針入式密度計在電解槽施工中的使用

董 旋

（中電投寧夏能源鋁業青鑫炭素有限公司，寧夏 吳忠 751603）

1 針入式密度檢測原理

針入式檢測的主要方式是：將針或椎體以固定的動量扎入材料內部，同時記錄針入度及此時的溫度。對材料進行取樣，并使用排水法或排氦氣法測量材料的密度，將針入度與材料此時的溫度、密度進行對照，即可得到針入式密度計的檢測曲線。在正常施工時，即可使用該曲線迅速得到不同溫度下針入度對照的密度。

為得到固定的動能，可用固定質量的重物，從固定高度做自由落體運動，擊打針/椎體。針/椎體受到摩擦力與進入材料的深度成正比，f=kh（k 為常數，與材料性質有關）（如圖1 所示）將重物和針視為一個系統，則根據能量守恒得到：MGH=fh，其中f=kh，MGH=kh2 常數k 大小與材料性質與搗打密度有關，搗打密度越高k 值越大。綜上所述，針入式密度計深度與重錘之間的關系為：

圖1 檢測針受到材料的摩擦力

但是針入度密度、摩擦系數兩者在不同溫度區間內的關系不同，因此得考慮不同溫度區間內針入度與密度的關系。筆者以某型號的鋁用冷搗糊為例，展示針入度在不同區間內與密度的相關關系。

某型號的鋁用冷搗糊的粘結劑軟化點為T℃，其溫度變化區間分為兩部分：。其中區間，相關關系約為簡單的復合函數：

其中t 為施工停止后的材料溫度，h 為針入度，ABCD均為參數。

圖2 針入式密度檢測儀原理圖

其中a、B 均為常數，h 為針入度。

簡單復合函數的常數與材料本身性質有關，需要生產商自行探究。對數函數的底數和常數除了和材料性質有關，和溫度也有關系，一個固定的溫度往往只能對應一條對數曲線，因此生產商需要根據常用施工溫度，自行研究參數大小（如圖3）。

圖3 某溫度下的針入度和密度曲線

2 針入式密度檢測設備

電解槽耐火、防滲材料的針入式密度檢測設備應具備以下幾點要求：

（1）防磁。電解廠房中存在較大磁場，若檢測設備受磁場影響，則會影響檢測結果；

（2）不用電線。電解槽底部多為炭素材料，容易導電，若檢測工具帶有電線，則存在安全隱患；

（3）能夠在不同平面上使用。若使用圖1 的原理設計針入式檢測儀，則該檢測儀只能在水平面上進行檢測。防滲材料在高于炭塊表面后，會搗打成斜面，圖1 中的原型設備不能檢測材料在斜面上的密度。

根據上述要求，建議設計類似充電式手持打釘槍的設備，可以保證每次檢測時對針/椎體施加的動能一致，同時可以克服理論設備對水平面的要求，保證能夠對斜面進行正常測量。同時檢測器材料必須為不銹鋼等防磁材料，否則檢測結果會受到電解槽的電磁影響，使針入度檢測密度偏大（如圖4）。

圖4 針入式檢測儀建議設備

3 針入式密度計檢測條件

除了現場檢測儀器外，產品的均質性是針入式檢測器能否適用的前提。針入式密度檢測器的計算參數均是由產品決定的，如果產品的物理化學性質不穩定，則針入式檢測公式中的參數無法真實反映出該溫度下的材料密度。

其次施工質量也對材料針入式密度檢測有直接影響，若施工時發生了偏析，細料到達材料表面，摩擦力會減小，材料針入度會增加。若施工時搗打過度，骨料發生了破碎，也會影響針入度的檢測（如圖5，圖6）。

圖5 上部偏析

圖6 骨料破碎

4 針入式密度檢測儀現場使用建議

4.1 準備建議

檢測時需準備針入式密度檢測儀、水密度檢測儀（做對照）、針入式檢測表、測溫槍、石筆。

針入式密度檢測儀用來檢測針入度。水密度檢測儀應對每層材料進行比照性檢測，保證針入式檢測儀的準確性。測溫槍用來檢測施工后的溫度。針入式檢測表用來統計針入度。石筆用來劃分不同施工人員的施工范圍。

4.2 過程建議

施工過程中，建議施工人員在固定的區域作業，以便監督施工人員的施工質量，責任到人。建議剛開始檢測時，尤其是檢測曲線剛做好時，每層材料做一次對照，以便校正檢測曲線。

5 結語

鋁電解槽施工中長期缺乏有效的質量檢測，針入式密度檢測方便快捷，應在電解槽施工中廣泛推廣。