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domingo, 20 de abril de 2014

Cómo hacer un molino de bolas (Ball Mill)

En este proyecto haremos un molino quizás poco conocido por el público en general, pero muy común en el mundo de la molienda: El molino de bolas. Los hay de gran tamaño que se utilizan en la minería y en la industria para reducir a polvo los minerales. 

Nosotros vamos a hacer uno de pequeño tamaño que servirá para reducir a polvo finísimo muchos tipos de material. El uso típico a nivel de experimentos caseros es el de hacer pequeñas cantidades de pólvora negra de calidad comercial.


Mi molino de bolas (Ball mill en inglés)

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Funcionamiento

Este molino hace su trabajo en un tambor o recipiente donde se pone la sustancia a triturar/mezclar y un número determinado de bolas normalmente metálicas. Al girar el tambor, las bolas caen de forma reiterada sobre el material, reduciéndolo a polvo pudiendo llegar a conseguir unas dimensiones de partícula realmente pequeñas: del orden de unos pocos micrones.

En primer plano los componentes del tambor listos para ser acoplados al molino.


Dos cosas sobre la pólvora (cantidad máxima, granulometría)

Es recomendable que la cantidad máxima de pólvora a hacer en un lote no sobrepase los 20 gramos. Primero, porque no vamos a necesitar mas de esa cantidad. Segundo por seguridad: En caso de que esa pólvora se inicie accidentalmente en el molino (cosa que nunca me ha pasado) pues la consecuencia será pequeña, no sólo por el reducido tamaño del lote sino por la naturaleza misma de este tipo de pólvora negra. La pólvora que se hace con nitrato potásico como oxidante es de las más "flojas" que existen y su acción es mas bien impulsora que explosiva. Aunque en determinadas condiciones la pólvora negra común también puede explotar, esas condiciones NO se dan en este molino.

¿Y porqué usar un molino de bolas? ¿No es suficiente con mezclar a mano?

No. No es suficiente.

La velocidad a la que suceden muchas reacciones químicas depende entre otras cosas de la superficie expuesta por los reactivos. Hay infinidad de reacciones que obedecen a este principio, y es lógico. Si ponemos juntas tres piedras compactadas de nitrato potásico, carbón vegetal y azufre, ¿eso es pólvora?. Mas bien no. Para que reaccionen los tres componentes hay que disgregar esas tres piedras y mezclar el polvo resultante.

Cuanto más fino sea ese polvo, más superficie habrá expuesta. Y la pólvora arderá más rápido. Aunque una partícula sea pequeña, es susceptible de ser partida en dos, y con eso se gana superficie. Esto tiene un límite: Cuando llegamos al átomo (o a la molécula). Esa sería la meta ideal: Disgregar a nivel atómico/molecular.

Lo anterior es necesario pero no suficiente. Además de disgregar los materiales a un tamaño de grano lo más fino posible hay que mezclarlos entre sí. De nada valdría reducir a polvo finísimo los tres componentes si éstos no están bien mezclados. La pólvora no es una combinación química. Es una simple mezcla mecánica, por lo tanto aquí las leyes estequiométricas de las proporciones entre reactivos no están garantizadas. Deberíamos conseguir que cada molécula de nitrato potásico esté en contacto con los átomos necesarios tanto de carbón como de azufre para que se verifique la reacción en toda la mezcla.

Si miramos al microscopio una muestra de pólvora y vemos regiones blancas (nitrato potásico), o regiones amarillas (azufre) eso significa que esas "regiones" no van a reaccionar, no van a arder bien ya que no están mezcladas. Una buena pólvora debería ofrecer un aspecto homogéneo, señal de que los tres componentes están bien ligados entre sí.

Estos dos objetivos: Disgregar los componentes y mezclarlos entre sí son conseguidos de forma simultánea, en un solo paso, en este molino de bolas mediante la simple agitación mecánica de la mezcla durante varias horas.




