823 MgO0.0084/0.26370.0319 K2O0.0230/0.26370.0872 Na2O0.0323/0.26370.1224 将各氧化物按照规定的顺序排列，得到瓷坯的坯式。 0.0872K2O 0.1224Na2O 0.9795Al2O3 4.232SiO2 0.0823CaO 0.0205Fe2O3 0.0319MgO,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,（二）、由实验式计算坯体的化学组成 若已知道坯料的实验式，可通过下列步骤的计算，得到坯料的化学组成。 用实验式中各氧化物的量分别乘以该氧化物的摩尔质量，得到该氧化物的质量 算出各氧化物质量之总和； 分别用各氧化物的质量除以氧化物质量之总和，可获得各氧化物所占质量分数。 下面是我国雍正薄胎粉彩碟的瓷胎实验式为： 0.088CaO 0.010MgO 0.982 Al2O3 4.033SiO2 0.077Na2O 0.018 Fe2O3 0.120K2O 试计算该瓷胎的化学组成,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,解计算出各氧化物的质量： m(CaO)0.08856.14.937(g) m(MgO)0.01040.30.403(g) m(Na2O)0.07762.0=4.774(g) m(K2O)0.12094.2=11.30(g) m(Al2O3)0.982101.9=100.1(g) m(Fe2O3)0.018159.7=2.875(g) m(SiO2)4.03360.1=242.4(g) 计算出各氧化物质量总和为366.8g,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,计算出各氧化物所占的质量分数： w(CaO)4.937/366.8100%=1.346% w(MgO)0.403/366.8100%=0.1099% w(Na2O)4.774/366.8100%=1.301% w(K2O)11.30/366.8100%=3.081% w (Al2O3)100.1/366.8100%=27.29% w(Fe2O3)2.875/366.8100%=0.78% w(SiO2)242.4/366.8100%=66.09%,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,（三）、由配料量计算实验式 由坯料的实际配料量计算实验式，应按下列步骤进行计算： 首先要知道所使用的各种原料的化学组成，即各种原料所含每种氧化物的质量分数，并把各种原料的化学组成换算成不含灼减量的化学组成； 将每种原料的配料量(质量)，乘以各氧化物的质量分数，即可得到各种氧化物质量 将各种原料中共同氧化物的质量加在一起，得到坯料中各氧化物的总质量； 以各氧化物的摩尔质量分别去除它的质量，得到各氧化物的量(mol)； 以中性氧化物的总量去除各氧化物的量，即得到一系列以中性氧化物(R2O3)系数为1的一套各氧化物的摩尔系数； 按规定的顺序排列各种氧化物，即可得到所要求的实验式。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,某厂的坯料配料量如下：石英13，长石22，宽城土65，滑石1 各种原料的化学组成如下表所示，试求该坯料的实验式。,解将各种原料的化学组成换算成不含灼减量的化学组成，见下表,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,计算各种原料中每种氧化物的质量： 长石：SiO22265.7714.47(g) A12O32219.474.28(g) Fe2O3220.710.16(g) CaO220.200.04(g) K2O228.991.98(g) Na2O224.861.07(g) 石英：SiO21398.5412.81(g) A12O3130.720.094(g) Fe2O3130.270.035(g) CaO130.370.048(g) MgO130.250.033(g) 宽城土：SiO26564.7642.09(g) Al2O36533.2521.61(g) Fe2O3650.340.22(g) CaO650.520.34(g) MgO650.470.3l(g) K2O650.530.34(g) Na2O650.130.085(g) 滑石：SiO2=164.370.64(g) Al2O311.27=0.013(g) Fe2O3l0.150.015(g) CaO=13.30.033(g) MgO130.910.31(g),三、陶瓷坯、釉料的配方计算,将各原料中的各种氧化物加和，求出坯料中每种氧化物的总质量： SiO214.47+12.81+42.09+0.6470.01(g) A12O3=4.28+0.094+21.61+0.01325.997(g) Fe2O30.16+0.035+0.22+0.0150.4165(g) CaO0.04+0.048+0.34+0.0330.461(g) MgO0+0.033+0.31+0.310.653(g) K2O1.98+0+0.34+02.32(g) Na2O1.07+0+0.085+0=1.155(g),三、陶瓷坯、釉料的配方计算,用每种氧化物的摩尔质量分别去除每种氧化物的质量，得到每种氧化物的量n（mol）： SiO270.01/60.11.1649(mol) A12O3=25.997/101. 90.2551(mol) Fe2O3=0.4165/159.70.0026(mol) CaO0.461/56.10.0082(mol) MgO0.653/40.30.0162(mol) K2O2.32/94.20.0246(mol) Na2O1.155/620.0185(mol) 计算出中性氧化物(R2O3)的总量： 0.2551十0.00260.2577(mol),三、陶瓷坯、釉料的配方计算,以0.2577分别除每种氧化物的量： SiO21.1649/0.2577=4.5204 A12O3=0.2551/0.2577= 0.9899 Fe2O30.0026/0.2577=0.0101 CaO0.0082/0.2577=0.0318 MgO0.0162/0.2577=0.0629 K2O0.0246/0.2577=0.0955 Na2O0.0185/0.2577=0.0722 将各氧化物按规定的顺序排列，得到该坯料的实验式： 0.0955 K2O 0.0722 Na2O 0.9899 A12O3 4.5204 SiO2 0.0318 CaO 0.0101 Fe2O3 0.0629 MgO,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,（四）、由实验式讨算配料量： 由坯料的实验式计算其配料量时，首先必须知道所用原料的化学组成，其计算方法如下： 将原料的化学组成计算成为示性矿物组成所要求的形式，即计算出各种原料的矿物组成； 将坯料的实验式计算成为粘土、长石及石英矿物的质量分数。