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NS-28-CI-LA Molino de Bolas (MOLIBOL)


Categoría: Superior (Licenciatura)
Área de participación: Ciencias de la ingeniería

Equipo: Molino de Bolas (MOLIBOL)

Miembros del equipo:
JESUS OMAR MEDINA VEGA
ALFREDO FAUSTINO CRUZ LUNA
CRUZ DANIEL VARGAS MATIAS

Asesor: M.C. GABRIEL TORRES SANTIAGO

Escuela: INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TLALNEPANTLA

Resumen

El proyecto presenta una nueva concepción en cuanto al diseño de los molinos de bolas, necesarios para la molienda de carbón en la industria pirotécnica. Un gran número de accidentes son ocasionados por molinos inseguros de fabricación rudimentaria, utilizados en lugares inapropiados en la elaboración de pólvora negra. Por lo anterior se ha desarrollado un molino de bolas que sea seguro y eficiente.

Se explora el impacto que este proyecto podría tener en el sector de la población dedicada a la industria pirotécnica. Según el INEGI, el Estado de México es el primer productor de artificios pirotécnicos, aportando el 50% del total nacional, en más de 60 municipios se tiene presencia de fabricantes de pirotecnia. La metodología utilizada para el diseño y fabricación del molino de bolas a innovar es la empleada en el desarrollo de productos manufacturados, que permite la creación de maquinarias, equipos, aparatos, dispositivos, etc., diferentes a los existentes, que satisfagan las necesidades de los usuarios o consumidores.

Nuestro proyecto busca proporcionar un molino de bolas, que sea innovador, seguro, eficiente y económico con altos estándares de calidad, basando su diseño en las Normas Oficiales para ambientes explosivos. Con la finalidad de incrementar la producción de juegos pirotécnicos que permita fortalecer ésta actividad y reducir el número de accidentes durante la producción de los mismos. Todo esto para que esta innovación esté al alcance de los pequeños, medianos y grandes productores.

Pregunta de Investigación

1) ¿Cómo reducir el número de accidentes durante la producción de pólvora negra? 2) ¿Por qué esta industria no tiene acceso a molinos que cumplan con los estándares se seguridad y proporcionen una molienda de alta calidad?

Planteamiento del Problema

No existe en el mercado molinos de bolas de tamaño compacto, los cuales realicen la tarea de la molienda del carbón vegetal, por lo cual las personas que llevan a cabo elaboración de la pólvora se les dificulta realizar el proceso de la molienda del carbón, ya que esta actividad la realizan manualmente, tomando tambos grandes, introduciéndole piedras y hacerlos girar con el carbón vegetal para que este se muela, este proceso es muy tardado y aparte no se obtiene una molienda fina, al igual hay personas que mejor evitan este paso y mejor compran el carbón vegetal ya molido, aunque les salga más costoso pero tienen la seguridad de que la molienda sea de alta calidad.

Los molinos de bolas utilizados en la industria pirotécnica son de fabricación rudimentaria, utilizan rocas como cuerpos moledores e incorporan en su construcción barriles de madera donde es depositado el carbón lo cual produce demasiada fricción, la cual genera calor y por lo tanto aumenta el riesgo de una explosión. (Ver Figura 1.)

Antecedentes

Los molinos rotativos constituyeron una verdadera invención, ya que requerían un orden de pensamiento más elevado y no tenían antecedentes. La primera referencia pública de un molino rotativo apareció en Inglaterra (1870), donde se introdujo para la molienda de pedernales calcinados para trabajos de cerámica.

Desde entonces, han aparecido muchos diseños de molinos rotatorios utilizando piedras, varillas de acero o bolas de acero como medios de molienda, diferentes dispositivos de alimentación y descarga a través de rejillas o por rebose. Con el paso del tiempo, se fueron desarrollando molinos rotatorios de mayor tamaño, así como el molino vibrador vertical.

Los molinos de bolas, utilizados en la actualidad en diferentes industrias como la cementera o la minera son de grandes dimensiones, por lo que no se adaptan al espacio destinado para la molienda de pólvora negra en los talleres de pirotecnia.

