你是否想過，在鋼鐵廠的熔爐里，那些被加熱到發紅的鐵礦石粉末是如何順暢地流動，而不至于“堵車”導致生產停滯？或者在水泥廠，高達數百度的熟料顆粒如何被精確地輸送和處理？答案就藏在顆粒物料的“流動特性”里。然而，現實是骨感的。工業上許多關鍵過程，如煉鋼、水泥生產和礦物熱處理，都面臨著極端苛刻的條件：溫度可飆升至近千度，壓力巨大，有時還伴隨著氫氣等活潑氣體。但現有的實驗室測量設備，面對這些“地獄級”工況，往往束手無策——要么溫度上限不夠，要么壓力不達標，或者無法模擬反應氣氛。這導致工程師們在設計料斗、反應器等關鍵設備時，常常像是在“盲人摸象”，無法精確預測物料在真實工況下的流動行為，進而引發堵塞、架橋、鼠洞等問題，嚴重影響生產效率和安全性。為了填補這一關鍵空白，來自意大利薩萊諾大學工業工程系的研究團隊決心打造一臺“超級測試儀”。他們的成果以論文形式發表在《Chemical Engineering Research and Design》上。

研究人員開展這項研究，主要運用了幾個關鍵技術方法：首先是設計并制造了一臺扭矩式旋轉剪切測試原型機，其核心是帶有特定葉片幾何形狀的剪切盒（蓋板和料槽），均由AISI 310不銹鋼制成以耐受高溫和還原環境。其次，構建了一個集成氣壓加載系統、精密扭矩傳感器、位置傳感器以及可加熱至1000°C的反應腔室與烘箱的綜合實驗平臺。再者，開發了冷卻系統和密封系統以確保傳動桿和電子元件在高溫下的正常工作與氣氛控制。此外，研究采用了標準化的剪切測試程序（參考ASTM D6773），包括預剪切和剪切步驟，以獲取材料的屈服軌跡。最后，使用激光衍射粒度分析儀對實驗前后的石英砂樣本進行了粒徑分布分析，以驗證材料在測試過程中的穩定性。樣本為商業石英砂。

研究團隊設計并建造的原型機核心是一個旋轉剪切盒，由固定的蓋板和可旋轉的料槽組成，內部容積約250 mL，可容納較大樣品量。蓋板和料槽上設計了特定形狀的葉片，以促進樣品內部剪切并防止底部滑移。整個系統安裝在一個堅固的框架內，由氣動缸提供高達約3.19 MPa理論壓力的法向應力，通過扭矩傳感器測量剪切力。設備集成了可加熱至1000°C的反應腔室和烘箱，以及精密的冷卻回路，確保高溫測試時關鍵部件溫度可控，并能進行惰性或反應性氣氛下的實驗。控制系統通過LabVIEW界面實現實時數據采集與監控。

研究選用石英砂作為驗證材料，因其為非粘性、自由流動的顆粒材料，且預期其流動特性對溫度不敏感。粒度分析顯示實驗前后砂粒粒徑分布一致，表明材料在測試過程中保持完整。

在室溫下，將原型機與標準的Schulze環剪切測試儀(RST-01, S型盒)進行對比測試。通過在不同法向應力下測量穩態剪切應力，發現兩者在低壓范圍(<200 kPa)內數據線性關系一致且斜率相近。這表明原型機在室溫下的基本測量原理和性能與商用標準儀器具有可比性。

在25°C至800°C的溫度范圍內，對石英砂進行了系統的剪切測試。時間序列數據顯示了典型的預剪、剪切和應力松馳過程。通過分析不同溫度下的屈服軌跡，提取了材料的內聚力(Cohesion) 和內摩擦角(Angle of internal friction)。結果表明，石英砂的內摩擦角在不同溫度和不同預剪應力下變化很小，基本保持在16°至20°之間，內聚力值也較低。這證實了石英砂的流動行為（主要是摩擦性流動）在所測試的高溫范圍內基本不受溫度影響。

將不同溫度下但相同預剪應力條件下得到的屈服軌跡進行對比，可以發現這些曲線高度重合。這進一步從不同固結狀態的角度，強有力地證明了溫度對石英砂失效響應的影響可以忽略不計。

本研究成功開發并驗證了一款能夠在極端條件（高達1000°C、800 kPa）下表征顆粒固體流動特性的扭矩式剪切測試原型機。該設備填補了現有商用剪切測試儀在高法向應力(>0.5 MPa)、高測試溫度(>600°C) 和大樣品體積無法兼具的空白。使用石英砂進行的驗證實驗表明，原型機在室溫下與標準儀器結果一致，在高溫下能夠穩定工作，且測得石英砂的流動特性與溫度無關，這反過來也證明了原型機測量結果的高溫一致性和可靠性。因此，石英砂本身可作為評估該儀器在高溫下長期測試穩定性的參考材料。

這項研究的意義重大。該原型機作為一個強大的實驗工具，首次能夠在實驗室尺度上復現鋼鐵制造、水泥生產等工業過程中遇到的極端熱機械和化學環境。它架起了受控測試與實際應用之間的橋梁，使得研究人員能夠深入研究溫度、應力和化學反應如何共同影響顆粒物料（如氫還原過程中的鐵礦石）的流動行為。這將極大地促進面臨可變應力和高溫的工業系統的優化設計，從根源上預測和防止流動故障，提升工業過程效率和安全性。