VR陶瓷燒造仿真技術創新探索

何東平

摘 要：鈞瓷窯變之美，主要指鈞瓷釉料在不同的還原氣氛燒制中所發生的色彩變化。但在傳統燒制過程中，燒窯工看不到陶瓷在燒制時的釉色變化，全憑幾塊小試片及經驗來判斷陶瓷的燒制狀況。而VR虛擬仿真技術的普及與應用為傳統鈞瓷非遺燒制技藝提供了一種全新可行的思路。由此，筆者主要分析虛擬現實在傳統鈞瓷非遺燒制技藝中的作用，以供參考。

關鍵詞：虛擬現實技術;陶瓷燒制;鈞瓷窯變;釉色

中圖分類號：TQ174.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0011-03

Innovative Exploration of VR Ceramic Firing Simulation Technology

—— On the Role of Virtual Reality in Traditional Non-relic Firing Techniques of Jun Porcelain

HE Dongping

Abstract： The beauty of Jun porcelain kiln mainly refers to the color change of Jun porcelain glaze during firing in different reducing atmosphere. But in the traditional firing process， the kiln workers can not see the change of glaze color of the ceramics during firing. They judge the firing status of the ceramics by a few small samples and experience. The popularization and application of VR virtual simulation technology provides a new and feasible idea for the traditional non-relic firing technology of Jun porcelain. Therefore， the author mainly analysed the role of virtual reality in the traditional non-relic firing technology of Jun porcelain for reference.

Keywords： Virtual Reality Technology;ceramic firing;kiln changes of Jun glaze;glaze color

1 VR陶瓷燒造仿真技術系統概述

VR陶瓷燒造仿真技術，是利用計算機模擬一個三維虛擬可視的傳統窯爐，給用戶提供一個視覺、觸覺及聽覺等環境，使用者可以沒有限制地全角度地觀察及控制窯爐內所燒制的陶瓷產品。其逼真性和實時交互性為陶瓷燒制工藝流程提供了有力支撐[1]。

VR陶瓷燒造仿真技術的主要作用：真實地模擬傳統鈞瓷非遺燒制技藝流程中的陶瓷成型、釉料配置、燒造制度等全過程。為當代鈞瓷釉料的研發與創新提供有一定價值的參考數據。

2 VR陶瓷燒造仿真技術在國家傳統鈞瓷非遺燒制技藝中的作用分析

2.1 傳統鈞瓷非遺燒制技藝分析

鈞瓷傳統燒制技藝可分為傳統柴燒技藝、傳統煤燒技藝等燒制工藝等。

2.1.1 傳統柴燒技藝。鈞瓷從唐代創燒初期到宋代一直延續柴燒工藝。當時煤炭資源被官府壟斷，價格昂貴，鈞瓷藝人們所用燃料都是就地取材，利用周邊山區豐富的栗樹等雜木進行燒制。由于木材發熱量低，所以鈞瓷燒成溫度不高，一般都在1 230～1 280℃。通過窯爐內氣氛還原，鈞瓷表面釉色均勻度統一，油光感強，視覺上產生一種剛中帶柔的溫潤效果[2]。

2.1.2 傳統煤燒技藝特征。鈞瓷煤燒是元代才有的燒制技術。與柴燒不同的是，煤在燒制過程中火焰短，依靠輻射升溫，火力猛，保溫時間長，燒制周期比柴燒短。所以，煤燒的鈞瓷窯釉質效果非常豐富凝重，剛勁深沉，有陽剛之氣。煤炭發熱量高，鈞瓷燒成溫度一般超過1 300℃。

2.1.3 天然氣燒制工藝（當代創新燒制技術）。鈞瓷天然氣燒制工藝始于1994年，是中國幾千年來傳統陶瓷燒制工藝的一大革命。該技術在全國陶瓷產區的普及有效減少了柴、煤燒制帶來的空氣污染，更加環保，大大減輕了陶瓷藝人們的勞動強度。

