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CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES
CURSO DE DESIGN DE PRODUTOS
PROJETO DE PRODUTOS:
MOINHO DE BOLAS DE BAIXO CUSTO
Gustavo Nos
Lajeado, julho de 2011
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Gustavo Nos
PROJETO DE PRODUTOS:
MOINHO DE BOLAS DE BAIXO CUSTO
Monografia apresentada na disciplina de
Trabalho de Conclusão de Curso II, na linha
de formação específica em Design de
Produtos, do Centro Universitário Univates,
como parte da exigência para a obtenção do
título de Bacharelado em Design.
Orientador: Hélio Dorneles Etchepare
Lajeado, julho de 2011
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RESUMO
Nos próximos anos o modo como vivemos nossas vidas terá que mudar, consumindo menos produtos e reciclando ainda mais os mesmos. Nesta monografia foi proposto a produção de um equipamento para a fragmentação de matérias sólidas com possível uso em meios líquidos. Para o estudo de caso foi utilizado a metodologia de projeto de produto proposta por Baxter e Löbach que divide o processo de design de produtos em quatro fases distintas, mas que se entrelaçam umas às outras com avanços e retrocessos. Essas fases de desenvolvimento denominam-se: problematização, análise de similares, geração de alternativas e realização da solução do problema. Esta última fase envolve a seleção de materiais e processos de transformação, as especificidades de projeto e a descrição final do produto. Dispositivos para este fim começaram a ser utilizados a 10.000 a.C. na Pompeia e utilizavam a força de um homem para o seu funcionamento, com o passar dos anos, evoluiu até chegar a utilização de motores para a fragmentação. O projeto é baseado em um moinho de bolas, equipamento certo para obter uma granulometria bastante fina. Esferas de moagem em aço inoxidável, cilindros de cloreto de polivinila e alumínio, cálculos para a transmissão de força. O equipamento desenvolvido obteve uma alta eficiência e desempenho a um baixo custo x beneficio, possível graças a reutilização de materiais descartados. Palavras-chave: Moinhos. Esferas. Materiais reutilizáveis.
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RESUMEN
Durante los próximos años la forma en que vivimos nuestras vidas tendrá que cambiar, consumiendo menos los productos y recilando aún mas los mismos. En la presente monografia se propone la producción de un equipo para la fragmentación de sólidos con su posible utilización en medios líquidos. Para el estudio de caso se utilizó la metodología de proyecto de productos propuesto por Baxter y Löbach que divide el proceso de diseño de productos en cuatro fases distintas, pero que se entrelazan unos con los otros con flujos y reflujos. Las fases de desarrollo son llamados: problemático, el análisis de similares, generación de alternativos y la realización de la solución del problema. La ultima fase consiste en la selección de los materiales y procesos de transformación, el proyecto especifico y la descripción del producto final. Dispositivos para este propósito empezó a ser utilizados en Pompeya a 10.000 años antes de Cristo y se utilizaba de un hombre para su funcionamiento, con el pasar de los años, evoluiu hasta llegar a la utilización de motores para la fragmentación. El proyecto se basa en un molino de pelotas, equipo adecuado para la obtención de un tamaño de partícula muy fina. Molienda de pelotas en acero inoxidable, cilindros en cloruro de polivinilo y el aluminio, cálculos para la transmisión de energía. El equipo desarrollado cuenta con una gran eficiencia y rendimiento a un bajo costo x beneficio, posible gracias a la reutilización de materiales desechados. Palabras clave: Molino. Pelota. Materiales desechados.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Modelo de utilização da mó................................................................... 12 Figura 2 – Almofariz para uso Laboratorial.............................................................
14
Figura 3 – Moinho de Rodízio em Figueiredo de Baixo/Portugal...........................
15
Figura 4 – Corte lateral de um moinho de maré.....................................................
16
Figura 5 – Moinho de Maré – Alhos Verdos/Portugal.............................................
16
Figura 6 – Usina Itaipu Binacional..........................................................................
17
Figura 7 – Moinho de vento para moagem de cereais...........................................
18
Figura 8 – Moinho para moagem em microcervejarias..........................................
20
Figura 9 – Moinho de martelos, corte lateral…......................................................
21
Figura 10 – Desenho de um Moinho de Bolas…....................................................
22
Figura 11 – Moinho para fabricação de cimento….................................................
23
Figura 12 – Moinho de Bolas MA-7/12…...............................................................
24
Figura 13 – Esferas de Alumina…..........................................................................
25
Figura 14 – Esferas em Aço Inoxidável…..............................................................
25
Figura 15 – Cilindro hermeticamento selado, produzido com PVC e Alumínio......
31
Figura 16 – Estrutura com eixos de Transmissão, Sustentação e Motor Elétrico..
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Figura 17 – Projeto Final, Estrutura, Eixos e Cilindros...........................................
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LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Dados técnicos do moinho de bolas Zenith...........................................
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Tabela 2 – Cálculos de transmissão de força.........................................................
29
Tabela 3 – Densidade das esferas..........................................................................
33
Tabela 4 – Cálculos em relação às esferas............................................................
34
Tabela 5 – Custo total do projeto executado........................................................... 35
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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
a.C. – Antes de Cristo
Al – Alumínio
cm – Centímetros
d.C. – Depois de Cristo
Ed. – Edição
g – Gramas
h – Horas
Hp – Horse Power
J – Joules
Kg – Kilograma
kW – Kilowatt
m – Metros
mm – Milímetros
O – Oxigênio
PVC – Cloreto de polivinila
r – Raio
RPM – Rotações por Minuto
R$ – Reais
s – Segundos
t – Toneladas
un – Unidades
'' – Polegadas
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µm – Micra
Ø – Diâmetro
ºC – Graus Centígrados
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SUMÁRIO
1 PROBLEMATIZAÇÃO.................................. .......................................................
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2 ANÁLISE DE SIMILARES............................. ...................................................... 12 2.1 Moinhos de tração animal....................... ....................................................... 13 2.2 Moinhos de água................................ ............................................................. 14 2.3 Moinhos de vento............................... ............................................................. 17 2.4 Movidos a motor................................ ..............................................................
