VR陶瓷烧造仿真技术创新探索

何东平

摘 要：钧瓷窑变之美，主要指钧瓷釉料在不同的还原气氛烧制中所发生的色彩变化。但在传统烧制过程中，烧窑工看不到陶瓷在烧制时的釉色变化，全凭几块小试片及经验来判断陶瓷的烧制状况。而VR虚拟仿真技术的普及与应用为传统钧瓷非遗烧制技艺提供了一种全新可行的思路。由此，笔者主要分析虚拟现实在传统钧瓷非遗烧制技艺中的作用，以供参考。

关键词：虚拟现实技术;陶瓷烧制;钧瓷窑变;釉色

中图分类号：TQ174.1 文献标识码：A 文章编号：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陶瓷燒造仿真技术系统概述

VR陶瓷烧造仿真技术，是利用计算机模拟一个三维虚拟可视的传统窑炉，给用户提供一个视觉、触觉及听觉等环境，使用者可以没有限制地全角度地观察及控制窑炉内所烧制的陶瓷产品。其逼真性和实时交互性为陶瓷烧制工艺流程提供了有力支撑[1]。

VR陶瓷烧造仿真技术的主要作用：真实地模拟传统钧瓷非遗烧制技艺流程中的陶瓷成型、釉料配置、烧造制度等全过程。为当代钧瓷釉料的研发与创新提供有一定价值的参考数据。

2 VR陶瓷烧造仿真技术在国家传统钧瓷非遗烧制技艺中的作用分析

2.1 传统钧瓷非遗烧制技艺分析

钧瓷传统烧制技艺可分为传统柴烧技艺、传统煤烧技艺等烧制工艺等。

2.1.1 传统柴烧技艺。钧瓷从唐代创烧初期到宋代一直延续柴烧工艺。当时煤炭资源被官府垄断，价格昂贵，钧瓷艺人们所用燃料都是就地取材，利用周边山区丰富的栗树等杂木进行烧制。由于木材发热量低，所以钧瓷烧成温度不高，一般都在1 230～1 280℃。通过窑炉内气氛还原，钧瓷表面釉色均匀度统一，油光感强，视觉上产生一种刚中带柔的温润效果[2]。

2.1.2 传统煤烧技艺特征。钧瓷煤烧是元代才有的烧制技术。与柴烧不同的是，煤在烧制过程中火焰短，依靠辐射升温，火力猛，保温时间长，烧制周期比柴烧短。所以，煤烧的钧瓷窑釉质效果非常丰富凝重，刚劲深沉，有阳刚之气。煤炭发热量高，钧瓷烧成温度一般超过1 300℃。

2.1.3 天然气烧制工艺（当代创新烧制技术）。钧瓷天然气烧制工艺始于1994年，是中国几千年来传统陶瓷烧制工艺的一大革命。该技术在全国陶瓷产区的普及有效减少了柴、煤烧制带来的空气污染，更加环保，大大减轻了陶瓷艺人们的劳动强度。

天然气烧制的特征：窑炉温度升温快，并且可持续达到并保持在1 300℃左右，钧瓷产品不用放在匣钵里，从而降低了劳动强度，钧瓷产品成品率可以达到90%以上。天然气烧制钧瓷釉色艳丽，光彩夺目，窑变的多样化适合当代人的消费观念，更加适用于现代化大型日用瓷企业的批量生产。

2.1.4 电窑烧制技术及混合烧制工艺（当代创新烧制技术）。电窑烧制工艺是当代最流行最普及的陶瓷烧制技术，最大特点是温度控制自动化程度高，操作简单，升温快，窑温高，占地面积小，维护成本少等。

值得一提的是，近两年陶瓷产区的技术人员通过不断研发，初步实现了将电窑设备改造成电气及电柴混合烧制技术，尽管还存在烧制技术不成熟及陶瓷产品质量不稳定等方面的问题，但值得肯定的是，陶瓷烧制技术创新已经迈出了一大步，同时也为以后陶瓷技术的发展拓展了思路。

2.2 VR陶瓷烧造仿真技术的功能及作用

VR陶瓷烧造仿真技术具有四大功能：模拟传统柴烧技艺、模拟传统煤烧技艺、模拟天然气烧制工艺、模拟电窑烧制工艺及混合烧制工艺。

2.2.1 VR陶瓷烧造仿真技术在模拟钧瓷柴烧技艺中作用

2.2.1.1 燃料模拟。通过对钧瓷烧制木柴所含化学元素的数据分析，各类木柴燃烧值数据分析，木灰中含有金属物质数据分析，建立燃料数据库。

2.2.1.2 温度模拟。①升温曲线数据库：根据传统柴烧技艺特点，分析烧制过程中各阶段升温变化及烧成时间，建立相应的柴烧温度曲线数据（采用柴烧技术的传统钧瓷烧成温度在1 230～1 280℃）;②温度传感器种类：木柴燃烧特点是火焰长，而且火焰直接和器物接触（裸烧），因此采用接触式温度传感器;③温度传感器数量及分布：根据虚拟的柴窑炉内的空间大小，计算出温度传感器的数量，并采用分布式结构在窑炉内进行温感部署[3]。