Materiales, lista de componentes

Este molino es un proyecto de bajo coste, pues muchos materiales pueden ser reciclados o adquiridos de segunda mano.

1) Maderas para la base y el soporte motor


La madera para la base servirá para alojar el motor y la fuente de alimentación de dicho motor, haciendo que todo el molino quede unido en una sola pieza. Las medidas de esta madera dependerán de muchas cosas que en cada caso pueden variar, por eso, las medidas que a continuación detallo no se deben tomar al pie de la letra, sólo a modo orientativo.




Medidas de la madera soporte (en mm):
Largo: 425
Ancho: 160
Grosor: 20

La madera vertical, igual que lo anterior: Sus medidas dependerán de cómo sea el motor que hayas elegido. No obstante, también doy las medidas (en mm):

Ancho: 160 (igual que la base)
Alto: 120
Grosor: 10

Diámetro taladros (en mm):
central grande (eje motor): 26
soporte motor: 11
para las escuadras: 6


2) Escuadras


Hacen falta cuatro escuadras para que la madera que sujeta al motor quede fijada con solidez. El tamaño de estas escuadras no es crítico. Algo como lo que veis en la foto será adecuado. 

Fijaremos las escuadras a la madera base mediante tornillos que pueden ser pasantes y ser asegurados con arandela y tuerca. Después fijaremos también la madera vertical a las escuadras con tornillos, arandelas y tuercas.



3) Motor


Un buen candidato para esta finalidad es un motor de lava-parabrisas de un coche. En un desguace lo encontrarás mucho mas barato. La ventaja de estos motores es que llevan internamente una desmultiplicación o reducción mecánica basada en un tornillo sin fin y un engranaje, de modo que aunque el rotor gire tan rápido como en un motor convencional (unas 3.000 RPM), en el eje de salida la velocidad es mucho menor, unas 120 RPM (ideal para el molino de bolas que no debe ir a muchas RPM). 

Esa reducción de velocidad viene acompañada de un aumento en el par, y esto nos viene muy bien porque el motor trabajará en condiciones muy benignas sin apenas esfuerzo.

Este motor funciona a 12V y la intensidad no llega a los 2 amperios. Por supuesto, si se le pone freno al motor y se le hace trabajar, el consumo se dispara y la intensidad sube a mucho más de 2 amp, pero ésa no es la manera en que el motor trabajará en este molino de bolas que, como ya se dijo, trabajará prácticamente en vacío y no tiene que hacer apenas fuerza. Este dato de los 2 amperios es importante porque servirá para determinar qué fuente de alimentación usaremos ya que este motor deberá ser regulado en velocidad. Se verá mas adelante el porqué.


4) Disco o volante con orificio central roscado

Este componente es el único que acoplaremos al eje del motor. Aquí no usaremos ni ejes, ni engranajes, poleas, correas, rodamientos, soportes y sujecciones etc.

El tambor con las sustancias a moler girará solidario con este disco y el propio motor. Usaremos una unión muy sencilla que simplifica mucho el modo de operar con estos molinos, especialmente en lo relativo a transmitir el movimiento desde el motor al tambor.

El disco se puede conseguir fácilmente en un taller de mecánica donde se trabaje con tornos, fresas, etc, pues siempre sobran pequeños discos como este. Es importante que sea de hierro. Las medidas no tienen porqué ser exactas, un diámetro entre 100 y 160 mm será válido. El grosor de este disco es de 10mm pero también puede ser menor, incluso 3mm valdrían. 

Si no es posible esta opción del disco obtenido de un taller, también valdría cualquier cosa que se le parezca, eso sí: Debe ser de hierro.

Para unir este disco al eje del motor, en su centro, se ha hecho un taladro que ha sido roscado ya que el eje del motor también está roscado. Sin embargo, esto puede cambiar según el motor elegido, pues no todos los motores tienen un eje roscado. Aquí tendrá que poner cada uno de su cosecha para unir este disco al eje del motor.