Actualmente los molinos de bolas utilizados en la industria pirotécnica son de fabricación rudimentaria, utilizan rocas como cuerpos moledores e incorporaban en su construcción barriles de madera donde es depositado el carbón lo cual produce demasiada fricción, la cual genera calor y por lo tanto aumenta el riesgo de una explosión.

Objetivo

General:

Diseñar y fabricar un molino de bolas de bajo costo para la molienda de carbón, utilizado en la fabricación de pólvora, para la industria pirotécnica, con tiempos de operación cortos y con los más altos estándares de calidad, disminuyendo los riesgos de accidentes, garantizando una molienda de gran finura con una granulometría de 200.

Específicos:

  1. Construir un molino que cumpla con las normas oficiales para ambientes explosivos.
  2. Que sea una máquina segura.
  3. Incrementar la producción de pólvora.
  4. Garantizar un producto más fino.
  5. Accesible para pequeños, medianos y grandes productores.

Justificación

Ofrecer un molino de bolas para la fabricación de pólvora negra, que sea innovador, seguro, eficiente y económico con los más altos estándares de calidad, basando su diseño en las normas oficiales para ambientes explosivos. Con la finalidad de incrementar la producción de juegos pirotécnicos que permita fortalecer ésta actividad y reducir el número de accidentes durante la producción de los mismos.

Hipótesis

Como se mencionó anteriormente, no existe en el mercado molinos de bolas de tamaño compacto, los cuales realicen la tarea de la molienda del carbón vegetal para la elaboración de pirotécnica, por lo cual las personas que llevan a cabo elaboración de la pólvora se les dificulta realizar el proceso de la molienda del carbón, ya que esta actividad la realizan manualmente. MOLIBOL ayuda a que la actividad de molienda del carbón vegetal sea más rápida y con la seguridad de que la molienda sea fina y no quede ningún desperdicio rocoso del carbón vegetal.

MOLIBOL es un molino de bolas que optimiza el proceso de la elaboración de carbón, para las personas que realizan este trabajo de manera manual, ya no tendrán que estar batallando en que la molienda quede fina, ni van a tener que realizar mucho esfuerzo como lo hacen actualmente, con MOLIBOL será más rápido y sencillo tener una molienda fina.

Lo que buscamos MOLIBOL es ayudar a la optimización de tiempo y trabajo en la elaboración de la pólvora, y este se lleva a cabo a través de auxiliar en la molienda del carbón vegetal ya que esta actividad es una de las más laboriosas y tardadas de realizar.

Método (materiales y procedimiento)

La metodología utilizada para el diseño y fabricación del molino de bolas que se planea llevar a cabo es la que se emplea en el desarrollo de productos manufacturados, que permite la creación de maquinaria, equipos, aparatos, dispositivos, etc.

 

  1. Estudio de mercado. Las actividades se inician a partir de la información que el estudio pueda ofrecer. Esta debe contener el análisis de las necesidades de dicho mercado, la magnitud del mismo, su ubicación geográfica y algunas otras características. Debe dar, además, una idea clara del precio que dichos usuarios o consumidores pueden pagar por el producto, que permita establecer si es viable en el mercado.

 

A continuación se muestran los resultados de las 2 preguntas más significativas:

 

  1. ¿Considera que los molinos utilizados actualmente para la pulverización de carbón son seguros? (Ver Figura 2.)

 

  1. ¿Estaría dispuesto a adquirir un molino de bolas que le ayude a aumentar la calidad y producción de su pólvora, además de brindarle una mayor seguridad? (Ver Figura 3.)

 

  1. Características del producto. Traduce las necesidades del mercado a características generales del producto satisfactorio de las mismas, estableciendo los objetivos, criterios de diseño, especificaciones y restricciones del producto satisfactorio.

 

Ancho: 70.6 cm.

Largo: 150.60 cm.

Altura: 80.96 cm.

Capacidad máxima         

de molienda: 15 kg.

Velocidad: 35 a 45 rev/min.

Tiempo del proceso de fabricación: 1,420 minutos

 

  1. Dibujos previos. Es la actividad donde se plantea la mejor solución posible en un dibujo que muestre las formas y elementos del molino de bolas que den respuesta a los criterios de diseño. (Ver Figura 4 y 5.)

 

  1. Esquemas. Se utilizan símbolos normalizados para la representación de la interacción de los elementos y mecanismos del molino. (Ver Figura 6 y 7.)