2.2.1.3 气氛模拟。①二氧化碳数据库：根据陶瓷烧成过程中的还原反应式（Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2），分析钧瓷还原阶段CO2含量及分布位置，建立相应二氧化碳浓度数据库;②炉内气氛压力及流速数据库：测试分析传统钧瓷烧造技艺过程中不同位置的气氛压力及流速，建立相应的数据库。

2.2.2 VR陶瓷烧造仿真技术在模拟钧瓷煤烧技艺中作用

2.2.2.1 燃料模拟。通过对钧瓷烧制的煤燃料中所含化学元素的数据分析，煤的燃烧值数据分析，特别是钧瓷产区的煤矿中含有金属物质数据分析，建立煤燃料数据库。

2.2.2.2 温度模拟。①升温曲线数据库：根据传统煤烧技艺特点，分析烧制过程中各阶段升温变化及烧成时间，建立相应的煤烧温度曲线数据（采用煤烧技术的传统钧瓷烧成温度在1 300～1 350℃，而且保温时间长）;②温度传感器种类：钧瓷煤燃烧特点是火焰短，属于辐射升温，多采用匣钵烧成，因此采用非接触式温度传感器;③温度传感器数量及分布：根据虚拟的柴窑炉内的空间大小，计算出温度传感器的数量，并采用分布式结构在窑炉内进行温感部署。

2.2.2.3 气氛模拟。①二氧化碳数据库：根据陶瓷烧成过程中的还原反应式（Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2），分析钧瓷煤烧还原阶段CO2及SO2含量及分布位置，建立相应二氧化碳及二氧化硫气体浓度及其他化学元素的数据库;②炉内气氛压力及流速数据库：测试分析传统钧瓷煤烧技艺过程中不同位置的气氛压力及流速，建立相应的数据库。

3 VR仿真技术在钧瓷生产工艺流程中的技术探索与实施

利用虚拟现实技术模拟钧瓷烧造技术及釉料研发，不仅可以缩短钧瓷产品的研发周期，减少研发费用，而且能减少长期实验所带来的环境污染。例如，利用VR虚拟现实3D眼镜等辅助设备，陶瓷工程师可以不用去窑炉车间，在实验室就能直接观察钧瓷制烧制过程中釉料成色的实时状态，并在模拟温度、还原气氛、釉料成色过程中发现问题，从而在陶瓷制品批量生产之前，及时高效地调整陶瓷材料的各类成分，并准确把握陶瓷在生产中的陶瓷原材料、温度曲线、还原气氛数据、产品收缩比等数据，进而解决研发中发现的各类问题。

3.1 VR陶瓷烧造仿真技术在钧瓷生产工艺流程中的主要内容

3.1.1 钧瓷成型技术工艺。钧瓷成型工艺过程包括有原材料的分析、钧瓷泥料可塑性及流动性测试、原材料温度测试等主要内容。

3.1.1.1 原材料分析。陶瓷胚体是由黏土、石英及长石等按不同配方配制加工而成，有灰黑胎、灰白胎之分，可根据各类胎体原材料化学元素含量组成数据，建立相应的原材料数据库。

3.1.1.2 陶瓷泥料可塑性及流动性测试。钧瓷成型工艺方式有轮制成型工艺（拉胚成型）、注浆成型工艺及辊压成型工艺等，根据钧瓷胚体成型工艺的方式及特点建立相应的泥料数据。

3.1.1.3 原材料温度测试。钧瓷的烧制工艺对温度有严格要求，原材料的耐火度要达到1 350℃。因此，钧瓷的原材料配方中要相应地加入一定比例的耐高温原材料。经实验后建立相关的原材料温度数据。

3.1.2 钧瓷釉料配置工艺。钧瓷釉色之美，关键在于釉料的配方工艺。钧瓷釉料工艺包括釉的分类、釉的原材料、釉料配方计算等。根据采集分析传统钧瓷釉色中的原材料化学元素含量组成数据，并建立相应的釉料原材料数据库。

3.1.2.1 釉的分类。传统钧瓷窑变釉料主要分为单色釉、彩斑釉、花釉等。

3.1.2.2 釉料原材料组成。形成钧釉的基本化学元素成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、ZnO、K2O、Na2O、P2O5、SnO2等。

