计量技术在陶瓷行业中的应用

吴欢 刘溧

摘 要：陶瓷材料产品主要涉及原料、工艺、设备，这其中计量技术起到了很关键的作用，在原料的称量、生产过程中自动化控制等，都能影响控制精度，从而影响产品质量，通过应用计量技术，构建计量管理体系，来达到保证原料配比、温度控制的准确性；或通过能源计量、称重计量、溫度计量等，精准地计算能耗成本，从而以构建质量基础设施助力陶瓷产业高质量发展。本文论述了陶瓷行业发展现状，分析了计量技术应用情况，讨论以计量技术在陶瓷行业质量基础设施中的嵌入服务应用提供可行性借鉴。

关键词：计量技术；陶瓷行业；工艺参数；NQI

1 前言

陶瓷材料主要以黏土为主，陶瓷是陶器和瓷器的总称。由于它的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物（如粘土、石英等），因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。以这些原料以及各种天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品称为陶瓷，部分着色釉料，烧制、烧结成品，出厂产品具有结构致密、表面平整光洁、耐酸性能良好等特点。在工业中，常以日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、特种陶瓷等，广泛服务于国民经济。计量----MSA（测量系统分析）测量系统：是用来对被测特性赋值的操作、程序、量具、软件、操作人员和环境 的集合;用来获得测量结果的整个过程。国际单位制（SI）的SI基本单位共7个，分别是长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、电流（安培）、热力学温度（开尔文）、物质的量（摩尔）、发光强度（坎德拉），计量单位是为定量表示同种量的大小而约定定义和采用的特定量。工业计量也称工程计量，系指各种工程、工业企业中的应用计量。例如，关于能源、原材料的消耗、工艺流程的监控和产品质量与性能的计量测试等。工业计量涉及面广，是各行各业普遍开展的一种计量。计量技术的应用在陶瓷行业中应用非常广泛，计量的准确性直接影响陶瓷产品的质量和美观。“NQI”项目是国家质量基础设施（National Quality Infrastructure，简称NQI）中文意思是国家质量技术基础，按照字面意思， N是“国家”，Q是“质量”，I是指“基础设施”，也可以说NQI是质量的基础设施。是由计量、标准、合格评定（包括认证认可、检验检测）组成的体系。其中计量是控制质量的基础，标准引领质量提升，合格评定控制质量并建立质量信任三者形成完整的技术链条，相互作用、相互促进，共同支撑质量的发展。既包括法律法规体系、管理体系等“软件”，也包括检验检测仪器设备、实验室等“硬件”，是一个具有战略性、系统性、复杂性、技术性、服务性等多重属性的体系。在我国经济高质量发展时期，NQI既是推进质量强国战略的技术支撑，也是确保质量和民生改善的基石。现就计量技术在陶瓷行业和“NQI”中的应用分析如下：

2 我国陶瓷行业发展现状

中国是世界陶瓷制造中心和陶瓷生产大国，年产量和出口量居世界首位，陶瓷制品也是我国出口创汇的主要产品之一。日用陶瓷占全球70%，陈设艺术瓷占全球65%，卫生陶瓷占全球产量的50%，建筑陶瓷占全球产量的64%。全国规模以上陶瓷制品制造行业企业数量2000余家，陶瓷制品制造行业整体从业人数60万人。全国已形成广东佛山建筑陶瓷生产基地，广东潮州日用、卫生、艺术陶瓷生产基地，河北唐山、山东淄博、湖南醴陵、广西北流、福建德化等日用陶瓷生产基地及江西景德镇艺术陶瓷生产基地，行业发展呈区域化、分工化、同类型产品生产聚集化的特点。

陶瓷材料以黏土、长石、石英和锆英砂等原料生产的硅酸盐材料。因陶瓷材料有着区别于其他材料的高温化学稳定性能，当前，陶瓷的应用已渗透到家用生活、工程和技术等各个领域。普通日用陶瓷烧成温度基本都在700℃以上，如以Al2O3、Si3N4组分构成为代表的纳米陶瓷刀具类产品，烧成温度1700℃，达到区别于其他硬质合金等切削工具所无法企及的硬度。同时还具有耐腐蚀、制造某些工业构件、零件和工具等的特殊性能。

新型陶瓷则是采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，在热和机械性能方面，有耐高温、隔热、高硬度、耐磨耗等特性；在电性能方面有绝缘性、压电性、半导体性、磁性等；在化学方面更有催化、耐腐蚀、吸附等功能；而在生物应用方面，具有一定生物相容性能，可以作为生物结构的材料。因此新型陶瓷的应用范围是传统陶瓷所远远不能相比的，新型陶瓷又称为特种陶瓷或精密陶瓷。陶瓷按用途来分，可分为日用陶瓷，艺术（陈列）陶瓷，卫生陶瓷，建筑陶瓷四大类。