 

  1. Cálculos. Se utilizan las técnicas y procedimientos que dan las magnitudes de las características básicas del producto, tales como potencia, diámetros, formas, etc.

 

  1. Dibujos de estudio. Pasar a un dibujo las magnitudes de las primeras características del producto, muchas otras que darán las bases para cálculos de verificación tales como esfuerzos internos, deformaciones, etc. (Ver Figura 8 y 9.)

 

  1. Prototipo. Cuando los dibujos de estudio contienen la suficiente información, se inicia la construcción del prototipo utilizando los diferentes procesos de manufactura. (Ver Figura 10,11,12 y 13.)

 

8. Estudio Económico. Se realiza un estudio en donde se determina el monto de los recursos económicos necesarios para la realización del proyecto, donde se establecen y determinan los costos de materiales, costos de elementos normalizados, costos de maquinado y costos varios. (Ver Figura 14.)

El precio de MOLI-BALL al que será ofrecido a nuestros clientes finales es de $11100.00 pesos.

 

9. Pruebas de funcionamiento. Sujetar a un programa de pruebas al prototipo hasta que satisfaga plenamente lo especificado en las características planteadas anteriormente.

 

10. Dibujos de detalle. Definir cada una de las partes componentes que establezcan, sin ambigüedad la forma geométrica, dimensiones nominales, tolerancias, materiales, tratamientos y acabados, en su caso. (Ver Figura 15 y 16.)

 

11. Dibujos de conjunto. Definir la relación física que guardan las piezas que los integran. Se identifican con números, letras o combinación de ellos, cada una de las piezas que forma el conjunto y se muestra el número de ellas que intervienen en cada conjunto. (Ver Figura 17.)

 

Galería Método

Resultados

Prueba de tensión de alimentación

Se conecta el voltímetro entre las terminales del motor y se energiza éste a la red de 120 volts de C.A. La lectura del voltímetro tomada al molino fue de 243.7 V. Lo cual está dentro del rango de lo establecido en la norma que indica que la tensión debe de ser de 220 V de C.A (+-10%). (Ver Figura 18 y 19.)

 

Prueba de velocidad

La velocidad del molino a plena carga es de 45 rev/min. Lo cual nos indica que está dentro del límite que recomienda el primer manual para la pirotecnia. (Ver Figura 20.)

 

Prueba de consumo de energía

Se energiza el motor a la red de alimentación de 120 volts de C.A. y se realiza la medida del  consumo de corriente, dándonos 3.21 A. Estando dentro de tolerancia. (Ver Figura 21 y 22.)

 

Prueba de la capacidad de producción

El molino utilizó un tiempo máximo de 15     minutos para moler la carga de 15 kg de carbón totalmente. (Ver Figura 23, 24 y 25.)

 

Ensayo granulométrico

 

Se realizó un análisis granulométrico a una muestra de 100 gramos de carbón vegetal pulverizado con nuestro molino,  en el Laboratorio de Metrología del Instituto Tecnológico de Tlalnepantla, utilizando una tamizadora que cuenta con diferentes mallas, de acuerdo a la Norma ASTM E11 mediante el método por cuarteo. (Ver Figura 26 y 27.)

 

Tal y como se puede observar en los resultados la muestra pulverizada con nuestro molino fue capaz de pasar a través de una malla ASTM 325 cuyo tamaño es de 0.045 mm.

Es importante mencionar que una pólvora más fina tiene mejores propiedades ya que esta encenderá más rápidamente y no desprenderá tantos humos.

El análisis fue elaborado por el Ingeniero Metalúrgico Maximino Berny Sánchez, profesor del Instituto Tecnológico de Tlalnepantla, en el Laboratorio de Metrología.

 

Galería Resultados

Discusión

Se pretende ofrecer principalmente a la industria pirotécnica de México, un molino de bolas innovador, eficaz que acelere y mejore la calidad del proceso de molienda del carbón vegetal para la producción de la pirotecnia y reducir los accidentes durante la misma.

Siendo indispensable para la industria productora de pirotecnia, donde sea económica, segura y eficiente; buscando la finalidad de que sea de gran aporte para pequeñas, medianas, y grandes empresas que logre cubrir sus necesidades basado en su diseño compacto, y utilizando materiales normalizados, así como basándonos en las normativas sobre la pirotecnia.

