Study on rock fragmentation mechanism and ball loading parameter matching in ball mill

Abstract

(English) Abstract Rock fragmentation in ball mills is a key topic in rock mechanics with broad scientific and engineering significance. However, the understanding of the mechanical mechanisms and ball loading optimization based on dynamic and static principles is still incomplete. The dynamic changes in both rock and ball sizes during milling add complexity, while the process involves multiple breakage mechanisms, including abrasion, compression, and impact. This study examines rock fragmentation characteristics and mechanisms under these three types of forces. (1) The indentation of spherical indenter on rock was studied through laboratory experiments and CODE_BRIGHT numerical simulations, revealing the transition of rock failure from a " jump-type " to a plastic deformation mode under the influence of indenter size. The mechanical mechanisms of rock fragmentation during spherical indentation were analyzed in terms of fracture characteristics and stress fields. (2) The fragmentation characteristics of rock under the impact of spherical indenters of varying sizes were analyzed, and an energy model for indenter impact fragmentation based on fractal theory was established. The mechanical mechanism of spherical indenter-induced fragmentation was explained from a mechanical perspective. (3) The stage-wise variation of the multi-fractal characteristics of ball milling particle size under the influence of rock abrasiveness was analyzed. Based on abrasiveness tests and PFC2D numerical simulations, the wear characteristics and evolution patterns of steel balls in the ball milling process were quantitatively described. Subsequently, a ball charge parameter calculation method was proposed based on the energy consumption laws of spherical indentation impact and compression. Building on this, a ball replenishment strategy based on Markov chain theory was developed and validated through laboratory case studies.

(Català) Resum La fragmentació de roques en molins de boles és un tema clau en la mecànica de roques amb gran rellevància científica i tècnica. No obstant això, la comprensió dels mecanismes mecànics i l'optimització de la càrrega de boles basada en principis dinàmics i estàtics segueix sent incompleta. Els canvis dinàmics en les mides de les roques i les boles durant el procés de moleta afegeixen complexitat, ja que el procés implica múltiples mecanismes de fractura, incloent l'abrasió, la compressió i l'impacte. Aquest estudi analitza les característiques i els mecanismes de la fragmentació de roques sota la influència d'aquests tres tipus de forces. (1) S'ha estudiat la indentació d'un indentador esfèric sobre la roca mitjançant experiments de laboratori i simulacions numèriques CODE_BRIGHT, revelant la transició del fallament de la roca d'un mode "tipus salt" a un mode de deformació plàstica sota la influència de la mida de l'indentor. Els mecanismes mecànics de la fragmentació de roques durant la indentació esfèrica s'han analitzat en termes de les característiques de fractura i els camps de tensió. (2) S'han analitzat les característiques de la fragmentació de la roca sota l'impacte d'indentadors esfèrics de diferents mides, i s'ha establert un model d'energia per a la fragmentació per impacte d'indentadors basat en la teoria de fractals. El mecanisme mecànic de la fragmentació induïda per l'indentor esfèric s'explica des d'una perspectiva mecànica. (3) S'ha analitzat la variació escalonada de les característiques multifractals de la mida de partícula en la moleta de boles sota la influència de l'abrasivitat de les roques. A partir de proves d'abrasivitat i simulacions numèriques PFC2D, s'han descrit quantitativament les característiques de desgast i els patrons d'evolució de les boles d'acer en el procés de moleta. Posteriorment, s'ha proposat un mètode de càlcul dels paràmetres de càrrega de boles basat en les lleis de consum d'energia de la indentació esfèrica, tant per impacte com per compressió. A partir d'aquesta base, s'ha desenvolupat i validat una estratègia de reposició de boles basada en la teoria de cadenes de Markov mitjançant estudis de cas en laboratori.

(Español) Resumen La fragmentación de rocas en molinos de bolas es un tema clave en la mecánica de rocas con gran relevancia científica y técnica. Sin embargo, la comprensión de los mecanismos mecánicos y la optimización de la carga de bolas basados en principios dinámicos y estáticos sigue siendo incompleta. Los cambios dinámicos en los tamaños de las rocas y las bolas durante el proceso de molienda añaden complejidad, ya que el proceso involucra múltiples mecanismos de fractura, incluidos la abrasión, la compresión y el impacto. Este estudio examina las características y los mecanismos de la fragmentación de rocas bajo la influencia de estos tres tipos de fuerzas. (1) Se estudió la indentación de un indentor esférico sobre la roca mediante experimentos de laboratorio y simulaciones numéricas CODE_BRIGHT, revelando la transición del fallo de la roca de un modo "tipo salto" a un modo de deformación plástica bajo la influencia del tamaño del indentor. Los mecanismos mecánicos de la fragmentación de rocas durante la indentación esférica se analizaron en términos de las características de fractura y los campos de tensión. (2) Se analizaron las características de fragmentación de la roca bajo el impacto de indentores esféricos de diferentes tamaños, y se estableció un modelo de energía para la fragmentación por impacto de indentores basado en la teoría de fractales. El mecanismo mecánico de la fragmentación inducida por el indentor esférico se explicó desde una perspectiva mecánica. (3) Se analizó la variación escalonada de las características multifractales del tamaño de partícula en la molienda de bolas bajo la influencia de la abrasividad de las rocas. Con base en pruebas de abrasividad y simulaciones numéricas PFC2D, se describieron cuantitativamente las características de desgaste y los patrones de evolución de las bolas de acero en el proceso de molienda. Posteriormente, se propuso un método de cálculo de los parámetros de carga de bolas basado en las leyes de consumo de energía de la indentación esférica, tanto por impacto como por compresión. Sobre esta base, se desarrolló y validó una estrategia de reposición de bolas basada en la teoría de cadenas de Markov mediante estudios de caso en laboratorio.