钧瓷窑变釉采用的原材料主要是当地开采的天然矿石、人工原材料及化工化学原材料。天然矿石原料主要有长石类、方解石、玛瑙石、滑石、铜矿石、铁矿石等。人工原材料有草木灰、牛骨粉等。化学化工原材料主要有氧化铜、氧化锌等。

3.1.2.3 建立釉料计算配方的数据。钧瓷铜红釉配方：黄长石37～43份、石英13～19份、方解石10～16份、青堿4.5～5.5份、熔块12～18份、牛骨粉0.5～1.5份、氧化锡2.5～3.5份、氧化锌3.5～4.5份、滑石2～3份、氧化铜0.25～0.75份。

具体计算公式如下：

釉式氧化物的系数×氧化物的分子量=氧化物的重量（1）

氧化物的重量总和÷氧化物的重量×100=氧化物化学组成的百分数                                                           （2）

3.1.2.4 建立钧釉原材料细度标准数据。研磨细度：250目万孔筛筛余1%～2%。

3.1.3 钧瓷烧造制度阶段数据分析。钧瓷传统窑变烧制技艺包括以下几个步骤。

①氧化焰阶段。制成的钧瓷胚体经过素烧上釉后放置在窑炉容器中，在氧化气氛下烧制，使温度在4h从室温缓慢升温至900℃过程中，排除上釉时胎体中的水分与釉层中所含的水分。

②强还原焰阶段。在强还原气氛下，使温度在5h左右从900℃均匀升至1 180℃。该阶段为氧化气氛转变为还原气氛，应减少进氧量，让燃料（煤、柴、天然气等）燃烧不充分，使窑炉内有充足的一氧化碳气体含量。通过燃料（煤、柴、天然气等）燃烧所产生的一氧化碳气体与钧瓷釉料中所含的铜和铁得以还原，窑变成丰富多彩的釉色。

③弱还原焰阶段。在弱还原气氛下，使温度在5h左右从1 180℃升至1 300℃。该阶段缓慢升温并减少一氧化碳气体的浓度，一直到钧瓷釉料烧成温度，弱还原气氛可以使釉面光亮。

④冷却阶段。自然冷却至室温。该阶段钧瓷釉所产生出液相分离及析出晶体现象，并逐步形成釉面固化、显色等状况。这段烧制工艺也称为二次窑变阶段。阶段时间一般为10h左右。

3.2 钧瓷窑炉烧制工艺中的可视化及实时数据交互探索

3.2.1 仿真可視化界面。VR钧瓷烧造仿真技术的作用是利用虚拟技术还原一座真实的窑炉烧造场景，操作者通过佩戴相应的可视设备，真实地看到钧瓷在不同温度下所呈现的物理及化学釉色窑变反应。传统窑炉烧制过程是全封闭的，烧窑工看不到陶瓷在烧制时的釉色变化，全凭几块小试片及经验来判断陶瓷的烧制状况。

3.2.2 实时数据互动仿真可视化管理界面。钧瓷烧造过程中窑炉内的温度、一氧化碳气体等实时数据的变化，对技术人员了解并掌握陶瓷烧制技术十分重要。通过系统真实地模拟烧制过程及各种实时数据的可视化，技术人员可以准确地观察每个烧制阶段的升温曲线、氧化气氛、还原气氛等对陶瓷釉色所产生的影响。

3.2.3 VR钧瓷烧造仿真技术的兼容性和可扩展性。为了满足未来新技术设备在VR陶瓷烧造仿真技术中的应用，本系统应具备二次开发能力;其中包括软件兼容性，外围设备的接口控制能力及海量数据的处理能力，以满足本系统的升级。

3.2.4 VR钧瓷烧造仿真技术实验数据报告分析。虚拟仿真窑炉烧制过程结束，系统会自动显示本次钧瓷烧造实验结果数据分析报告。技术人员可以通过详实准确的实验数据发现实验阶段的问题，并进一步完善钧瓷产品在烧造过程中的各项工艺指数，不断提高产品质量并降低生产成本。

4 结论

钧瓷的釉色窑变之美，曾经是我国古代陶瓷艺人们在烧造技艺上的一大创举，并在中国陶瓷历史发展中占有重要地位。从钧瓷天然气烧制技术工艺的创新应用，到电气混合烧制技术的研发。钧瓷技术工艺的创新一直没有停止，笔者坚信，VR陶瓷烧造仿真技术在传统钧瓷非遗烧制技术中的应用，更为钧瓷产业的振兴插上了一双腾飞的翅膀。

参考文献：

[1]周大有.入窑一色，出窑万彩[J].收藏界，2006（12）：169.

[2]钧瓷呈色的物理模型及应用[D].郑州：郑州大学，2007.

[3]王培景.正交实验法在提高陶瓷釉面硬度实验中的应用[J].山东陶瓷，2013（4）：22-23.