3计量技术在陶瓷行业中的必要性

根据我国陶瓷产业现状，陶瓷企业要想对全生产过程自原料进厂、成分化验、配料调节、毛坯生成、烧制，到成品检验等工艺实现控制，需要购买大量的陶瓷检测设备，资金量大，同时需要配备相关专业技术人员，产品成本大大增加。虽然一部分企业有检测设备，但设备整体利用率低且检测能力不高，检测项目不完善，检测仪器长时间使用准确度大大降低且不能得以有效的溯源，不能正确地用于指导生产，也不能准确反映陶瓷产品的整体质量。一个能为陶瓷产业提供计量技术服务的地方技术机构，可以有效开展产业专用测量仪器计量检定和校准服务，提高产业量值传递能力，实现全溯源链的服务。同时紧密结合产品全寿命周期全过程所有环节的计量技术需求，走出实验室深入产品生产领域，主动和产品生产企业合作，通过延展计量服务链，将计量技术服务融入产品的设计、研制、生产、试验、使用等全过程所有环节，为本省及周边省份企业提供生产计量专业服务，降低企业检测成本、避免企业实验室的重复建设，减轻企业负担，节约社会资源，为该行业的快速、健康发展提供有力的技术保障。

在陶瓷行业中应用计量技术，从原材料、设计、研发、生产、品管等方面着手，积极引导陶瓷行业及相关装备业在关键工艺环节以计量检定、校准、测试服务介入，用现代化手段量化工艺指标，助力生产工艺技术改进。如通过开展产业链高岭土探测开采、含量检测，产业陶瓷生产、产品研发、节能降耗、陶瓷质量检测，废料处理等环节的计量检测；又如秤料用分析天平、窑用温控仪表，其量值准确与否直接关系产品质量管理和最终形态。为产业提供“全溯源链、全产业链、全寿命周期、前瞻性”计量检测服务，能提升解决企业生产工艺导致的产品缺陷难题，助力服务产业质量提升。此外还能促进行业节能减排、助推产业转型升级。

4计量技术在陶瓷行业中的应用分析

陶瓷行业以产品基本单位、产品规格单位、产品产销计量单位为特殊的计量单位，在行业内得到了广泛应用。具体表现为：

4.1陶瓷原料称量

陶瓷材料体积密度、吸水率及气孔率的测定在无机非金属材料中，材料内部是有气孔的，这些气孔对材料的性能和质量有重要的影响。密度是陶瓷材料被测试得最多的一种物性，因陶瓷密度影响着陶瓷的吸水率和孔隙率，吸水率又是判定陶和瓷的关键指标。具体如表1所示：

4.2陶瓷产品烧制

一般气窑烧8-9h，根据产品不同和追求的产品效果不同，有的也可达到28-35h。具体如表2所示：

采用计量技术量化工艺参数，对生产技改可进行准确分析，解决技术难题。如烧结环节，以0.9Al2O3-0.1TiO2微波陶瓷在1550℃烧结2h，1000℃后退火5h，具有优异的介电性能，相对介电常数为12.3，品质因子和谐振频率乘积为111800GHz，温度系数为1.1×10-6/℃，滤波器的插入损耗和回波损耗的测试结果满足5G通信工程要求，这些温度、颗粒度、成品表面照度等参数都需借助计量器具获得，但获得准确参数的前提就是计量器具量值准确。这就需要使用计量技术，对照国家计量检定、校准规程开展计量活动。

4.3 计量技术在陶瓷材料膨胀系数测定中的应用

热膨胀系数测定方法的基本点是准确地测量出在一系列温度下待测试样的长度，然后通过相邻两温度下试样的长度差和温度差求出热膨胀系数。膨胀系数是温度的函数，不同温度下的热膨胀系数不同。常用的是在一定温度范围内，如20～1000℃区间内温度改变1℃时陶瓷材料尺寸的平均相对增加值，而不是指某一温度下的绝对增加值。

测定热膨胀系数采用各种类型的热膨胀仪。它们主要由两部分组成：即温度控制系统和位移测量系统。位移测定有多种方法，通常采用推杆膨胀仪法。它利用某种稳定材料制成杆（如石英玻璃棒）把试样的膨胀从加热区传递到伸长计。试样的膨胀量由下式计算：

△La/Lr=C0（△La/Lr）+C1

式中：  △La——室温及高温下试样的长度变化，㎜；

Lr——室温下试样长度，㎜；

C0、C2——测量系统的校正常数。

全自动热膨胀仪附有信号放大系统和微机数据处理系统，可自动记录、自动显示使用起来十分方便。被测试样取长方形棒状或圆柱形棒状体，长度大于或等于25㎜，两端面应磨平，表面应平整无缺陷。

其中部分陶瓷的热膨胀系数（1/K）×10-6如下表3所示：

5汇总分析

支撑陶瓷产业绿色升级的关键配套“NQI”，以形成科学合理的绿色建筑卫生陶瓷关键检测设备计量规范规程、陶瓷产品国家、地方、行业标准、认证评价标准以及绿色化关键领域标准（节能、节水、低碳），实现包含计量-检测-标准-认证认可的全链条一站式技术服务体系并开展示范应用，可加快推动国内陶瓷产业绿色转型升级和高质量发展形成技术支撑。