在计算中，要把坯料实验式中的K2O、Na2O、MgO都粗略地归并为K2O，则坯料的实验式可写成如下形式： aR2ObA12O3cSiO2 用满足法来计算坯料的配料量，分别以粘土原料和长石原料满足实验式中所需要的各种矿物的数量，最后再用石英原料来满足实验式中石英矿物所需要的数量。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,某厂坯料的实验式如下： 0.031Na2O 0.078K2O 71.0Al2O33.05SiO2 0.047CaO 使用原料的化学组成见下表：,试计算该坯料的配料量， 解将各种原料的化学组成换算成示性矿物组成。为简化计算过程可将原料中的K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2均作为熔剂部分，即作为长石来计算。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,例如高岭土原料可简化为：SiO249.04、Al2O338.05，K2O0.28，再另行换算。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,所以，高岭土原料的矿物组成：粘土0.37mol258.2=95.53 长石矿物0.003556.8=1.67，石英矿物0.05960.1=3.54 =100.74 各矿物的质量分数为：长石矿物1.67/100.74100%=1.66%，粘土矿物95.53/100.74100%=94.83%，石英矿物3.54/100.74100%=3.51 用相同方法计算得到：长石原料中含长石矿物96.33%、石英3.67%；石英原料中含石英矿物99.4%。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,计算坯料实验式中所需要的各种矿物组成的百分数，在计算过程同样把K2O、Na2O、CaO作为K2O的量来计算。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,坯料中含各种矿物组成为：长石矿物 0.156556.8=86.86 粘土矿物 0.844258.2=217.92 石英矿物 0.42660.0=25.56 =330.34 其质量分数：长石矿物 86.86/330.34100%=26.3%，粘土矿物 217.92/330.34100%=66% 石英矿物 25.56/330.34100%=7.7% 用满足法计算原料的配入量：,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,（五）、由示性矿物组成计算配料量 已知坯料的矿物组成及原料的化学组成时，须先将原料的化学组成换算成原料的矿物组成，然后再进行配料汁算。若已知坯料及原料的矿物组成，则可直接计算其配方。配方的计算，首先以粘土原料中的粘土矿物部分来满足坯料中所需要的矿物成分，然后将随粘土原料带入的长石矿物和石英矿物部分分别从所需求的百分数中减去，再分别以长石原料和石英原料来满足坯料中所需要的长石矿物及石英矿物。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,已知所使用原料的化学组成如下：,试用以上几种原料计算出坯料中含粘土矿物63.08、长石矿物28.62、石英矿物8.3的配料量。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,解首先按上一例的方法将各种原料的化学组成换算成各种原料的矿物组成； 计算配料量，先用粘土原料满足坯料中所需要的粘土矿物，现坯料中的粘土矿物由高岭土和粘土两种原料来供给，因此计算前应确定高岭土及粘土的用量，从这两种原料的可塑性、收缩率、烧后颜色等各项工艺性能来考虑，假定坯料中的粘土矿物一半由高岭土供给，则另一半应由粘土原料来供给。 高岭土用量：1/263.08%100/96.78=32.59% 粘土用量：1/263.08%100/89.72=35.15%,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,由32.59%的高岭土原料引入的长石矿物：32.590.0196=0.64% 由32.59%的高岭土原料引入的石英矿物：32.590.0126=0.41% 由35.15的粘土原料引入的长石矿物：35.150.07662.69 由35.15的粘土原料引入的石英矿物：35.150.0262=0.92% 高岭土和粘土原料共引入的石英矿物；0.41+0.921.33% 坯料所需石英矿物8.3%，扣除由高岭土与粘土两种原料引入的石英矿物1.33%外，其余数量可全由石英原料来供给，故石英原料用量为：（8.3-1.33）100/95.6=7.29%,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,由于石英原料中含有4.4%的长石矿物，则7.29%的石英原料引入长石矿物为： 7.290.0440.32 由高岭土、粘土、石英三种原料引入的长石矿物为： 0.64+2.69+0.32%3.65 故长石原料用量为： 28.62-3.6524.97 由上述计算得到坯料的配料量为：高岭土32.59，粘土35.15，石英7.29%，长石24.97%。,三、陶瓷坯、釉料的配方计算,（六）、由化学组成计算配料量 当陶瓷产品的化学组成和采用的原料的化学组成均为巳知，且采用的原料的化学组成又比较纯净，采用上述两种计算方法虽可行，但有时遇到所用原料比较复杂时仍嫌不够准确。因为上述方法的计算中或以CaO、MgO、Na2O统作为K2O并入一道计算，或采用粘土、长石、石英原料的示性矿物组成作为计算基础，使之计算产生较大的偏差。若以原料化学组成的质量分数直接来计算，则可以得到较准确的结果。 在计算的过程中，可根据原料性质和成形的要求，参照生产经验先确定一二种