19
3 GERAÇÃO DE ALTERNATIVAS.......................... ............................................... 22 3.1 Esferas de moagem.............................. .......................................................... 24 3.2 Cilindros…..................................... .................................................................. 26 3.3 Custos......................................... .....................................................................
26
4 SELEÇÃO DE MATERIAIS............................. .................................................... 28 4.1 Transmissão.................................... ................................................................ 28 4.2 Cilindros...................................... .................................................................... 30 4.3 Estrutura…..................................... ................................................................. 31 4.4 Esferas…....................................... .................................................................. 32 4.5 Custos do projeto.............................. .............................................................
34
5 DESCRIÇÃO FINAL.................................. ..........................................................
37
REFERÊNCIAS......................................................................................................
39
APÊNDICES........................................................................................................... 42
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1 PROBLEMATIZAÇÃO
A economia mundial como conhecemos hoje está consumindo recursos e
desperdiçando-os em quantidades sem precedente. Nos últimos 100 anos, a
produção industrial aumentou mais que 50 vezes, o que libera no ambiente, vários
materiais nocivos aumentando em muito o impacto ambiental. É esperado que este
desenvolvimento industrial continue e que a produção mundial aumente, o que tende
a um crescimento no consumo de produtos manufaturados e por sua vez o aumento
do consumo de materiais (MANZINI; VEZZOLI, 2005).
Esta perspectiva de sustentabilidade nos trás uma discussão a ser feita sobre
o atual padrão de desenvolvimento que temos hoje. Nas próximas décadas, teremos
que passar de uma sociedade em que saúde econômica e bem-estar, que são as
medidas em termos de crescimento do pais, para uma sociedade em que é possível
viver bem consumindo menos e desenvolvendo a economia reduzindo a produção
de produtos novos (MANZINI; VEZZOLI, 2005).
Com este crescente desperdício se torna indispensável o reaproveitamento de
materiais. O Brasil tem uma participação destacada nas questões ambientais, isso o
tornou um dos líderes mundiais no desenvolvimento de produtos e estratégias
ecológicas. Normas e sistemas de rotulagem ambiental, avaliação do ciclo-de-vida
de produtos, regulamentação, acordos e códigos de ética ambiental representam
parte das novas políticas ambientais para a indústria brasileira (ASSOCIAÇÃO
BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, 2005).
A partir do final da década de 1980, o termo “reaproveitamento” ganhou um
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enfoque mais forte, pois foi contatado que algumas matérias-primas não renováveis,
como o petróleo, iriam se esgotar rapidamente e que não haveria mais espaços para
os resíduos na natureza. A reciclagem consiste em transformar determinados
materiais já beneficiados em outros. Um bom exemplo é a lata de alumínio, que
pode ser fundida e novamente beneficiada, sem a perda de suas características
mecânicas. Porém, isto não ocorre com todos os materiais, as resinas epóxi, um
termofixo, não podem ser recicladas e o PVC, um termoplástico pode ser reciclado,
mas não mantém as características iniciais (LIMA, 2006).
O presente trabalho objetiva o projeto e desenvolvimento de um moinho para
fragmentação de matérias, utilizando no seu desenvolvimento materiais
reaproveitáveis, tais como canos, cantoneiras entre outros.
O homem aprimorou os equipamentos de fragmentação durante séculos.
Começando com sua própria força, passou para o animal, as forças das águas, dos
ventos e do motor a vapor, posteriormente elétrico. Moinhos para moagem de
cereais, pigmentos de tinta, produção de cimento, enfim, para os mais diversos
segmentos de mercado, existem equipamentos adaptados (CUNHA, 2010).
O projeto deste produto surgiu com a necessidade de um equipamento para
efetuar a moagem em amostras de basalto, material de baixo valor comercial,
extremamente duro mas com potencial de novas utilizações, que está sendo
pesquisado no trabalho do doutorando Hélio Dorneles Etchepare. Em seu estudo
estão sendo verificadas as possibilidades de transformação dessa matéria prima
através de processos não convencionais e/ou pouco utilizados neste tipo de
manufatura. Estas amostras foram inicialmente analisadas em um durômetro e
posteriormente por difração de raios X. Para a análise em difração de raios X há
necessidade de uma granulometria abaixo de 325 mesh.
Apesar da necessidade de se moer o basalto, o moinho pode ser utilizado
para a fragmentação dos mais diversos materiais possibilitando a estes outras
aplicações.
Equipamentos específicos para este fim não estão disponíveis na maioria das
instituições. O desafio foi o desenvolvimento de um sistema de baixo custo para
obter este pó, com granulometria de 325 mesh. Moinho de bolas não são baratos,
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podendo chegar a custar mais de 10 mil reais, e nenhum dos equipamentos
pesquisados permitia a moagem de duas amostras ao mesmo tempo, o que
agilizaria o processo.
Para obtenção deste produto final, o projeto prevê a construção de um
equipamento que suporte dois cilindros de moagem trabalhando simultaneamente,
estes deverão ter um mínimo de 200 mm de diâmetro cada e rodar a 40 RPM, para
isso serão necessárias várias adaptações, entre elas a reduções de velocidades, já
que o motor elétrico disponibilizado apresenta uma velocidade de 1425 RPM. Além
disso, será necessário a produção de cilindros para uso em meios líquidos, ou seja,
um cilindro que seja vedado e de fácil manutenção.