计量测试技术要服务于整个陶瓷产业的研发、生产、销售，以及陶瓷产品的全寿命周期，为陶瓷产业的发展提供更加有效的计量保障体系，包括陶瓷产业通用的计量检定、校准服务，陶瓷生产过程中的参数检测技术和检测设备的研究；能源计量评定和检测服务，结合产业未来发展趋势，加强计量测试技术創新和产品研发，通过计量技术与产业科技的有机结合，将计量测试技术融入产品生产和应用全过程，提高陶瓷产业核心竞争力，助推产业转型升级。

5.1.满足陶瓷产业全溯源链需求

首先要覆盖产业专用计量器具的量值溯源需求，保证企业的工作计量器具、计量标准器具可溯源到国家计量基准，更重要的是，突破传统量值传递概念，将计量的准确性延伸到参数测量领域，以量值的准确应用为核心，提高量值科学应用的准确性和有效性，保证应用领域测量结果的可靠性。

5.2.满足陶瓷全产业链需求

除了陶瓷产品生产的行业之外，全产业链还包括陶瓷矿物原材料供应等重要关联产业，梳理相关产业发展的计量技术需求，确定适应产业发展计量技术服务的重点项目， 列入规程制定范围。

5.3.满足陶瓷全寿命周期需求

将计量技术服务融入原材料供应、产品设计、研发、坯料生产、煅烧、包装、运输、安装应用全过程所有环节，提供计量技术保证方案，保证各环节技术指标达到预计要求。

计量技术的应用创新对于具备较多机械装备陶瓷企业自动化程度不高、产品质量不稳定、故障率高的困扰有着积极解决促进作用。为更好地应对发展机遇，从原材料进厂阶段就应注意计量数据变化；针对各个关节，采取合宜的计量技术检测方法，聘请具备检测资质的计量技术机构对环节设备进行计量检定和校准，从而能更好地满足陶瓷行业高发展需求。

6今后发展方向

6.1 完善产业测量仪器的量值传递体系，保障产业科学发展

构建覆盖陶瓷行业全产业链的产业计量测试中心，搭建计量技术支撑平台，以计量技术能力提升和平台运行能力建设为手段，提供计量器具量值传递、关键参数测试技术服务，对服务区域陶瓷产业、推动产业发展，突破制约产业发展技术瓶颈具有重要的意义。以计量技术为代表的高新技术应用将不断推动陶瓷工业生产机械化、自动化和智能化。在各道生产工序中，原料加工精度控制等是发展的重点和方向，而自动化控制的关键就是计量技术。地方政府要积极创建计量测试技术机构——（NQI）一站式测试服务中心，完善计量标准建设，重点满足企业能源计量仪器、烧结过程控制用热工仪表、陶瓷产品质量专用测量仪器的量值溯源需求。

6.2 加快测量能力建设，提高产业关键参数测量水平

配置行业先进的测试装备，建设一流的测量环境条件，联合企业技术人员，开展测量方法的研究和应用。重点围绕关键生产环节的原料配比分析、有害元素分析、陶瓷原料膨胀系数的准确测量、产品在各种不同工作环境下的物理性能测试方法研究等产业关键领域关键参数开展工作，规范每个测量参数的测量条件、测量设备、量值溯源框图、测量原理和方法、数据处理和测量不确定度分析等，提高测量结果的准确性和一致性。

6.3 提供计量科技创新服务，突破产业技术瓶颈

紧密结合制约产业发展技术瓶颈的计量科技创新需求，联合国家、省计量科学研究院、陶瓷研究所、国家陶瓷质检中心等研究机构和企业、政府部门、行业组织等建立产业计量科技创新平台，开展具有独立知识产权的测量装备的研制与应用工作，着力解决满足产业重点生产装备、不规则毛坯、新型产品、高档陶瓷产品和关键环节要求的专用测量系统的研制和实际应用等关键问题。

6.4 建立有效的运行体系，维持“NQI”及陶瓷行业可持续发展

陶瓷产业一站式测试服务中心重点加强质量体系、创新体系、服务体系、人力资源体系、基础保障体系和发展规划体系的建设，确保中心实验室质量管理、实验室软硬件条件、专业团队人员数量和人才结构、现代服务模式、对外合作机制和计量科技创新机制等各方面健康运行，实现陶瓷行业可持续发展。

7结 语

通过应用计量测试技术，对全生产环节进行量化统计，陶瓷生产工艺持续性改进，对生产工艺进行高精度自动化控制，对产品质量进行管控，更好地满足了时代要求。同时，围绕政府监管、产业发展和保障民生的需求，打造计量校准、检验检测、认证咨询、质量管理培训四大技术服务品牌，构建集“标准服务、计量检定校准、认证认可、检验检测、质量管理”等质量基础设施为一体的“一站式”公共平台，并依托现有平台嵌入服务，形成布局合理、实力雄厚、公正可信的国家质量基础设施“一站式”的服务体系与定位，全方位、全链条服务陶瓷产业高质量发展。

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