天然氣燒制的特征：窯爐溫度升溫快，并且可持續達到并保持在1 300℃左右，鈞瓷產品不用放在匣缽里，從而降低了勞動強度，鈞瓷產品成品率可以達到90%以上。天然氣燒制鈞瓷釉色艷麗，光彩奪目，窯變的多樣化適合當代人的消費觀念，更加適用于現代化大型日用瓷企業的批量生產。

2.1.4 電窯燒制技術及混合燒制工藝（當代創新燒制技術）。電窯燒制工藝是當代最流行最普及的陶瓷燒制技術，最大特點是溫度控制自動化程度高，操作簡單，升溫快，窯溫高，占地面積小，維護成本少等。

值得一提的是，近兩年陶瓷產區的技術人員通過不斷研發，初步實現了將電窯設備改造成電氣及電柴混合燒制技術，盡管還存在燒制技術不成熟及陶瓷產品質量不穩定等方面的問題，但值得肯定的是，陶瓷燒制技術創新已經邁出了一大步，同時也為以后陶瓷技術的發展拓展了思路。

2.2 VR陶瓷燒造仿真技術的功能及作用

VR陶瓷燒造仿真技術具有四大功能：模擬傳統柴燒技藝、模擬傳統煤燒技藝、模擬天然氣燒制工藝、模擬電窯燒制工藝及混合燒制工藝。

2.2.1 VR陶瓷燒造仿真技術在模擬鈞瓷柴燒技藝中作用

2.2.1.1 燃料模擬。通過對鈞瓷燒制木柴所含化學元素的數據分析，各類木柴燃燒值數據分析，木灰中含有金屬物質數據分析，建立燃料數據庫。

2.2.1.2 溫度模擬。①升溫曲線數據庫：根據傳統柴燒技藝特點，分析燒制過程中各階段升溫變化及燒成時間，建立相應的柴燒溫度曲線數據（采用柴燒技術的傳統鈞瓷燒成溫度在1 230～1 280℃）;②溫度傳感器種類：木柴燃燒特點是火焰長，而且火焰直接和器物接觸（裸燒），因此采用接觸式溫度傳感器;③溫度傳感器數量及分布：根據虛擬的柴窯爐內的空間大小，計算出溫度傳感器的數量，并采用分布式結構在窯爐內進行溫感部署[3]。

2.2.1.3 氣氛模擬。①二氧化碳數據庫：根據陶瓷燒成過程中的還原反應式（Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2），分析鈞瓷還原階段CO2含量及分布位置，建立相應二氧化碳濃度數據庫;②爐內氣氛壓力及流速數據庫：測試分析傳統鈞瓷燒造技藝過程中不同位置的氣氛壓力及流速，建立相應的數據庫。

2.2.2 VR陶瓷燒造仿真技術在模擬鈞瓷煤燒技藝中作用

2.2.2.1 燃料模擬。通過對鈞瓷燒制的煤燃料中所含化學元素的數據分析，煤的燃燒值數據分析，特別是鈞瓷產區的煤礦中含有金屬物質數據分析，建立煤燃料數據庫。

2.2.2.2 溫度模擬。①升溫曲線數據庫：根據傳統煤燒技藝特點，分析燒制過程中各階段升溫變化及燒成時間，建立相應的煤燒溫度曲線數據（采用煤燒技術的傳統鈞瓷燒成溫度在1 300～1 350℃，而且保溫時間長）;②溫度傳感器種類：鈞瓷煤燃燒特點是火焰短，屬于輻射升溫，多采用匣缽燒成，因此采用非接觸式溫度傳感器;③溫度傳感器數量及分布：根據虛擬的柴窯爐內的空間大小，計算出溫度傳感器的數量，并采用分布式結構在窯爐內進行溫感部署。