Una alternativa al taladro central roscado es un taladro sencillo sin rosca y mediante tuerca y arandela, fijaremos esta pieza al motor. En cualquier caso procuraremos que este disco o pieza no resbale y gire solidaria con el motor.



5) Circuito regulador de velocidad del motor

Vista superior de la fuente de alimentación

El molino de bolas no puede girar a cualquier velocidad. Tiene una velocidad óptima. Por debajo de esa velocidad, los materiales y las bolas tienden a deslizarse en el tarro mezclador y no se realiza ningún trabajo. Por encima de esa velocidad, la fuerza centrífuga hace que material y bolas se peguen a las paredes del tarro y tampoco se hace el trabajo de moler.

Es prácticamente imposible que se dé la casualidad de que la velocidad de giro propia del motor coincida con la necesaria. Así que habrá que dotarlo de un regulador de velocidad.

Si vamos a usar un motor de corriente continua (como en este caso) recurriremos a una fuente de alimentación clásica con un transistor de potencia que será el que haga la regulación.

Pero si vamos a usar un motor de corriente alterna (opción perfectamente válida), lo anterior no nos sirve. En lugar de un transistor de potencia usaremos un triac. En el siguiente enlace tenéis un vídeo de cómo hacer esto:

Cómo regular la velocidad de un motor de corriente alterna mediante TRIAC

Volviendo a nuestro motor de corriente continua, el siguiente esquema corresponde al circuito utilizado para alimentar dicho motor:


Regulador para motor 12V DC, de lavaparabrisas de auto.

En la parte izquierda tenemos la entrada de 220/125 voltios -según el caso- y lo primero que encuentra la corriente es un fusible de 5A. Después el interruptor general y de ahí, directamente al primario del transformador. Es opcional poner un neón indicador de encendido en paralelo con el primario.

El transformador deberá ser (para este motor) de al menos 3 amperios. Aunque el motor no llega apenas a consumir 2 amperios, es buena idea sobredimensionar un poco el transformador para evitar su rotura.

El secundario del transformador es de 18 voltios. Esto parece mucho, y más si tenemos en cuenta que, una vez rectificada por P1, esa tensión de 18 voltios sube hasta 27 voltios... en vacío. Cuando le conectamos una carga a esta fuente (el motor), la tensión cae a unos 18 voltios.

Aún así, 18 voltios siguen pareciendo mucho si tenemos en cuenta que el motor es de 12 voltios.

Esto de los 12 voltios en automoción tiene su gracia, porque una batería de 12 voltios a plena carga ofrece no 12 sino 14 voltios (13.8 para ser exactos), así que 18 voltios suponen sólo 4 voltios de más. Pero como este motor no va a ser sometido apenas a esfuerzo (girará libremente sin freno, sólo tiene que mover un tarro en el aire) pues aguantará esos 4 voltios de más. A mí al menos me los ha aguantado durante años, y han sido muchos ciclos de funcionamiento ininterrumpido por períodos de 4-5 horas...

Os preguntaréis el porqué de ese empecinamiento en esos 4 voltios de más. La razón es que si dejaba la tensión en 12-14 voltios, al motor le faltaba un poco para conseguir la velocidad óptima de funcionamiento.

El secundario de la fuente tampoco tiene nada en especial: Un puente rectificador compacto (más cómodo que los cuatro diodos por separado) y un condensador electrolítico de 1000 µF. La tensión de este condensador será como mínimo de 35V, aunque también serían correctos valores de 50 y 63 voltios.

La última parte, la de más a la derecha en el esquema es la que realmente hace el trabajo de regulación: El potenciómetro P1 de 1K (1000 ohmios) toma en su terminal central una tensión variable entre 0 y 18 voltios según la posición del potenciómetro. Esa tensión variable se aplica a la base del transistor de potencia con lo cual conseguimos regular la salida, desde 0 hasta 18 voltios.