Para o estudo de caso foi utilizada a metodologia de projeto de produto
proposta por Baxter e Löbach, que divide o processo de design de produtos em
quatro fases distintas mas que se entrelaçam umas às outras com avanços e
retrocessos.
Este trabalho apresenta, no capítulo 2, a análise dos similares, apresentado
uma contextualização histórica de utilização no mundo, desde a pré-história até o
presente. No capítulo 3, é abordado com mais ênfase o moinho de bolas e seus
componentes. No capítulo 4, serão analisados os materiais com potencial para
serem utilizados para a sua construção e cálculos necessários para o seu correto
funcionamento. No capítulo 5 são apresentadas as conclusões do projeto e a
descrição do produto final.
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2 ANÁLISE DE SIMILARES
Possivelmente a primeira forma encontrada para transformar os grãos numa
forma mais fácil de ingerir, foi através de um sistema de trituração.
Os vestígios mais antigos destes sistemas de trituração foram encontrados
em sítios arqueológicos da Palestina, datadas de aproximadamente 10.000 a.C.. A
presença de mós e mãos-de-mó em sítios arqueológicos constitui um vestígio do
processamento de cereais pelos habitantes daqueles lugares. Esse tipo de mó,
muito mais simples que a moderna, constitui-se de duas pedras, a mão-de-mó e a
pedra de moer. Mó é cada um dos pares de pedras duras, maciça e esculpida em
forma de anel, onde estes impactam com os grãos triturando-os até se reduzirem a
farinha (OLIVEIRA, 2004).
Figura 1 – Modelo de utilização da mó
Fonte: http://www.prof2000.pt/users/secjeste/arouca/fig06.jpg.
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O termo "moinho" deriva do latim molinum, que significa moer, triturar cereais.
É um engenho muito simples e que foi utilizado durante praticamente dois milênios,
permanecendo ainda em uso, embora tendencialmente decadente, no século XX. O
Dicionário Aurélio descreve moinho como um “engenho composto de duas mós
sobrepostas e giratórias, movidas pelo vento, queda-d'água, animais ou motor, e
destinado a moer cereais...máquina que serve para triturar qualquer coisa” (2004, p.
1348).
Há dois grandes grupos de moinhos tradicionais, que se classificam pela fonte
da energia utilizada: moinhos de água e moinhos de vento. Além desses, também
existem moinhos movidos a tração animal (atafonas) ou motor elétrico, objeto de
estudo deste trabalho.
Em escavações na cidade de Pompeia, foram encontrados equipamentos
com uso do movimento rotativo para a moagem de cereais. Há cerca de 2.300 anos
os romanos parecem ter utilizado este dispositivo para obtenção de farinha na
produção de pão. Representaram um grande passo na história da moagem
(CUNHA, 2010).
2.1 Moinhos de tração animal
Inicialmente, escravos foram utilizados para a movimentação das mós, e
somente 300 anos depois começaram a usar a tração animal. Porém, a prática da
utilização de escravos continuou por muitos séculos. Os primeiros moinhos
construídos no Brasil, utilizavam esta fonte de tração. Por causa de sua lentidão na
moagem dos grãos optaram pela utilização de outros mecanismos (FERREIRA,
2003).
Para uma moagem eficiente era necessário a força de dois homens, o
primeiro para girar uma pedra rotora circular, chamada Castillus, que era
posicionada em cima de outra pedra também circular, porém fixa. A segunda pessoa
era responsável por alimentar o moinho. Tempos depois, a primeira pessoa citada foi
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substituída por um cavalo, o que trouxe mais eficiência para o serviço (CUNHA,
2010).
Em escala laboratorial manual, existem os moinho de Almofariz utilizados no
preparo de amostras para análises e também no preparo de comidas. São utilizados
para misturar, triturar e homogeneizar por meio de pressão e atrito. O material a
moer é colocado em uma espécie de pote (gral), onde é pressionado com um bastão
(pistilo). A pressão necessária à moagem é proporcionada pela mão do operador
(STREIT, 2000).
Figura 2 – Almofariz para uso Laboratorial
Fonte: http:www.casaamericana.com.br/images/Gral%porc%20%com%20pistil%2
0VICIL.JPG.
2.2 Moinhos de água
No momento em que a tração animal começou a ser obsoleta por sua
vagarosidade, moinhos d'água surgiram como solução. Utilizando-se das forças das
águas como obtenção de força, trouxeram aos antigos muita eficiência na moagem
de cereais.
O moinho de água é a estrutura mais antiga produzida pelo homem para o
aproveitamento da energia cinética das águas de rios. Apareceu no século II d.C.
com os gregos e os romanos, e foram os primeiros mecanismos a substituírem a
força do homem ou de animais para o movimento das mós (FERREIRA, 2008).
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Para a obtenção da energia d'água, construíam represas que faziam com que
a água passasse em moinhos de Rodízio. Uma tubulação era construída para que a
água chegasse a um composto com rodas horizontais com pás em sua extremidade
distribuídas radialmente, as quais recebem a impulsão do jato de água que nelas
bate (Moinhos de Portugal, 2011).
Figura 3 – Moinho de Rodízio em Figueiredo de Baixo/Portugal
Fonte: http://moinhosdeportugal.no.sapo.pt/Texto%20Aveiro%20Moinhos%20d%20Caldeirao.htm.
