Tecnologia de Explosivos

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CAPITULO 1. INTRODUCCION

1.1 DEFINICIONES

Las siguientes definiciones son consideradas útiles en el tratamiento de

la tecnología de explosivos.

Combustión o Quemado de una sustancia condensada, significa una

reacción exotérmica que toma lugar en la superficie de los granos que

componen el material. Esta reacción es mantenida por el calor

transmitido de los productos gaseosos de la reacción.

Detonación es una reacción exotérmica específica la cual está asociada

con una onda de choque. La reacción química empieza debido al calor,

el cual es un resultado de la compresión por la onda de choque. La

energía liberada en la reacción mantiene la onda de choque. Una

característica muy importante de la detonación es que los productos de

la reacción tienen inicialmente una densidad mas alta que la sustancia

sin reacción.

Explosión es una rápida expansión de la sustancia en un volumen más

grande que su volumen original.

TECNOLOGIA DE EXPLOSIVOS

VICTOR AMES LARA

Figura 1.1: Detonación

1.2 SUSTANCIAS EXPLOSIVAS

El término “explosivo” alcanza un rango muy amplio de químicos. Un

explosivo es un compuesto químico o una mezcla de compuestos

químicos a los cuales cuando se les da un estímulo correcto (o

incorrecto) ellos sufren una reacción química violenta exotérmica.

La definición anterior abarca los explosivos tradicionales (tales como

TNT, RDX, AN/FO) también como químicos industriales. Las

propiedades explosivas del nitrato de amonio son muy bien

demostradas en una serie de explosiones catastróficas. Hay una

variedad de clasificaciones de las sustancias explosivas.

Un explosivo puede quemar o detonar de acuerdo al método de

iniciación o la cantidad del material involucrado. De acuerdo a Taylor si

la masa de explosivo es pequeña, la iniciación térmica usualmente lleva

al quemado. Sin embargo si la masa excede un valor crítico es posible


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que el quemado alcance a ser tan rápido que la onda de choque se

propaga y la detonación ocurre. La masa crítica depende del tipo de

explosivo.

1.3 TIPOS DE SUSTANCIAS EXPLOSIVAS

Figura 1.2: Tipos de sustancias explosivas

1.3.1 Explosivos iniciadores (o primarios).

Explosivos tales como el fulminato de mercurio, Hg(ONC)2, el

cual fue usado en los detonadores iniciales, o azida de plomo

Pb(N3)2, usado comúnmente en detonadores, son típicos de este

tipo de explosivos. En esta categoría, el quemado resulta en una

detonación aún en cantidades pequeñas. Los explosivos

primarios son muy peligrosos porque ellos son iniciados

rápidamente mediante contacto directo con la llama o chispa

eléctrica. Ellos imponen problemas significativos en la

manufactura por lo que un cuidado extremo tiene que ser tomado

para controlar el medio ambiente y el crecimiento de los cristales

de estas sustancias.

1.3.2 Explosivos secundarios.


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Ellos son llamados altos explosivos también. Éstos son menos

fáciles de detonar; sin embargo, los mismos son más

manipulables en cantidades mayores que los explosivos primarios

Los altos explosivos típicos son: TNT (C7H5N3O6), RDX

(C3H6N6O6), PETN (C5H8N4O12), etc.

1.3.3 Explosivos comerciales.

Usualmente ellos son mezclas basadas en nitrato de amonio

(NH4NO3). Ellos son considerados ser más seguros que los altos

explosivos. Sin embargo se debería ser un poco mas cuidadoso

de modo que uno interprete los datos de sensibilidad disponible

apropiadamente. El tamaño de la muestra en muchos ensayos es

pequeño y la forma del explosivo no es representativa en su

forma al granel.

Además los explosivos comerciales son típicamente explosivos

compuestos con combustible y oxígeno en diferentes moléculas

los cuales son llevados a su proximidad en el proceso de

mezclado. Por esta razón sus performances son

substancialmente diferentes que el performance de los explosivos

militares.