Logrando con esta innovación  reducir los costos por mantenimiento, por herramental, perdidas de producto, y lo más importante mantener una certeza de que este producto es seguro en comparación con los rudimentarios.

Conclusiones

La industria pirotécnica actualmente es una importante fuente de empleos en gran parte del Estado de México, es una tradición familiar y cultural el hacer uso de ella en ferias, festivales y eventos de gran importancia; sin embargo la seguridad en la producción de los juegos pirotécnicos es un tema al cual se le debe dar mayor importancia y supervisión ya que es de amplio conocimiento los múltiples accidentes que han ocurrido al momento de la fabricación por no contar con maquinaria confiable y mucho menos normalizada. Es por ello que nuestro objetivo principal fue construir un molino de bolas exclusivo para la fabricación de pólvora, de una forma segura y eficiente cumpliendo con las normas establecidas para ambientes explosivos.

El producto que presentamos como molino de bolas es una opción para poder llevar a cabo una fabricación de juegos pirotécnicos segura y confiable, de operación fácil y económica. Y con fundamento en un estudio de mercado sabemos con certeza que será de rápida comercialización ya que actualmente en el mercado no tenemos competencia alguna pues los molinos existentes en los talleres de pirotecnia son de fabricación rustica lo que los hace altamente inseguros y peligrosos.

Bibliografía

  • Joseph E. Shigley | Richard G. Budynas. (2019) Diseño de Ingeniería Mecánica de Shigley. 10a. ed. México, Mc Graw-Hill.

 

  • Robert L. Norton. (2015) Diseño de máquinas. ed. México, Pearson Educación.

 

  • Vergnaud. (2010) Manual Elemental de Pirotecnia Civil y Militar 1a. ed. Edición Maxtor.

 

  • Singiresu S. Rao (2012) Vibraciones mecánicas. 5a. ed México, Pearson Educación.

 

  • Jorge Washington Vargas González. (2010) Evaluación de un circuito de molienda y clasificación. Tesis de ingeniería, escuela superior politécnica del litoral.


NS-28-CI-LA Molino de Bolas (MOLIBOL)

Summary

The project presents a new conception regarding the design of ball mills, necessary for the grinding of coal in the pyrotechnic industry. A large number of accidents are caused by unsafe mills of rudimentary manufacturing, used in inappropriate places in the production of black powder. Therefore, a ball mill has been developed that is safe and efficient.

The impact that this project could have on the sector of the population dedicated to the pyrotechnic industry is explored. According to INEGI, the State of Mexico is the first producer of pyrotechnic devices, contributing 50% of the national total, in more than 60 municipalities there is a presence of pyrotechnic manufacturers. The methodology used for the design and manufacture of the ball mill to innovate is the one used in the development of manufactured products, which allows the creation of machinery, equipment, devices, devices, etc., different from those existing, that meet the needs of the users or consumers.

Our project seeks to provide a ball mill, which is innovative, safe, efficient and economical with high quality standards, basing its design on the Official Standards for explosive environments. With the purpose of increasing the production of pyrotechnic games that allows strengthening this activity and reducing the number of accidents during their production. All this so that this innovation is within reach of small, medium and large producers

Research Question

1) How to reduce the number of accidents during the production of black powder? 2) Why doesn't this industry have access to mills that meet safety standards and provide high quality grinding?

Problem approach

There are no compact-sized ball mills on the market, which carry out the task of grinding charcoal, which makes it difficult for people who carry out powder processing to carry out the process of grinding coal, since that this activity is done manually, taking large drums, introducing stones and spinning them with the charcoal so that it is ground, this process is very slow and apart a fine grinding is not obtained, just as there are people who better avoid this step and they better buy the already ground charcoal, even if it is more expensive but they are sure that the grinding is of high quality.

The ball mills used in the pyrotechnic industry are rudimentary manufacturing, use rocks as grinding bodies and incorporate in their construction wooden barrels where the coal is deposited which produces too much friction, which generates heat and therefore increases the risk of an explosion. (See Figure 1.)

Background

The rotary mills constituted a true invention, since they required a higher order of thought and had no background. The first public reference of a rotary mill appeared in England (1870), where it was introduced for the grinding of calcined flint for ceramic works.