A difusão deste tipo de engenho hidráulico foi muito rápida por toda a Europa,
devido à profusão e características dos cursos de água aí existentes. Altos impostos
eram cobrados para quem quisesse utilizar estes engenhos, pois eram um privilégio
dos senhores feudais terem este tipo de equipamento (Moinhos de Portugal, 2011).
Em lugares, no litoral, em que não se podia obter uma corrente contínua de
água forte o bastante para o abastecimento destes moinhos, construíam os
chamados moinhos de maré. Formados por uma caldeira que se enchia com a maré
alta. Quando esta baixava, abriam-se passagens para a saída das águas que faziam
mover um número variável de moendas, normalmente entre três e dez (Moinhos de
Portugal, 2011).
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Figura 4 – Corte lateral de um moinho de maré
Fonte: http://conviteparaumcafe.blogspot.com/2009_ 07_01_archive.html.
Figura 5 – Moinho de Maré – Alhos Verdos/Portugal
Fonte: http://www.cafeportugal.net/resources/3/image/moita.jpg.
Outro moinho hidráulico de roda horizontal, o rodete submerso, utilizava uma
roda larga e forte que trabalha submersa em uma câmara cilíndrica onde a água ao
entrar por um orifício fazia girar um sistema de turbina. Este mecanismo era
encontrado geralmente onde o leito dos rios é mais forte e onde era mais comum as
águas atingirem níveis elevados (Moinhos de Portugal, 2011).
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Atualmente as usinas hidrelétricas se utilizam dos mesmos mecanismos para
a produção de energia, geralmente são construídos estruturas grandiosas em meio a
natureza para o aproveitamento da corrente das águas.
Figura 6 – Usina Itaipu Binacional
Fonte: http://historica.com.br/wp-content/uploads/2010/11/Itaipu_Dam.jpg.
2.3 Moinhos de vento
Outro modo de utilizar a natureza em prol do homem é com a utilização das
forças dos ventos através de pás. Os moinhos de vento são utilizados para os fins
mais diversos, desde moagem de cereais até a produção elétrica.
As primeiras menções de moinhos movidos pela força do vento refere-se ao
século VII, na Pérsia. Os moinhos Persas eram do tipo horizontal, com palhetas em
torno de um eixo vertical que movia diretamente as mós, sem engrenagens,
inspirados nos antigos moinhos hidráulicos do mesmo tipo (Enciclopédia Barsa,
2004).
Na Holanda o moinho de vento foi utilizado para uma função diferente, retirar
a água das terras baixas. Estes moinhos movimentavam uma bomba tipo parafuso
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de Arquimedes. Estas bombas são constituídas por um tubo cilíndrico com um
parafuso em seu interior, inclinado e com a base mais baixa que o nível da água,
este leva o líquido para um plano mais alto. Atualmente são utilizados motores
elétricos para essa função (FERREIRA, 2003).
Ao norte da Europa muitos dos moinhos tem a rotação de toda a torre para
melhor obtenção do vento. No Mediterrâneo a estrutura é fixa e somente o telhado
sofre a movimentação. A força captada pelas pás, é transmitida através de um eixo
central onde estão localizadas as mós. É possível regular a altura das faces das
pedras, para que estas não tranquem com a rotação e para o desgaste das mesmas.
Nestas pedras existem sulcos onde acontece a moagem dos cereais por fricção
(Centro Moinhos Vivos, 2007).
Figura 7 – Moinho de vento para moagem de cereais
Fonte: http://i.olhares.com/data/big/80/808957.jpg.
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Esta tecnologia caiu em desuso com a revolução industrial. Formas de
energia mais eficientes acabaram por deixar os moinhos movidos a energia eólica
para atração turística, residências e até mesmo demolidos (Centro Moinhos Vivos,
2007).
Atualmente a força dos ventos é utilizada para produção de eletricidade, onde
pás entre 40 a 60 metros de comprimento rodam lentamente. Estas pás, são ligadas
em uma caixa multiplicadora, que por sua vez, é ligada em um gerador de energia,
geralmente são acoplados a este sistema um alternador ou dínamo, que são
capazes de transformar a energia cinética em energia elétrica (LOPES, 2011).
2.4 Movidos a motor
Em meados do século XVIII um inglês chamado James Watt estava
desenvolvendo um motor a vapor, porém, as indústrias da época não confiavam em
seu potencial. Somente em 1786, junto com seu sócio, construiu o moinho Albion em
Londres, sendo a primeira máquina de grande porte movida a vapor para
movimentos rotativos. O motor movia seis pares de pedras, o que mais tarde fora
aumentada para vinte e então acionadas por dois motores a vapor. O moinho de
trigo de Albion foi destruído pelo fogo em 1791. Este foi o primeiro relato do uso de
um motor a vapor como fonte de potência para a movimentação de mós (CUNHA,
2006).
Mais confiáveis e eficientes que os moinhos vistos anteriormente, existem
uma infinidade de tipos e modelos de moinhos movidos a motor. A principal
facilidade deste aparato está em sua facilidade de transporte e instalação, pois não é
necessário o auxílio de uma fonte de energia. Este moinho se utiliza de um motor
para mover, geralmente, cilindros onde são depositadas matérias à moer.
Existem muitos modelos diferentes com este tipo de energia. O moinho de
rolos é constituído por cilindros rotativos que giram em sentidos contrários. Lisos,
corrugados ou com cristas afiadas, que desintegram o material a moer por
compressão, abrasão, impacto e corte. A distância entre os rolos é regulável, e deve
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ser ajustada às condições da matéria prima, da torrefação e do próprio sistema de
extração. Usa-se para moer cereais, produtos farmacêuticos, cosméticos, cortiça,
mica e folha de alumínio (STREIT, 2000; MÜLLER, 2007).