Posteriormente el principal énfasis será en los explosivos

comerciales porque ellos son de interés primario en las industrias

de la minería y la construcción. Sin embargo una variedad de

ejemplos son tomados del campo militar, porque los explosivos

comerciales son muy bien caracterizados.

Los explosivos comerciales son manufacturados de modo que

ellos son balanceados en oxígeno. Como un resultado los gases

que son producidos son no tóxicos y la energía de la reacción

entre el oxidante y el combustible es utilizado totalmente.


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El balance de oxígeno de los compuestos ricos en oxígeno es

expresado en porcentaje en peso como la cantidad de oxígeno

liberado como un resultado de la conversión completa del material

explosivo a CO2, H2O, Al2O3, etc. (balance de oxígeno positivo). Si

la cantidad de oxígeno es insuficiente para la reacción de

oxidación, la cantidad de oxígeno necesitado (otra vez como

porcentaje en peso) es reportado con un signo negativo.

Ejemplo:

RDX(C3H6N6O6). Para convertir el material a CO2, N2, H2O, el

oxigeno es necesario. Esto podría ser expresado como:

C3H6N6O6 + 3/2 O2 3CO2 + 3H2O + 3N2

En otras palabras 48 gramos de oxígeno es necesario por mol de

RDX o en porcentaje en peso 21,6%. Por lo tanto el balance de

oxígeno de RDX es -21,6%.

El balance de oxígeno usualmente es calculado en el explosivo

no encartuchado. Sin embargo una parte de la envoltura toma

lugar en la reacción química. Ambos el balance negativo y

positivo pueden producir gases tóxicos; monóxido de carbono y

óxidos de nitrógeno respectivamente. Esto es mostrado en la

Tabla 1 donde los productos calculados de la descomposición del

AN/FO (ammonium nitrate/fuel oil) en varios valores de oxígeno

son mostrados.

Tabla N° 1: Efecto del Balance de Oxígeno en los Productos de la Detonación del AN/FO

Productos Concentración (moles/kg. de explosivo)H20 26,4 27,5 27,2

N2 9,3 11,8 11,2NO 2,7 0,0 0,0


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CO2 2,1 3,9 2,7CO 0,0 0,0 1,1CH4 0,0 0,0 0,2

H2 0,0 0,0 1,9NH3 0,0 0,0 0,1

Balance de Oxígeno (%) +9,0 0,0 -16,2

Considerando los productos de la reacción es útil descomponer

las moléculas reactantes en átomos individuales de los

componentes. Estos átomos podrían ser asumidos para

recombinar y generar los productos de la reacción.

Los criterios usados son:

Todo el nitrógeno forma N2.

Todo el hidrógeno combustiona para H20.

Cualquier oxígeno dejado se usa para quemar carbono

para CO.

Cualquier oxígeno dejado es usado para quemar CO a

CO2.

El oxígeno sobrante forma O2 y óxidos de nitrógeno.

Si el aluminio está presente se oxidará para Al2O3 antes

que la formación de agua.

Si consideramos el ejemplo anterior del RDX, los productos de la

reacción deberían estar de acuerdo a la siguiente ecuación:

C3H6N6O6 3N2 + 3H2O + 3CO

Si los productos de la detonación pueden ser predeterminados,

luego el calor de detonación puede ser determinado de la Ley de

Hess:

Q = Σ Hf 0 (productos) - Σ Hf 0 (reactantes)


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Donde: Σ Hf 0 se refiere al calor de formación en condiciones

normales.

En el caso de explosivos comerciales los cuales son casi

balanceados en oxígeno la predicción de los productos de la

detonación es del todo correcta.

Obviamente la habilidad para generar productos de la oxidación

completa es importante desde el punto de vista de la energía. De

las diferencias en el calor de formación entre el dióxido de

carbono y el monóxido de carbono se puede concluir que más

energía va a ser liberado cuando el producto anterior es

producido en una reacción de detonación.

Si los productos combustibles de la detonación son formados,

ellos se mezclan con el aire atmosférico y puede quemarse

produciendo una bola de fuego. Esto es típico en el caso de

explosivos aluminizados los cuales producen hidrógeno y

explosivos con balance bajo de oxígeno que producen carbón y

monóxido de carbono.