2.2.2.3 氣氛模擬。①二氧化碳數據庫：根據陶瓷燒成過程中的還原反應式（Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2），分析鈞瓷煤燒還原階段CO2及SO2含量及分布位置，建立相應二氧化碳及二氧化硫氣體濃度及其他化學元素的數據庫;②爐內氣氛壓力及流速數據庫：測試分析傳統鈞瓷煤燒技藝過程中不同位置的氣氛壓力及流速，建立相應的數據庫。

3 VR仿真技術在鈞瓷生產工藝流程中的技術探索與實施

利用虛擬現實技術模擬鈞瓷燒造技術及釉料研發，不僅可以縮短鈞瓷產品的研發周期，減少研發費用，而且能減少長期實驗所帶來的環境污染。例如，利用VR虛擬現實3D眼鏡等輔助設備，陶瓷工程師可以不用去窯爐車間，在實驗室就能直接觀察鈞瓷制燒制過程中釉料成色的實時狀態，并在模擬溫度、還原氣氛、釉料成色過程中發現問題，從而在陶瓷制品批量生產之前，及時高效地調整陶瓷材料的各類成分，并準確把握陶瓷在生產中的陶瓷原材料、溫度曲線、還原氣氛數據、產品收縮比等數據，進而解決研發中發現的各類問題。

3.1 VR陶瓷燒造仿真技術在鈞瓷生產工藝流程中的主要內容

3.1.1 鈞瓷成型技術工藝。鈞瓷成型工藝過程包括有原材料的分析、鈞瓷泥料可塑性及流動性測試、原材料溫度測試等主要內容。

3.1.1.1 原材料分析。陶瓷胚體是由黏土、石英及長石等按不同配方配制加工而成，有灰黑胎、灰白胎之分，可根據各類胎體原材料化學元素含量組成數據，建立相應的原材料數據庫。

3.1.1.2 陶瓷泥料可塑性及流動性測試。鈞瓷成型工藝方式有輪制成型工藝（拉胚成型）、注漿成型工藝及輥壓成型工藝等，根據鈞瓷胚體成型工藝的方式及特點建立相應的泥料數據。

3.1.1.3 原材料溫度測試。鈞瓷的燒制工藝對溫度有嚴格要求，原材料的耐火度要達到1 350℃。因此，鈞瓷的原材料配方中要相應地加入一定比例的耐高溫原材料。經實驗后建立相關的原材料溫度數據。

3.1.2 鈞瓷釉料配置工藝。鈞瓷釉色之美，關鍵在于釉料的配方工藝。鈞瓷釉料工藝包括釉的分類、釉的原材料、釉料配方計算等。根據采集分析傳統鈞瓷釉色中的原材料化學元素含量組成數據，并建立相應的釉料原材料數據庫。

3.1.2.1 釉的分類。傳統鈞瓷窯變釉料主要分為單色釉、彩斑釉、花釉等。

3.1.2.2 釉料原材料組成。形成鈞釉的基本化學元素成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、ZnO、K2O、Na2O、P2O5、SnO2等。

鈞瓷窯變釉采用的原材料主要是當地開采的天然礦石、人工原材料及化工化學原材料。天然礦石原料主要有長石類、方解石、瑪瑙石、滑石、銅礦石、鐵礦石等。人工原材料有草木灰、牛骨粉等?；瘜W化工原材料主要有氧化銅、氧化鋅等。

3.1.2.3 建立釉料計算配方的數據。鈞瓷銅紅釉配方：黃長石37～43份、石英13～19份、方解石10～16份、青堿4.5～5.5份、熔塊12～18份、牛骨粉0.5～1.5份、氧化錫2.5～3.5份、氧化鋅3.5～4.5份、滑石2～3份、氧化銅0.25～0.75份。

具體計算公式如下：

釉式氧化物的系數×氧化物的分子量=氧化物的重量（1）

氧化物的重量總和÷氧化物的重量×100=氧化物化學組成的百分數 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