Figura 8 – Moinho para moagem em microcervejarias
Fonte: http://www.monsterbrewinghardware.com/images/prod_mm220_img4_lg.jpg.
Outro tipo de moinho bastante utilizado para produzir material mais fino que
os obtidos em moinhos de rolos é com o de martelos. Dentro de um cilindro, um rotor
de alta velocidade com inúmeras articulações impactam com as matérias postas
através de um orifício na parte superior do equipamento. A moagem é feita
predominantemente por impacto do material com os martelos e com as placas de
britamento, mas o corte e o atrito também são importantes (STREIT, 2000).
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Figura 9 – Moinho de martelos, corte lateral
Fonte: http://www.ufrgs.br/alimentus/feira/optransf/Image3.gif.
Os martelos danificados ou desgastados podem ser substituídos com
facilidade. Podem ser utilizados também para moagem de temperos, leite em pó,
açúcar, produção de brita e adubos orgânicos (MÜLLER, 2007).
Já o moinho de discos, constituído por dois discos de material duro,
desintegram o material que se encontra entre eles por efeito das grandes forças de
cisalhamento que exercem. Geralmente usado para moagem de granulação fina,
são pequenos e de difícil regulagem (MÜLLER, 2007; STREIT, 2000).
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3 GERAÇÃO DE ALTERNATIVAS
O moinho de bolas é um equipamento de cilindro horizontal, preenchido
parcialmente com esferas e movido por um motor a uma velocidade baixa. Ao girar,
este cilindro provoca o cascateamento das esferas que atritam com as matérias
depositadas internamente. As ações de choque e cisalhamento provocam a redução
do material a uma granulometria mais fina. Esses equipamentos são indicados para
os materiais de difícil fragmentação (AZEVEDO, 2004).
Figura 10 – Desenho de um Moinho de Bolas
Fonte: http://www.quimicaederivados.com.br/revista/qd424/images/ tintas_01.gif.
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Figura 11 – Moinho para fabricação de cimento
Fonte: http://www.agenciat1.com.br/wp-content/uploads/2010/08/imbitubaii.jpg.
No processo de fabricação de cimento, o moinho de bolas entra com a função
de moer e misturar o calcário com a argila. Já na fabricação de tintas entra na
moagem de pigmentos, diminuindo assim o tamanho das partículas para uma melhor
mistura com uma resina previamente dissolvida. O moinho de tintas é bastante
similar ao de cimento, mas sem o aquecimento exigido. Porém, este método de
moagem está perdendo força na indústria de tintas por produzirem muito ruído, sem
grande flexibilidade no volume de produção, e do tempo de operação que
geralmente dura dias (AZEVEDO, 2004).
Além do uso para a fabricação de materiais a serem comercializados em
grandes volumes, o moinho de bolas pode ser usado em laboratórios. Neste meio,
geralmente é utilizado um material chamado alumina (óxido de alumínio), tanto para
o cilindro quanto para as esferas, em função de sua grande densidade e para se
evitar a contaminação dos materiais que estão sendo trabalhados (LIMA, 2006).
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Figura 12 – Moinho de Bolas MA- 7/12
Fonte: http://www.materia.coppe.ufrj.br/sarra/artigos/artigo10902/v12n2a11.fig01.JPG.
3.1 Esferas de moagem
Em moinhos de tinta são utilizados normalmente esferas de vidro ou de
zircônio, porém o efeito de moagem com esferas de vidro são inferiores ao das
esferas de zircônio, pois a densidade do vidro é quase duas vezes menor
(AZEVEDO, 2004).
Para o uso em laboratório são utilizadas esferas de porcelana, pois exigem
grandes esforços mecânicos e resistência a calor. São resistentes à corrosão e à
abrasão, e tem baixa condutividade térmica o que lhe confere um com custo x
beneficio e favorece a sua utilização em moinhos de bolas. Podem ser fabricadas
com materiais cerâmicos, como zircônio, carbeto de silício, alumina e nitreto de
silício (LIMA, 2006).
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Figura 13 – Esferas de Alumina
Fonte: http://www.porcelanarex.com.br/images/esferas_porcelana.jpg.
Para o uso em moinhos de cimento geralmente são utilizadas esferas de aço
inoxidável com diâmetro variável, dependendo da necessidade ou de experimentos
a serem feitos em moinhos de bolas.
Existem muitos materiais adequados para uso em um moinho de bola, cada
material com propriedades específicas e suas próprias vantagens. Sendo o mais
comum o aço inoxidável, muito eficaz devido a sua alta densidade de 7,8 g/cm³ e
baixa contaminação do material a ser processado (LIMA, 2006).
Figura 14 – Esferas em Aço Inoxidável
Uma das facilidades que temos com o uso das esferas de aço inoxidável, é
que são fáceis de serem limpas, pois não acumulam impurezas em sua superfície.
Em equipamentos industriais, estas esferas podem ser utilizadas também para
polimento de peças em máquinas.
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3.2 Cilindros
Existem dois tipos principais de cilindros para os moinhos de bolas a venda no
mercado nacional, o aço com uma ligação ao manganês e o de cerâmicas
avançadas.
O primeiro possui uma resistência importante contra o impacto das esferas.
Em usos com líquidos, estes cilindros de aço recebem um revestimento adicional de
borracha, para a vedação do mesmo. Já a alumina, cerâmica avançada, é o principal
material utilizado para testes em laboratório. De alta resistência a impactos, esta
cerâmica é lavável e seca rapidamente.
