球磨机是依靠衬板提升磨矿介质至一定位能来完成矿物颗粒的冲击和研磨破碎,以满足选矿厂不同破碎粒度分布的需要。作为磨矿作业不可或缺的设备,被广泛应用于水泥、化工、冶金、陶瓷等行业,也是上述行业耗电量最大的设备。然而,关于球磨机介质运动状态的研究相对单一,缺少有效建立球磨机离散元模型的方法,人们还未充分掌握球磨机颗粒破碎机理。本文在国家自然科学基金面上项目“大型球磨机多体冲击摩擦耦合行为研究”的资助下,采用试验与离散元数值模拟相结合的方法对介质运动状态以及颗粒破碎等关键问题开展研究,主要研究内容包括:铁矿石颗粒离散元模型接触参数的测定与分析、球磨机磨矿介质运动规律研究、球磨机介质群冲击离散动力学行为研究、铁矿石颗粒落球冲击破碎行为研究、铁矿石颗粒破碎及粒度分布优化磨矿试验研究。旨在探究球磨机介质运动状态的变化规律,解析球磨机铁矿石颗粒破碎及粒度分布机理,提高磨矿效率、降低能耗。首先,针对人们对铁矿石颗粒物理力学特性缺少足够的认知以及缺少精确标定离散元模型接触参数的方法,测定铁矿石颗粒的基本性质,探究不同粒级铁矿石颗粒的单粒强度,解析铁矿石颗粒形状特征参数的变化规律,构建铁矿石颗粒离散元几何模型,标定离散元数值模拟所需的铁矿石颗粒接触参数,为球磨机离散元数值模拟提供重要参数。其次,基于经典磨矿理论,构建不同层磨矿介质运动特征方程,解析不同层磨矿介质运动关键参数的变化规律;设计磨矿介质运动参数测量装置,用于探究球磨机筒体内磨矿介质角速度、加速度的变化规律,并基于试验测量的检测球数据和功率验证球磨机离散元模型的正确性,为球磨机介质群冲击离散动力学行为研究提供精确的离散元模型。然后,基于Φ520 mm×260 mm球磨机离散元模型,开展不同转速率和填充率工况下球磨机介质群冲击离散动力学试验,解析球磨机介质群运动特征参数的变化规律,构建关联球磨机转速率、介质群质量、介质群质量中心位置的球磨机功率预测模型;采用网格划分方法,探究介质群碰撞能量区域分布、碰撞次数区域分布、介质群碰撞能量谱的变化规律,为球磨机节能降耗设计提供理论依据。接着,基于设计的落球冲击试验装置,开展单颗粒落球冲击破碎试验和多层颗粒落球冲击破碎试验,构建铁矿石颗粒破碎概率模型和破碎程度模型,解析铁矿石颗粒层数、铁矿石颗粒尺寸、钢球落球高度、钢球连续冲击次数对铁矿石颗粒冲击破碎的影响,揭示球磨机颗粒破碎机理。最后,基于颗粒破碎模型,开展不同转速率和填充率工况下铁矿石颗粒磨矿试验,探究铁矿石颗粒破碎粒度分布的变化规律,解析转速率和填充率对铁矿石颗粒磨矿动力学参数、选择函数、破碎函数的影响,建立产品粒度分布控制优化评价指标,为降低铁矿石颗粒磨矿能耗、提高球磨机磨矿效率提供基础数据支撑。