3.1.2.4 建立鈞釉原材料細度標準數據。研磨細度：250目萬孔篩篩余1%～2%。

3.1.3 鈞瓷燒造制度階段數據分析。鈞瓷傳統窯變燒制技藝包括以下幾個步驟。

①氧化焰階段。制成的鈞瓷胚體經過素燒上釉后放置在窯爐容器中，在氧化氣氛下燒制，使溫度在4h從室溫緩慢升溫至900℃過程中，排除上釉時胎體中的水分與釉層中所含的水分。

②強還原焰階段。在強還原氣氛下，使溫度在5h左右從900℃均勻升至1 180℃。該階段為氧化氣氛轉變為還原氣氛，應減少進氧量，讓燃料（煤、柴、天然氣等）燃燒不充分，使窯爐內有充足的一氧化碳氣體含量。通過燃料（煤、柴、天然氣等）燃燒所產生的一氧化碳氣體與鈞瓷釉料中所含的銅和鐵得以還原，窯變成豐富多彩的釉色。

③弱還原焰階段。在弱還原氣氛下，使溫度在5h左右從1 180℃升至1 300℃。該階段緩慢升溫并減少一氧化碳氣體的濃度，一直到鈞瓷釉料燒成溫度，弱還原氣氛可以使釉面光亮。

④冷卻階段。自然冷卻至室溫。該階段鈞瓷釉所產生出液相分離及析出晶體現象，并逐步形成釉面固化、顯色等狀況。這段燒制工藝也稱為二次窯變階段。階段時間一般為10h左右。

3.2 鈞瓷窯爐燒制工藝中的可視化及實時數據交互探索

3.2.1 仿真可視化界面。VR鈞瓷燒造仿真技術的作用是利用虛擬技術還原一座真實的窯爐燒造場景，操作者通過佩戴相應的可視設備，真實地看到鈞瓷在不同溫度下所呈現的物理及化學釉色窯變反應。傳統窯爐燒制過程是全封閉的，燒窯工看不到陶瓷在燒制時的釉色變化，全憑幾塊小試片及經驗來判斷陶瓷的燒制狀況。

3.2.2 實時數據互動仿真可視化管理界面。鈞瓷燒造過程中窯爐內的溫度、一氧化碳氣體等實時數據的變化，對技術人員了解并掌握陶瓷燒制技術十分重要。通過系統真實地模擬燒制過程及各種實時數據的可視化，技術人員可以準確地觀察每個燒制階段的升溫曲線、氧化氣氛、還原氣氛等對陶瓷釉色所產生的影響。

3.2.3 VR鈞瓷燒造仿真技術的兼容性和可擴展性。為了滿足未來新技術設備在VR陶瓷燒造仿真技術中的應用，本系統應具備二次開發能力;其中包括軟件兼容性，外圍設備的接口控制能力及海量數據的處理能力，以滿足本系統的升級。

3.2.4 VR鈞瓷燒造仿真技術實驗數據報告分析。虛擬仿真窯爐燒制過程結束，系統會自動顯示本次鈞瓷燒造實驗結果數據分析報告。技術人員可以通過詳實準確的實驗數據發現實驗階段的問題，并進一步完善鈞瓷產品在燒造過程中的各項工藝指數，不斷提高產品質量并降低生產成本。

4 結論

鈞瓷的釉色窯變之美，曾經是我國古代陶瓷藝人們在燒造技藝上的一大創舉，并在中國陶瓷歷史發展中占有重要地位。從鈞瓷天然氣燒制技術工藝的創新應用，到電氣混合燒制技術的研發。鈞瓷技術工藝的創新一直沒有停止，筆者堅信，VR陶瓷燒造仿真技術在傳統鈞瓷非遺燒制技術中的應用，更為鈞瓷產業的振興插上了一雙騰飛的翅膀。

參考文獻：

[1]周大有.入窯一色，出窯萬彩[J].收藏界，2006（12）：169.

[2]鈞瓷呈色的物理模型及應用[D].鄭州：鄭州大學，2007.

[3]王培景.正交實驗法在提高陶瓷釉面硬度實驗中的應用[J].山東陶瓷，2013（4）：22-23.