3.3 Custos
Um moinho de bolas, dependendo do seu tamanho, pode apresentar custo
elevado. Moinhos industriais chegam a custar mais de 1 milhão de reais, e tem sua
autonomia conforme o preço sugerido.
A Companhia Shanghai Zenith uma das principais fornecedoras de
equipamentos industriais de moagem, vende seus produtos conforme tamanho de
cilindro e motor, como visto na tabela a seguir. Estes moinhos de bolas são
alimentados continuamente, com uma abertura de entrada para a alimentação e
outra de saída.
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Tabela 1 – Dados técnicos do moinho de bolas Zenith
Modelo (mm) Velocidade do cilindro (rpm)
Peso total de bolas (t)
Tamanho de saída de
produto (mm)
Produção (t/h)
Potência (kW)
Peso (T)
Ø900×1800 38 1.5 0.075-0.89 0.65-2 18.5 3.6
Ø1200×3000 32 5 0.075-0.4 1.6-5 45 12.8
Ø1500×5700 27 15 0.075-0.4 3.5-6 132 24.7
Ø1830×3000 24 11 0.075-0.4 04-10 180 28
Ø2200×5500 21 30 0.075-0.4 10-22 370 48.5
Ø2200×6500 21 30 0.075-0.4 14-26 380 52.8
Ø2200×7500 21 33 0.075-0.4 16-29 475 56
Fonte: http://www.zenithbritador.com.br/Grinding_4.html.
Ao contrário dos moinhos industriais que são vendidos pelo seu tamanho em
milímetros, os moinhos de bolas para laboratório são vendidos conforme sua
litragem. Geralmente são de tamanhos muito menores que os industriais, pois o seu
uso geralmente é para analisar o produto final.
Este equipamento pode ser vendido separadamente, mas é possível
encontrar um conjunto com jarro, esferas e o moinho. Em pesquisa efetuada em
dezembro de 2010, uma empresa de materiais hospitalares em São Paulo, LF
Equipamentos, vendia este produto por um preço cerca de R$ 11.200,00. O
equipamento acompanhava um jarro de porcelana de 5 litros com um revestimento
exterior em aço, e 1 kg de bolas de porcelana de 19 mm de diâmetro.
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4 SELEÇÃO DE MATERIAIS
O projeto é baseado em uma estrutura de aço com eixos de transmissão para
dois cilindros hermeticamente fechados e posicionados livremente em cima destes
eixos giratórios. Em apêndice A são apresentados os desenhos técnicos com
respectivos materiais selecionados.
Partindo de um motor elétrico disponibilizado pelo doutorando Hélio Dorneles
Etchepare, o equipamento começa com uma rotação de 1425 RPM e 1/3 de Hp.
Para o correto funcionamento do equipamento, é necessário que os cilindros tenham
uma velocidade de 40 RPM, sendo necessários ajustes em sua transmissão com
uso de polias de redução. Esta rotação é a ideal para que o cisalhamento das
esferas ocorra de forma correta, sendo as matérias fragmentadas.
4.1 Transmissão
Polia é uma peça mecânica muito comum em diversos equipamentos,
também conhecida como roldana, é responsável por transferir força e movimentos
aplicados à ela. Constituída por materiais sólidos, neste caso o aço. Disponíveis
para uso há três polias em V (formato referente a posição que a correia toca a polia),
uma de Ø50 mm e duas de Ø160 mm. A primeira acoplada ao eixo do motor e as
segundas ao um eixo de transmissão. Em sequência, estas três polias são ligadas
através de uma correia industrial A41 do fabricante Kautech®.
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O eixo de transmissão deve suportar o peso dos cilindros e ser capaz de
transmitir as rotações do motor, reduzidas em razão de um conjunto de polias. Esta
rotação é a ideal para que o cisalhamento das esferas ocorra de forma correta,
sendo as matérias fragmentadas. As reduções necessárias para que o eixo de
transmissão faça o cilindro de Ø220 mm (diâmetro externo de cada cap) rodar à
velocidade de 40 RPM.
Tabela 2 – Cálculos de transmissão de força
Ref. Cálculo Ref. RPM
Polia motor a1 Ø 45 mm a2 1425
Polia eixo b1 Ø 155 mm b2 413,70
Eixo c1 Ø 21,27 mm c2 413,70
Cilindro d1 Ø 220 mm d2 40
Cálculo do RPM do eixo de transmissão
referência para cálculo a1*a2=b1*b2
RPM do eixo 413,71
Cálculo do tamanho do eixo de transmissão
referência para cálculo c1*c2=d1*d2
diâmetro do eixo 21,27
Como as polias têm um formato em V, utilizamos uma medida diferente do
seu diâmetro externo. Mede-se a profundidade do sulco e calcula-se a metade
(diâmetro primitivo). Exemplo, diâmetro externo da polia é de Ø160 mm e seu sulco
é de 10 mm, então para o cálculo utiliza-se Ø155 mm.
Após cálculos executados, pode-se concluir que para os cilindros principais
rodarem a 40 RPM, é necessário um eixo de transmissão de Ø21 mm unido à polia
de Ø160 mm. Estes dois terão a mesma velocidade de 413 RPM, pois giram em
conjunto.
Os quatro eixos, tanto os de sustentação quanto os de transmissão, são
confeccionados com fusos de aço M13, garantindo a sustentação dos cilindros. Em
cada um dos fusos é possível acoplar um cano de PVC com Ø21 mm, diâmetro
calculado anteriormente, e dois rolamentos 6203-RSH do fabricante NSK® (Prancha
5 e Prancha 6 – Apêndice A).