El transistor que yo usé es un 2N3054, es un transistor de potencia tipo NPN que aguanta hasta 4 amperios, va un poco justito pero vale. Por supuesto hay que ponerle un disipador para que se libre del calor generado o se romperá en un momento. Mejor opción sería un transistor 2N3055, también NPN y con el mismo encapsulado (aunque algo más grande) y con la misma disposición de patillas, pero en vez de 4A, el 2N3055 aguanta hasta 15A, con lo cual nos despreocupamos del consumo. También a éste habría que ponerle un disipador.

La salida ya regulada, se envía directamente al motor. La unión de fuente y motor la realizo con una regleta de electricista.

Recordad que siempre se puede elegir el sentido de giro de un motor DC con sólo invertir la polaridad de los cables de alimentación.

Si tenéis alguna duda acerca de estos dos transistores, ya sabéis que en datasheet está toda la información:

Transistor 2N3054. Parámetros.
Transistor 2N3054. Medidas y patillaje

Transistor 2N3055. Parámetros y patillaje



6) Tupper o recipiente para usar como tambor giratorio y sus accesorios


Numerados en la foto, del 1 al 5 están los componentes del molino en sí, lo que realmente va a hacer el trabajo.

El (1) es un simple tupper o tarro de tamaño adecuado, se acoplará al disco que gira con el motor mediante el imán (2) y contendrá en su interior el tarro (3) que será donde pongamos el material a moler/mezclar.

Las pequeñas secciones cilíndricas (4) son las "bolas" del molino que, como veis, no es necesario que sean esféricas y hacen el trabajo igual siendo mucho más fáciles de obtener. Basta con cortar de una barra maciza tantos trozos como se necesiten. Para este tamaño de tarro, con nueve bolas está bien.

Muy importante es que estas bolas o cilindros no sean de material férrico, nada de hierro ni acero, pues estos metales al contacto con una pequeña piedrecita o un grano de arena pueden generar chispa...

En su lugar usaremos metales no-férricos como el latón (en mi caso), y también serviría el bronce, aluminio...

Las medidas de estos pequeños cilindros (en mm) son:

Longitud: 18
diámetro: 17

Acerca del imán (2), diré que es de neodimio (muy potente) pero también puede servir uno convencional si es suficientemente grande, por ejemplo, uno obtenido de un altavoz.


Imán de neodimio, el no va más en potencia

Una vez relleno el tarro (3) con el material a moler y las bolas lo cerramos (aconsejo sellar la tapa con cinta adhesiva para que no se abra ni se salga el material), lo introducimos en el tarro grande (1) y usaremos los cuatro trozos de esponja (5) para que el tarro (3) no resbale y así girará solidariamente con el resto del montaje.

Quedará mas o menos así, a falta de poner la tapa del tarro grande (1):


Tambor dispuesto, listo para empezar a trabajar



Cómo acoplar el tambor de mezclado al motor

Como ya habréis visto, tanto en el vídeo como aquí en el blog en el punto anterior, el acoplamiento del tambor al motor es sumamente sencillo y rápido, además de ahorrarnos bastante mecánica: El tambor no se sujeta en ambos extremos sino sólo en uno: El del imán que lo obliga a pegarse al disco de hierro.

Con este método de acoplamiento también nos ahorramos transmisiones, poleas, correas, reducciones, rodamientos, soportes, etc.


El vídeo.





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4 comentarios:

  1. Yo no soy un experto en explosivos, pero veo algunos puntos del molino de bolas propuesto algo peligroso.

    Quizás las cantidades propuestas en un principio no pueden parecer importantes, pero estamos tratando con una pólvora muy rápida, como es la pólvora negra.

    La pólvora negra es conocida desde siempre, como una pólvora bastante peligrosa por que puede activarse con una pequeña descarga electrostática, producida por llevar ropa sintética o lana, por estar el aire cargado y por cuestiones climatológicas o por mil cosas.

