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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.
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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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