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4.2 Cilindros
As principais peças para o projeto são os cilindros hermeticamente selados
(Prancha 4 – Apêndice A). Para garantir a vedação do produto, é utilizado o material
PVC (cloreto de polivinila). Este material é utilizado em muitos produtos por sua
versatilidade e facilidade de manuseio, como em tubos, esquadrias de janelas,
construção civil e frascos. Pode ser fabricado em diferentes níveis de rigidez, é difícil
de queimar, fácil pigmentação e pintura. Sua densidade varia entre 1,34 e 1,6 g/cm³
(LIMA, 2006). Todas as peças de PVC presentes no equipamento são do fabricante
Amanco®.
Para a confecção dos cilindros são utilizados dois canos de Ø200mm de PVC,
cada um com 200 mm de comprimento. Para que as esferas sejam conduzidas até o
topo são fixadas, através de rebites, três cantoneiras de alumínio de 200 mm cada
uma (Prancha 4.1 – Apêndice A).
O alumínio é utilizado para garantir que não haja contaminação do material
fragmentado com a oxidação de outros metais em meios líquidos. O alumínio é um
metal não-ferroso, conseguido através de diversos estágios de reações químicas
aos quais é submetida a bauxita (LIMA, 2006).
Para selar cada lado do cano são necessários dois caps Ø200 mm de PVC.
Para a facilidade de manutenção do cilindro, é fixado um flange com cap roscável de
1½'' em um deles (Prancha 4.2 – Apêndice A). Para garantia de vedação é utilizado
um silicone de PVC para selar possíveis pontos de vazamento de líquidos.
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Figura 15 – Cilindro hermeticamente selado, produzido com PVC e Alumínio
4.3 Estrutura
A estrutura de aço (Prancha 2 – Apêndice A) é outro fator importante do
projeto, deve ter um tamanho capaz de suportar o motor, os eixos giratórios e ser
capaz de resistir a grandes trepidações causadas pelo impacto das esferas e a
instabilidade do motor.
Figura 16 – Estrutura com eixos de Transmissão, Sustentação e Motor Elétrico
A base estruturada de modo retangular com medidas de 300 x 700 mm,
produzida com cantoneiras de aço. Ao longo dos 700 mm da estrutura são dispostos
quatro grupos de dois mancais paralelos cada. Mancal é um dispositivo fixo que é
destinado a comportar um eixo giratório (Prancha 2.2 – Apêndice A).
Também confeccionado um mecanismo de suporte para o motor (Prancha 3 –
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Apêndice A). Este composto de duas chapas de aço de 4 mm com dimensões
distintas. Unidas a esta são acopladas duas dobradiças, deixando o motor suspenso
pouco abaixo da estrutura. Isto lhe dará a tensão necessária para que a correia
industrial não derrape com as rotações do motor.
Para controlar a instabilidade do equipamento utilizamos três pés de aço
galvanizado dispostos na proporção 2x1, estes serviam de suporte para uma antena
parabólica em desuso. Garantindo uma melhor estabilidade, é posto quatro sapatas
de borracha.
4.4 Esferas
Analisando os tipos de esferas para o projeto, a mais viável disponível a baixo
custo, é a de aço inoxidável. Uma combinação de aço carbono (0,03 a 0,15%) com o
cromo na proporção de 11 a 20% o que lhe confere resistência contra a oxidação.
Em contato com o ar uma camada fina de oxido de cromo se forma, o que lhe
garante resistência a riscos ou cortes, mesmo que isso ocorra a camada de cromo
se recompõe (LIMA, 2006).
Este tipo de material é fácil de encontrar em oficinas mecânicas, pois estas
esferas são utilizadas em rolamentos para carros, caminhões, tratores entre outros.
Em uma oficina mecânica localizada em Arroio do Meio (RS), foram disponibilizadas
30 esferas de Ø18,2 mm cada.
Com uma balança analítica foram pesadas as esferas disponibilizadas e
também calculado o seu peso através de sua densidade e diâmetro.
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Tabela 3 – Densidade das esferas
Peso Calculado Peso das Esferas Disponíveis
Diâmetro: 18,2 mm Nº Peso (g) Nº Peso (g)
1 24,7380 16 24,7821
Área da esfera: 4/3πr³ 2 24,6769 17 24,6700
Resultado: 3154,95 mm³ 3 24,7395 18 24,7294
4 24,6543 19 24,7294
Densidade: 7,8 g/cm³ 5 24,6780 20 24,8017
Resultado: 24,61 g 6 24,7441 21 24,7962
7 24,8065 22 24,7467
8 24,8034 23 24,6872
9 24,7986 24 24,7383
10 24,8058 25 24,7379
11 24,7265 26 24,7986
12 24,8022 27 24,6624
13 24,8005 28 24,7262
14 24,7454 29 24,7870
15 24,7457 30 24,7790
Peso Médio 24,7479 gramas
A diferença entre o peso calculado e o efetuado ocorre pois as esferas podem
ter variações em seu diâmetro e densidade.
As esferas são transportadas pelas cantoneiras através do giro do cilindro em
que estão fixadas. Em um ângulo de 315º no sentido horário, as esferas deixarão de
ser transportadas para caírem onde estão localizadas as matérias a serem
fragmentadas.
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Tabela 4 – Cálculos em relação às esferas
Gravidade g 9,8 m/s Cálculo de Velocidade
Altura h 15 cm Ref. Cálculo V²=V0²+2*g*h
Massa m 24,61 gramas Resultado: 1,71 m/s
Velocidade V 1,71 m/s
Cálculo de Tempo em Queda
Tempo t 0,174 segundos
Ref. Cálculo t=V/g
Impacto i 0,036 Joules
Resultado: 0,174 s
Cálculo de Impacto
Ref. Cálculo i=(m*V²)/2-V0²
Resultado: 0,036 J
Com os cálculos efetuados, é possível saber que as esferas percorrerão a
distância em queda de 15 cm de altura em 0,174 segundos com uma velocidade de
1,71 m/s. Através da energia cinética é possível saber que a esfera terá um impacto
de 0,036J sobre as matérias. Um impacto eficiente para o que é proposto.
