董 旋

（中电投宁夏能源铝业青鑫炭素有限公司，宁夏 吴忠 751603）

1 针入式密度检测原理

针入式检测的主要方式是：将针或椎体以固定的动量扎入材料内部，同时记录针入度及此时的温度。对材料进行取样，并使用排水法或排氦气法测量材料的密度，将针入度与材料此时的温度、密度进行对照，即可得到针入式密度计的检测曲线。在正常施工时，即可使用该曲线迅速得到不同温度下针入度对照的密度。

为得到固定的动能，可用固定质量的重物，从固定高度做自由落体运动，击打针/椎体。针/椎体受到摩擦力与进入材料的深度成正比，f=kh（k 为常数，与材料性质有关）（如图1 所示）将重物和针视为一个系统，则根据能量守恒得到：MGH=fh，其中f=kh，MGH=kh2 常数k 大小与材料性质与捣打密度有关，捣打密度越高k 值越大。综上所述，针入式密度计深度与重锤之间的关系为：

图1 检测针受到材料的摩擦力

但是针入度密度、摩擦系数两者在不同温度区间内的关系不同，因此得考虑不同温度区间内针入度与密度的关系。笔者以某型号的铝用冷捣糊为例，展示针入度在不同区间内与密度的相关关系。

某型号的铝用冷捣糊的粘结剂软化点为T℃，其温度变化区间分为两部分：。其中区间，相关关系约为简单的复合函数：

其中t 为施工停止后的材料温度，h 为针入度，ABCD均为参数。

图2 针入式密度检测仪原理图

其中a、B 均为常数，h 为针入度。

简单复合函数的常数与材料本身性质有关，需要生产商自行探究。对数函数的底数和常数除了和材料性质有关，和温度也有关系，一个固定的温度往往只能对应一条对数曲线，因此生产商需要根据常用施工温度，自行研究参数大小（如图3）。

图3 某温度下的针入度和密度曲线

2 针入式密度检测设备

电解槽耐火、防渗材料的针入式密度检测设备应具备以下几点要求：

（1）防磁。电解厂房中存在较大磁场，若检测设备受磁场影响，则会影响检测结果；

（2）不用电线。电解槽底部多为炭素材料，容易导电，若检测工具带有电线，则存在安全隐患；

（3）能够在不同平面上使用。若使用图1 的原理设计针入式检测仪，则该检测仪只能在水平面上进行检测。防渗材料在高于炭块表面后，会捣打成斜面，图1 中的原型设备不能检测材料在斜面上的密度。

根据上述要求，建议设计类似充电式手持打钉枪的设备，可以保证每次检测时对针/椎体施加的动能一致，同时可以克服理论设备对水平面的要求，保证能够对斜面进行正常测量。同时检测器材料必须为不锈钢等防磁材料，否则检测结果会受到电解槽的电磁影响，使针入度检测密度偏大（如图4）。

图4 针入式检测仪建议设备

3 针入式密度计检测条件

除了现场检测仪器外，产品的均质性是针入式检测器能否适用的前提。针入式密度检测器的计算参数均是由产品决定的，如果产品的物理化学性质不稳定，则针入式检测公式中的参数无法真实反映出该温度下的材料密度。

其次施工质量也对材料针入式密度检测有直接影响，若施工时发生了偏析，细料到达材料表面，摩擦力会减小，材料针入度会增加。若施工时捣打过度，骨料发生了破碎，也会影响针入度的检测（如图5，图6）。

图5 上部偏析

图6 骨料破碎

4 针入式密度检测仪现场使用建议

4.1 准备建议

检测时需准备针入式密度检测仪、水密度检测仪（做对照）、针入式检测表、测温枪、石笔。

针入式密度检测仪用来检测针入度。水密度检测仪应对每层材料进行比照性检测，保证针入式检测仪的准确性。测温枪用来检测施工后的温度。针入式检测表用来统计针入度。石笔用来划分不同施工人员的施工范围。

4.2 过程建议

施工过程中，建议施工人员在固定的区域作业，以便监督施工人员的施工质量，责任到人。建议刚开始检测时，尤其是检测曲线刚做好时，每层材料做一次对照，以便校正检测曲线。

5 结语

铝电解槽施工中长期缺乏有效的质量检测，针入式密度检测方便快捷，应在电解槽施工中广泛推广。