Since then, many designs of rotary mills have appeared using stones, steel rods or steel balls as grinding media, different feeding and unloading devices through grilles or overflow. With the passage of time, larger rotary mills were developed, as well as the vertical vibrating mill.

The ball mills, currently used in different industries such as cement or mining are large, so they do not adapt to the space destined for the grinding of black powder in the pyrotechnics workshops.

Currently the ball mills used in the pyrotechnic industry are rudimentary manufacturing, use rocks as grinding bodies and incorporated in their construction wooden barrels where the coal is deposited which produces too much friction, which generates heat and therefore increases the risk of an explosion

Objective

General:

Design and manufacture a low-cost ball mill for coal grinding, used in the manufacture of gunpowder, for the pyrotechnic industry, with short operating times and with the highest quality standards, reducing the risks of accidents, guaranteeing a fine grinding with a particle size of 200.

Specific:

  1. Build a mill that meets official standards for explosive environments.
  2. Make it a safe machine.
  3. Increase the production of gunpowder.
  4. Guarantee a finer product.
  5. Accessible for small, medium and large producers.

Justification

Offer a ball mill for the manufacture of black powder, which is innovative, safe, efficient and economical with the highest quality standards, basing its design on official standards for explosive environments. With the purpose of increasing the production of pyrotechnic games that allows strengthening this activity and reducing the number of accidents during their production.

 

Hypothesis

As mentioned earlier, there are no compact-sized ball mills on the market, which carry out the task of grinding charcoal for pyrotechnic processing, which makes it difficult for people who carry out powder processing Carry out the coal grinding process, since this activity is done manually. MOLIBOL helps to make the activity of grinding of charcoal faster and with the assurance that grinding is fine and there is no waste of rock from charcoal.

MOLIBOL is a ball mill that optimizes the process of making coal, for people who do this work manually, they will no longer have to be struggling to make fine grinding, nor will they have to make much effort as they do now, with MOLIBOL it will be faster and easier to have a fine grind.

What we are looking for MOLIBOL is to help the optimization of time and work in the development of gunpowder, and this is carried out through auxiliary in the grinding of charcoal since this activity is one of the most laborious and time consuming to carry out .

Method (materials and procedure)

The methodology used for the design and manufacture of the ball mill that is planned to be carried out is the one used in the development of manufactured products, which allows the creation of machinery, equipment, devices, devices, etc.

1. Market study. The activities start from the information that the study can offer. This should contain the analysis of the needs of said market, its magnitude, its geographical location and some other characteristics. It must also give a clear idea of ​​the price that said users or consumers can pay for the product, which allows establishing whether it is viable in the market.

Below are the results of the 2 most significant questions:

Do you consider that the mills currently used for coal pulverization are safe? (See Figure 2.)

Would you be willing to purchase a ball mill to help you increase the quality and production of your gunpowder, in addition to providing you with greater safety? (See Figure 3.)

2. Product characteristics. It translates the needs of the market to general characteristics of the satisfactory product thereof, establishing the objectives, design criteria, specifications and restrictions of the satisfactory product.

Width: 70.6 cm

Length: 150.60 cm

Height: 80.96 cm

Maximum capacity

Grinding: 15 kg.

Speed: 35 to 45 rev / min.

Manufacturing process time: 1,420 minutes

3. Previous drawings. It is the activity where the best possible solution is proposed in a drawing that shows the shapes and elements of the ball mill that respond to the design criteria. (See Figure 4 and 5.)

4. Schemes. Standard symbols are used to represent the interaction of the mill elements and mechanisms. (See Figure 6 and 7.)

5. Calculations. The techniques and procedures that give the magnitudes of the basic characteristics of the product, such as power, diameters, shapes, etc. are used.

6. Study drawings. To pass to a drawing the magnitudes of the first characteristics of the product, many others that will give the bases for verification calculations such as internal stresses, deformations, etc. (See Figure 8 and 9.)

7. Prototype. When the study drawings contain enough information, the construction of the prototype begins using the different manufacturing processes. (See Figure 10,11,12 and 13.)