4.5 Custos do projeto
Os custos finais do projeto foram bastante reduzidos por ser possível
encontrar muitos dos materiais buscando em casa, oficinas e ferros-velhos. Para um
comparativo de custo, será cotado o preço por peça nova e o valor gasto pelo
projeto.
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Tabela 5 – Custo total do projeto executado
Localização Material Quant Valor Novo Valor Gasto
Motor 1/3 hp 1 un R$ 362,00 * R$ 0,00
Correia A41 1 un R$ 5,40 R$ 5,40
Porca M10 1 un R$ 1,10 R$ 1,10
Estrutura Cantoneira 1'' 2,3 m R$ 30,00 R$ 30,00
Pés de aço 3 un R$ 170,00 * R$ 0,00
Pés N.1 Monfer 4 un R$ 17,20 R$ 17,20
Cano Inox Ø28mm 60 cm R$ 45,00 * R$ 0,00
Arruelas 12 un R$ 4,80 R$ 4,80
Parafusos/porcas M4 e M5 22 un R$ 15,50 R$ 15,50
Dobradiças Vonder 2 un R$ 14,40 R$ 14,40
Chapas de aço 4mm 2 un R$ 15,00 * R$ 0,00
Cilindro Cano Ø200mm 40 cm R$ 12,00 R$ 12,00
Cap Ø200mm 4 un R$ 166,40 R$ 166,40
Cap 1 ½'' 2 un R$ 12,00 R$ 12,00
Flange 1 ½'' 2 un R$ 31,60 R$ 31,60
Cantoneira Alumínio 1,2 m R$ 23,00 * R$ 0,00
Rebites 5mm 18 un R$ 2,70 R$ 0,00
Transmissão Polia Ø50mm 1 un R$ 30,00 R$ 30,00
Polia Ø160mm 2 un R$ 140,00 R$ 140,00
Fuso M13 1,5 m R$ 19,80 R$ 19,80
Porcas M13 18 un R$ 5,60 R$ 5,60
Cano Ø21mm 1 m R$ 2,50 R$ 0,00
Rolamento 6203/RSH 8 un R$ 60,00 R$ 30,00
Serviço de Torno 5h R$ 230,00 R$ 120,00
Total R$ 1.416,00 R$ 655,80
* - Valor Estimado
O custo de um equipamento para um cilindro no mercado brasileiro é de R$
11 mil, como já citado anteriormente. O aparato teve um custo de construção R$
655,80 e para a confecção de um equipamento igual ao que foi produzido, porém
com peças totalmente novas teria um custo pouco mais de R$ 1.400,00.
A diferença de preço se dá por vários motivos. Alguns rolamentos foram
disponibilizados pelos concretizadores, quatro destes foram comprados em uma loja
de ferragens e os outros doados ao projeto. Os três pés galvanizados de antena
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parabólica também reduziram o valor final, porém como estes suportes não são
vendidos separadamente do aparelho, não se sabe ao certo o valor de mercado.
Com 5% do valor de um aparelho novo e o dobro da capacidade de moagem,
o objetivo de produzir um equipamento de baixo custo e grande eficiência foi
concretizado.
Figura 17 – Projeto Final, Estrutura, Eixos e Cilindros
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5 DESCRIÇÃO FINAL
O homem inventa sempre melhores mecanismos que lhe possibilitam avançar
em sua busca de melhores condições de vida. Estes mecanismos com o passar do
tempo foram sofrendo modificações e atualizações conforme os avanços
tecnológicos.
Neste trabalho procurou-se encontrar alternativas para a construção de um
equipamento para a fragmentação de matérias sólidas com o possível uso em meios
líquidos para esta mesma fragmentação.
Quanto à construção do equipamento, é importante ressaltar, que poderia ser
confeccionado com produtos diversos, entre os quais destacam-se produtos
reutilizáveis e recicláveis, alcançando os objetivos tanto econômicos, quanto de
qualidade e ecológico, sem ser prejudicada a eficiência dos resultados.
Com base nas pesquisas efetuadas, concluiu-se que a melhor alternativa para
a obtenção de um material com baixa granulometria era com um moinho de bolas.
Um equipamento ruidoso e lento, mas com alta eficiência para o que é proposto.
Diversos materiais possíveis de serem utilizados: canos de PVC, cantoneiras
de alumínio e aço, pés de antena parabólica, esferas de rolamentos, foi possível
construir uma estrutura estável e funcional com estes materiais de refugo.
O resultado deste trabalho é um equipamento já testado, e seu desempenho
foi além do esperado. Acreditava-se que o processo pudesse durar 24 horas para a
conclusão da moagem, em cada amostra de basalto. Ao final dos testes, este tempo
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foi alcançado em apenas 4 horas de duração. Uma redução de aproximadamente
83% no tempo estimado, o que comprova sua eficiência.
Ao longo dos anos, a sociedade ficou obcecada pelo consumo de produtos
novos. Com o passar do tempo estes se tornavam obsoletos e novos eram
adquiridos. Não há mais espaço para tanto lixo. Necessitamos urgentemente reduzir,
reutilizar e reciclar estes materiais. Neste trabalho, mostra-se que é possível produzir
equipamentos de alta eficiência com materiais que seriam depositados na natureza.
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REFERÊNCIAS
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