1.4 INGREDIENTES DE LOS EXPLOSIVOS QUIMICOS

Los principales reactantes en un explosivo químico son los combustibles

y los oxidantes.

1.4.1 Combustibles

Los combustibles comunes en los productos comerciales son el

petróleo, carbón aluminio, TNT, nitroglicerina, pólvora, nitrato de

monometilamina y el nitrato aminomenoetanol. Los combustibles

frecuentemente cumplen la función de sensibilizadores. Las

esferas de vidrio son algunas veces añadidas para mejorar la

sensibilidad.


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1.4.2 Oxidantes

El oxidante más común es el nitrato de amonio, aunque también

son usados el nitrato de sodio y el nitrato de calcio.

1.4.3 Otros ingredientes

Además de los combustibles y oxidantes, en la elaboración de los

explosivos se utilizan el agua, gomas, espesadores y agentes

enlazadores usados en los slurries, gelatinizadores,

densificadores, antiácidos, estabilizadores, absorbentes, etc. En

los explosivos moleculares tales como la nitroglicerina, TNT,

PETN, el combustible y el oxidante son combinados en el mismo

compuesto. En la figura 1.3, se puede observar la historia y

composición de los principales explosivos comerciales.

Figura 1.3 Historia y composición de las mezclas explosivas

1.5 EXPLOSIVOS FISICOS

El efecto explosivo se puede lograr también oxidando violentamente

materiales orgánicas porosas impregnadas con oxígeno líquido. Se

fabrican embebiendo oxígeno licuado en aserrín, polvo de aluminio,


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polvo de carbón, corcho finamente molido, etc. Con un iniciador se

inflama la carga transformándose rápidamente en CO2, Al2O3, etc. y

produciendo un gran desprendimiento de calor. Por kilogramo de mezcla

explosiva se liberan 2 200 kcal (C + O2) o 3 865 kcal (Al + 1,5 O2),

mientras que el kilogramo de nitroglicerina pura solo 1 600 kcal.

Como se puede observar estos explosivos son más seguros, limpios y

de mayor energía por los que se vislumbra que serán usados en el

futuro.

1.6 SEGURIDAD

La seguridad es la mayor preocupación de los fabricantes de explosivos

y los usuarios. Varias pruebas mecánicas y térmicas son usadas. Estas

pruebas son indicadores simples de la sensibilidad de los explosivos

para varias clases de estímulos.

1.6.1 Pruebas mecánicas.

Estos prueban al explosivo a shocks (choques ) producidos por

medios mecánicos. Estas pruebas son:

La prueba de la caída de un peso. (The drop weight test)

La prueba de fricción. (The friction test)

La prueba del impacto de un proyectil. (The projectile

impact test)

La prueba con intervalo. (The gap test)

1.6.2 Pruebas térmicas.

Ellos proveen el riesgo asociado con accidentes por fuego.

Usualmente el explosivo es confinado caliente. El grado de daño

mecánico al contenedor indica el evento.

1.6.3 Pruebas de estabilidad.


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Estos prueban al explosivo en largos tiempos de almacenamiento

mediante la medición de la cantidad de explosivo descompuesto

como una función del tiempo en varias temperaturas.


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CAPITULO 2. PROCESO DE

DETONACION

2.1 INTRODUCCIÓN

De acuerdo a Persson el estado estable de la detonación a lo largo de

una carga cilíndrica puede ser considerado como un proceso de auto

propagación en el cual el efecto compresivo axial de la discontinuidad

del frente de choque cambia el estado del explosivo de modo que la

reacción exotérmica se ajusta con la velocidad requerida.

Esta reacción en explosivos líquidos homogéneos tal como la

nitroglicerina es completada en un intervalo de tiempo del orden de 10-

12 segundos. En altos explosivos, tales como el RDX y PETN es

completada en cerca a 1µseg. En explosivos compuestos que contienen

AN los tiempos de reacción son considerablemente largos resultando en

zonas de reacción largas y de performace no ideal.

.