    Según veo en el vídeo se refuerza el cierre de la tapa que contiene la pólvora, con cinta adhesiva. Esta cinta suele cargarse electrostáticamente al despegarse de alguna superficie, sobre todo superficies aislantes como es el plástico, que tiende a acumular cargas electrostáticas.

    El problema no es muy importante si el recipiente está abierto en el momento de producirse la combustión de la pólvora, lo peligroso es que esto ocurra con el bote cerrado, sobre todo si al algo que impide la expansión de los gases, con lo que yo recomendaría no usar celo para sujetar la tapa, ya que en caso de explosión, podría hacer que la presión aumentase y en una pólvora tan rápida una aumento de presión y de temperatura, aunque sea en un pequeño bote de plástico, podría provocar la combustión a gran velocidad de la pólvora y producirse una explosión que podría ser peligrosa, sobre todo si en el momento de la explosión estamos agarrando el bote con la mano.

    Yo lo que haría sería moler cada componente por separado, para una seguridad máxima. Supongo que en el modelo propuesto, el incorporar 3 compartimentos separados para cada compuesto químico no sería demasiado complejo, sobre todo si pensamos que el motor transmite bastante fuerza.

    Es decir, que en vez de hacer girar un compartimento con todos los compuestos químicos al mismo tiempo, creo que lo mejor sería es hacer girar 3 compartimentos, con una sustancia química por compartimento y así resultaría imposible ningún tipo de explosión, ya que en ningún momento las sustancias están mezcladas.

    Además moliendo con 3 compartimentos, se podrían aumentar las cantidades de cada compuesto, con lo que ahorraríamos tiempo y se podría fabricar mucha más cantidad, con mucha más seguridad.

    Por supuesto tras el proceso habría que mezclar de una forma lo más homogénea posible los 3 componentes, pero creo que la mezcla homogénea no sería muy problemática, siempre buscando la máxima seguridad posible, ya que la pólvora no hay que olvidar que es un explosivo y hay que tratarla con la máxima responsabilidad.

    Por cierto magníficos vídeos y magnífico blog.

    Un cordial saludo.

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  2. Me llamo Jose Luis, soy de Gran Canaria. Solo quiero agradecerte toda la labor que haces, tanto en tu canal como aquí en tu blog. Para los que nos gustan este tipo de proyectos y trabajos caseros, esto que haces nos viene de perillas. Aparte explicas muy bien los tutoriales, con paciencia, con atención y claridad, y sobre todo con humildad de maestro. La electricidad siempre me gustó, desde jovencito, pero la electronica la tenía como materia pendiente, y ahora, siguiéndote a ti, he reparado mi primer mando de tv (XD), aparte de otros proyectos sugeridos por ti que estoy realizando. También soy un apasionado por las maquetas de aeromodelismo. Y aquí tengo una duda: aunque es una tarea más dificil (quizas no para ti, sino para los que te seguimos), te lanzo la idea: me gustaría saber si podrías hacer algún tipo de vehiculo (con tus conocimientos electronicos) que pudiera despegar del suelo, tipo helicoptero o dron (esos que suelen ser una superficie cuadrada con tres o cuatro motores de helice). Te atreverías con esto, Jose? Bueno, un saludo, sigo pendiente de tu canal y blog como un niño en dia de reyes, je,je... shalom

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  3. hola me llamo Pablo, y soy de murcia queria agradecerte tu labor como youtuber, ya que nos muestras informacion muy curiosa, y queria preguntarte donde compras tu los elementos quimicos para elaborar la polvora, hay alguna tienda que tu conozcas, gracias

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  4. con un taladro y una esfera con salida de broca sirve tambien: http://i.ebayimg.com/00/s/NjQwWDQ4MA==/$(KGrHqZ,!k4E6E5O3j1qBOiCw)hWdg~~60_12.JPG

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