《Chemical Engineering Research and Design》：An innovative prototype for solid flow characterisation in severe stress and temperature conditions
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为解决工业设备在极端高温、高压及化学反应性环境下颗粒物料流动特性难以准确表征的问题，研究人员开发了一款基于扭矩的旋转剪切测试原型机。该装置能够在高达800?kPa的正应力、1000°C的温度及反应性气氛下工作，并使用石英砂验证了其可靠性与高温下的稳定性，为诸如钢铁、水泥等高强度热工过程的设备优化与设计提供了有力的实验工具。
你是否想过，在钢铁厂的熔炉里，那些被加热到发红的铁矿石粉末是如何顺畅地流动，而不至于“堵车”导致生产停滞？或者在水泥厂，高达数百度的熟料颗粒如何被精确地输送和处理？答案就藏在颗粒物料的“流动特性”里。然而，现实是骨感的。工业上许多关键过程，如炼钢、水泥生产和矿物热处理，都面临着极端苛刻的条件：温度可飙升至近千度，压力巨大，有时还伴随着氢气等活泼气体。但现有的实验室测量设备，面对这些“地狱级”工况，往往束手无策——要么温度上限不够，要么压力不达标，或者无法模拟反应气氛。这导致工程师们在设计料斗、反应器等关键设备时，常常像是在“盲人摸象”，无法精确预测物料在真实工况下的流动行为，进而引发堵塞、架桥、鼠洞等问题，严重影响生产效率和安全性。为了填补这一关键空白，来自意大利萨莱诺大学工业工程系的研究团队决心打造一台“超级测试仪”。他们的成果以论文形式发表在《Chemical Engineering Research and Design》上。
研究人员开展这项研究，主要运用了几个关键技术方法：首先是设计并制造了一台扭矩式旋转剪切测试原型机，其核心是带有特定叶片几何形状的剪切盒（盖板和料槽），均由AISI 310不锈钢制成以耐受高温和还原环境。其次，构建了一个集成气压加载系统、精密扭矩传感器、位置传感器以及可加热至1000°C的反应腔室与烘箱的综合实验平台。再者，开发了冷却系统和密封系统以确保传动杆和电子元件在高温下的正常工作与气氛控制。此外，研究采用了标准化的剪切测试程序（参考ASTM D6773），包括预剪切和剪切步骤，以获取材料的屈服轨迹。最后，使用激光衍射粒度分析仪对实验前后的石英砂样本进行了粒径分布分析，以验证材料在测试过程中的稳定性。样本为商业石英砂。
2. 原型设计描述
研究团队设计并建造的原型机核心是一个旋转剪切盒，由固定的盖板和可旋转的料槽组成，内部容积约250 mL，可容纳较大样品量。盖板和料槽上设计了特定形状的叶片，以促进样品内部剪切并防止底部滑移。整个系统安装在一个坚固的框架内，由气动缸提供高达约3.19 MPa理论压力的法向应力，通过扭矩传感器测量剪切力。设备集成了可加热至1000°C的反应腔室和烘箱，以及精密的冷却回路，确保高温测试时关键部件温度可控，并能进行惰性或反应性气氛下的实验。控制系统通过LabVIEW界面实现实时数据采集与监控。
3. 原型验证
3.1. 材料
研究选用石英砂作为验证材料，因其为非粘性、自由流动的颗粒材料，且预期其流动特性对温度不敏感。粒度分析显示实验前后砂粒粒径分布一致，表明材料在测试过程中保持完整。
3.2. 环境温度验证结果
在室温下，将原型机与标准的Schulze环剪切测试仪(RST-01, S型盒)进行对比测试。通过在不同法向应力下测量稳态剪切应力，发现两者在低压范围(<200 kPa)内数据线性关系一致且斜率相近。这表明原型机在室温下的基本测量原理和性能与商用标准仪器具有可比性。
3.3. 高温验证结果
在25°C至800°C的温度范围内，对石英砂进行了系统的剪切测试。时间序列数据显示了典型的预剪、剪切和应力松驰过程。通过分析不同温度下的屈服轨迹，提取了材料的内聚力(Cohesion) 和内摩擦角(Angle of internal friction)。结果表明，石英砂的内摩擦角在不同温度和不同预剪应力下变化很小，基本保持在16°至20°之间，内聚力值也较低。这证实了石英砂的流动行为（主要是摩擦性流动）在所测试的高温范围内基本不受温度影响。
3.4. 高温验证结果（按预剪应力分组）
将不同温度下但相同预剪应力条件下得到的屈服轨迹进行对比，可以发现这些曲线高度重合。这进一步从不同固结状态的角度，强有力地证明了温度对石英砂失效响应的影响可以忽略不计。
4. 结论
本研究成功开发并验证了一款能够在极端条件（高达1000°C、800 kPa）下表征颗粒固体流动特性的扭矩式剪切测试原型机。该设备填补了现有商用剪切测试仪在高法向应力(>0.5 MPa)、高测试温度(>600°C) 和大样品体积无法兼具的空白。使用石英砂进行的验证实验表明，原型机在室温下与标准仪器结果一致，在高温下能够稳定工作，且测得石英砂的流动特性与温度无关，这反过来也证明了原型机测量结果的高温一致性和可靠性。因此，石英砂本身可作为评估该仪器在高温下长期测试稳定性的参考材料。
这项研究的意义重大。该原型机作为一个强大的实验工具，首次能够在实验室尺度上复现钢铁制造、水泥生产等工业过程中遇到的极端热机械和化学环境。它架起了受控测试与实际应用之间的桥梁，使得研究人员能够深入研究温度、应力和化学反应如何共同影响颗粒物料（如氢还原过程中的铁矿石）的流动行为。这将极大地促进面临可变应力和高温的工业系统的优化设计，从根源上预测和防止流动故障，提升工业过程效率和安全性。