2.2 ONDAS DE CHOQUE

El concepto de onda de choque es fundamental en la física de la

detonación. Para entender el concepto permítannos considerar la curva

de esfuerzo-deformación en una deformación uniaxial. Esto es mostrado

en la figura 2.1.


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Figura 2.1 Curva de esfuerzo deformación en una deformación uniaxial.

La velocidad del sonido en el material puede ser expresado por la

siguiente ecuación:

c=S/ (1)

Donde:

S =dσ/d (2)

y es la densidad, σ es el esfuerzo y la deformación. Aparentemente

en la región OB de la figura 2.1 (región elástica) la velocidad de la onda

es constante, mientras que en la región plástica esto se incrementa con

el esfuerzo (o presión). En las regiones de la curva que están

localizadas sobre C (típico cuando se trata con cargas explosivas), las

ondas de choque son formados. Para visualizar la formación de la onda

de choque observemos la onda de presión de la figura 2.2 (a)

asumiendo que las presiones son suficientemente altos de modo que el

material exhibe la relación esfuerzo-deformación sobre el punto C de la

figura 2.1. El la figura 2.2a, en el punto 1 la presión es baja y por lo tanto

la velocidad de la onda es baja; en el punto 2 los valores son mas altos y

en el punto 3 ellos aún mas altos. Como resultado los puntos 2 y 3

tenderán a alcanzar el punto 1 y la onda se hará cada vez más saturada


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hasta que finalmente una discontinuidad (onda de choque) es creada.

Esto se muestra en la figura 2.2 (b) y (c).

Figura 2.2 Formación de ondas de choque

Para visualizar la generación de la onda de choque se puede considerar

la generación de una onda en un gas. Ondas compresivas de pequeña

intensidad son propagadas en los gases a la velocidad del sonido.

También se puede suponer que una columna de gas es puesto en

movimiento por un pistón el cual es acelerado hacia el interior. Además

se puede considerar que la velocidad del pistón es una función

ascendente del tiempo. Cada paso transmite una pequeña onda

compresiva el cual avanza a través del gas ya puesto en movimiento y

calentado por las ondas previas. Debido a que la velocidad de la onda

es más grande en una temperatura elevada, la nueva onda alcanza a las

ondas previas. Por lo tanto la velocidad, presión y gradientes de

temperatura en el frente de la onda de choque crece cada vez más con

el tiempo. Si no hay mecanismos de disipación (es decir difusión de

calor) los gradientes llegan a ser infinitos.

Este tipo de onda, en el cual una discontinuidad ha sido desarrollada es

conocido como una onda de choque y el área de presión elevada es

llamada frente de choque. El frente avanza con una velocidad mas alta

que la velocidad del sonido el cual depende de las condiciones detrás

del mismo. Si el pistón sigue acelerando lo mismo hace el frente. Si el


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pistón se mantiene a una velocidad constante, el frente también se

mantiene a una velocidad constante. Si el pistón desacelera una onda

de rarefacción es formada delante del mismo. Finalmente esta onda

alcanza y debilita el frente de choque.

2.3 ONDAS DE DETONACION

Las ondas de detonación son estables. En este caso el rol del pistón es

ejecutado por la reacción que toma lugar en la onda de detonación.

Consideremos una onda en el plano de detonación el cual ha sido

establecido en un explosivo (figura 2.3). El frente de la onda avanza

hacia el explosivo que no ha sido consumido con una velocidad

constante D y esto es seguido por la zona de reacción. El explosivo no

detonado fluye hacia el frente de choque AA´ con una velocidad

constante U = -D. Su presión, temperatura, densidad y energía interna

por unidad de masa son P1, T1, δ1, E1 en todos los puntos al lado

derecho de AA´. El frente de la onda es considerado de ser una

discontinuidad en comparación a los cambios que ocurren detrás de él.

Por lo tanto en AA´ estos valores cambian a los valores P2, T2, δ2, E2.

Estos valores pueden cambiar mas tarde de etapa.

La velocidad aparente de la masa que va dejando el frente es -(D-Up)

donde Up es la velocidad de la partícula (velocidad de masa) en la zona

entre AA´, BB´, relativo a las coordenadas fijadas.