8. Economic Study. A study is carried out in which the amount of the economic resources necessary for the realization of the project is determined, where the material costs, standardized element costs, machining costs and miscellaneous costs are established and determined. (See Figure 14.)

The price of MOLI-BALL to which it will be offered to our final customers is $ 11100.00 pesos.

9. Performance tests. Subject to a test program to the prototype until it fully satisfies what is specified in the characteristics outlined above.

10. Detailed drawings. Define each of the component parts that establish, without ambiguity the geometric shape, nominal dimensions, tolerances, materials, treatments and finishes, if applicable. (See Figure 15 and 16.)

11. Set drawings. Define the physical relationship that the pieces that integrate them keep. They are identified with numbers, letters or combination of them, each of the pieces that make up the set and the number of them involved in each set is shown. (See Figure 17.)

Results

Supply voltage test

The voltmeter is connected between the motor terminals and this is energized to the 120 volt AC network. The voltmeter reading taken at the mill was 243.7 V. This is within the range established in the standard that indicates that the voltage must be 220 VAC (+ -10%). (See Figure 18 and 19.)

Speed ​​Test

The speed of the mill at full load is 45 rev / min. Which indicates that it is within the limit recommended by the first manual for pyrotechnics. (See Figure 20.)

Power consumption test

The motor is energized to the 120 volt AC power supply network. and the current consumption measurement is made, giving us 3.21 A. Being within tolerance. (See Figure 21 and 22.)

Production capacity test

The mill used a maximum time of 15 minutes to grind the load of 15 kg of coal completely. (See Figure 23, 24 and 25.)

Granulometric Assay

A granulometric analysis was carried out on a sample of 100 grams of charcoal sprayed with our mill, in the Metrology Laboratory of the Technological Institute of Tlalnepantla, using a sieve machine that has different meshes, according to ASTM E11 by the method by Quartet (See Figure 26 and 27.)

As can be seen in the results, the sample sprayed with our mill was able to pass through an ASTM 325 mesh whose size is 0.045 mm.

It is important to mention that a finer powder has better properties since it will ignite more quickly and will not give off so many fumes.

The analysis was prepared by the Metallurgical Engineer Maximino Berny Sánchez, a professor at the Technological Institute of Tlalnepantla, in the Metrology Laboratory.

Discussion

It is intended primarily to offer the pyrotechnic industry of Mexico, an innovative, efficient ball mill that accelerates and improves the quality of the grinding process of charcoal for the production of pyrotechnics and reduce accidents during it.

Being indispensable for the pyrotechnics producing industry, where it is economical, safe and efficient; looking for the proposal that is of great contribution to small, medium, and large companies that manage to meet their needs based on their compact design, and using standardized materials, as well as based on the regulations on pyrotechnics.

Achieving with this innovation reduce maintenance costs, tooling, product losses, and most importantly maintain a certainty that this product is safe compared to the rudimentary ones.

Conclusions

The pyrotechnic industry is currently an important source of jobs in much of the State of Mexico, it is a family and cultural tradition to make use of it in fairs, festivals and events of great importance. However, safety in the production of pyrotechnic games is an issue that should be given greater importance and supervision since it is widely known the multiple accidents that have occurred at the time of manufacture for not having reliable machinery and much less normalized. That is why our main objective was to build an exclusive ball mill for the manufacture of gunpowder, in a safe and efficient way, complying with the established norms for explosive environments.

The product that we present as a ball mill is an option to be able to carry out a safe and reliable manufacturing of pyrotechnic games, easy and economical operation. And based on a market study, we know with certainty that it will be of rapid commercialization since we currently have no competition in the market because the mills in the pyrotechnics workshops are made in a rustic way, which makes them highly insecure and dangerous.

Bibliography

Joseph E. Shigley | Richard G. Budynas (2019) Shigley Mechanical Engineering Design. 10th ed. Mexico, Mc Graw-Hill.

Robert L. Norton (2015) Machine design. ed. Mexico, Pearson Education.

Vergnaud (2010) Elementary Manual of Civil and Military Pyrotechnics 1st. ed. Maxtor Edition

Singiresu S. Rao (2012) Mechanical vibrations. 5th. ed Mexico, Pearson Education.

Jorge Washington Vargas González. (2010) Evaluation of a grinding circuit and classification. Engineering thesis, polytechnic high school of the coast.