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Figura 2.3

Si consideramos una región de flujo circundada por un tubo de área de

una unidad de sección y dos planos, uno antes del frente de detonación

y otro después a la derecha del mismo, la masa entrando debe ser igual

a la masa saliendo (conservación de masa). La masa entrando por

unidad de tiempo es δ1Ddt. La masa saliendo es δ2(D-Up)dt. Por lo

tanto:

δ1D = δ2(D-Up) (3)

Además la diferencia en momento debería ser igual al impulso de la

fuerza neta. Así:

δ1DdtD - δ2(D-Up)dt = (P1-P2)dt (4)

ó

P1 - P2 = δ1DUp (5)

P1 es muy pequeño comparado a la presión de detonación. Por lo tanto

puede ser ignorado y la ecuación (5) puede ser escrito como:

P2 = δ1DUp (6)

De la ecuación 3 se puede obtener:


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(7)

De acuerdo a Cook Up/D y δ1/ δ2 son funciones variables pequeños de la

densidad original. Así:

Up=ƒ(1)D (8)

Donde:

(9)

Por consiguiente la ecuación (6) puede ser escrito como:

P2= δ1ƒ(δ1)D2 (10)

Para la mayoría de los casos (los explosivos tienen una densidad entre

0,9-1,8 g/cc) es suficientemente adecuado asumir que f(δ1)=1/4. Bajo

esta aproximación, la presión de detonación está dado por la siguiente

ecuación:

P2=δ1(D2/4)(11)

Además la presión para un explosivo completamente acoplado (estado

de explosión) es la mitad de la presión de detonación. Así:

Pe=P2/2 (12)

Las ecuaciones (11) y (12) son de gran valor práctico. Ellos permiten la

estimación de la presión de detonación y explosión cuando son

conocidos solamente la velocidad de detonación y la densidad inicial. Es

necesario mencionar que la velocidad de detonación puede ser medida

adecuadamente en laboratorio.

Además de las ecuaciones (3) y (5) las otras ecuaciones son utilizadas

en la teoría de la detonación. Muchos de ellos no están en el área de

interés de este tema. Ellos son mencionados posteriormente para que el

lector pueda profundizar los temas.


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La conservación de la energía es expresada mediante la siguiente

ecuación:

E2 - E1 = ½ (P1+P2)(V2 - V1) ..............(13)

Esto es conocido como la ecuación de Rankine-Hugoniot.

Una cuarta ecuación es la ecuación de estado de los productos de la

reacción del explosivo.

Las anteriores cuatro ecuaciones básicas no son suficientes para

calcular las cinco cantidades desconocidas detrás del frente de

detonación (energía, densidad, velocidad de detonación, presión y

velocidad de partícula) Una quinta condición es necesaria. Esto es la

hipótesis de Chapman-Jouguet que dice que la velocidad de detonación

es igual a la velocidad del sonido en el lugar más la velocidad de la

partícula en el estado de detonación. Por lo tanto:

VODCJ = C + Up (14)

Las ecuaciones (3), (5), (13), (14) y la ecuación de estado de los

productos de la detonación son esenciales para el cálculo de los

parámetros de la detonación en los cálculos termodinámicos.

2.4 ECUACIONES DE ESTADO

Ecuaciones de Estado productos gaseosos

La correcta descripción de los gases de detonación es uno de los puntos

clave en el cálculo termodinámico de explosivos, de hecho según Fried

& Souers (1996) la descripción precisa de la ecuación de estado de los

gases es una de las partes más complicadas del problema termodinámico

de explosivos.

Ecuación BKW


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La ecuación de estado (BKW) tiene una larga historia en el campo de los

explosivos. Aunque su planteamiento inicial data de los años 1920, su

aplicación a los explosivos no se llevó a cabo hasta los años 1960, en los

que se desarrolló en el Laboratorio de Los Alamos un intenso trabajo de

calibración de sus parámetros.

La expresión de la ecuación BKW es:

Donde β es una constante, y X:

vs es el volumen molar y a y 8 constantes. K es un covolumen, definido

como:

Donde K es una constante, x¡ la fracción molar y k¡ el covolumen de cada

especie gaseosa.


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