Sistemas de explosivos

Transcripción

1 Sistemas de explosivos Introducción. Los sistemas para explosivos están presentes en los trabajos de minería, la construcción y la industria, tanto es así, que su uso lo hace muy peligroso si no se manipulan de acuerdo a las normas establecidas su mal uso a causado muchos accidentes graves y muy peligrosos, es por esto que el conocerlo y estudiarlos nos dan una ventaja a la hora de relacionarnos con ellos. Los explosivos se usan para romper, destruir o debilitar materiales de gran dureza, normalmente rocas o en demoliciones en obras civiles. El uso de los explosivos industriales en determinadas fases de la construcción de las obras públicas, o en edificación, constituye una herramienta irreemplazable para su economía y eficacia. En algunos casos, como por ejemplo excavaciones y demoliciones, las voladuras son de ámbito urbano, estas técnicas modernas han alcanzado altos niveles de definición que garantizan la eficacia del uso de explosivos en aplicaciones muy diversas. En la industria, el uso de equipos de generadores de vapor, usos de sustancias y líquidos peligros, pinturas, gases industriales, etc., que tienen una alto poder de explosión. UN RECORRIDO POR LA HISTORIA DE LOS EXPLOSIVOS La pólvora negra fue el primer explosivo conocido por el hombre y aunque su primer uso se atribuye a los chinos, hindúes y árabes, no se sabe a ciencia cierta en que época fue inventada. Lo cierto es que hasta mitad del siglo XVIII, en que se descubrió la nitroglicerina, no existieron otros explosivos que no fuesen las pólvoras. 1242: El fraile ingles Roger bacon publica una formula de pólvora negra 1627: primera prueba documentada de uso de pólvora negra para tronadura de roca, se realizo en minas de Hungría (minas reales de Schemnitz). 1635: John Bate, acerca de la pólvora decía: la sal pétrea es el alma, el azufre la vida y el carbón el cuerpo de ella. 1846: El químico italiano Ascanio Sobrero, invento la trinitroglicerina dando a conocer su potencia explosiva. 1857: Lammot du Pont reemplaza el nitrato de potasio, por nitrato de sodio Chileno. 1875: Alfred Nobel disuelve nitrocelulosa en nitroglicerina, formando una masa gelatinosa, que es la antecesor de las dinamitas gelatinas. 1917: Apogeo de la pólvora negra, a causa de su gran consumo durante la primera guerra mundial. 1947: Se comienzan a fabricar los Anfos. 1950: Apogeo de las dinamitas en USA., comienza a declinar su uso debido a la aparición del ANFO y los acuageles. 1970: A finales de la década de los 60 aparecen las emulsiones explosivas y sus mezclas con Anfo, denominados Anfos Pesados. 1980: Comienza la introducción en el mercado de las emulsiones gelatinosas. La más antigua de las substancias explosivas es la pólvora negra, que consistía en una mezcla formada por salitre, carbón y azufre. Se cree que los descubridores de la pólvora fueron los chinos, pero su uso se limitó exclusivamente a exhibiciones pirotécnicas con las que iluminaban sus celebraciones. 1

2 Que es un explosivo? Es un compuesto químico que tiene la capacidad de llegar a experimentar una Reacción química muy rápida sin la participación de reactantes externos. La iniciación de esta reacción puede efectuarse por: - Impacto o Fricción - Calor (chispa o llama) - Onda de choque (presión) Los productos de esta reacción son predominantemente gases, los que súbitamente al expandirse por las altas temperaturas, ejercen una gran presión en sus alrededores y pueden efectuar un trabajo. Otra definición: Los explosivos químicos industriales están constituidos por una mezcla de materiales combustibles y oxidantes que al ser iniciados apropiadamente dan lugar a una reacción química muy rápida. En la reacción, el explosivo libera grandes volúmenes de gases y energía hacia la roca, causando fragmentación, fisura y grietas. Según el grado de descomposición de las sustancias explosivas, distinguiremos Altos Explosivos y Bajos Explosivos. Según su naturaleza química los explosivos pueden clasificarse como Orgánicos, Inorgánicos u Organometálicos. Dentro de los primeros se pueden clasificar también como nitrohidrocarburos, nitroaminas o ésteres nítricos. Según su velocidad de reacción se pueden clasificar como Iniciadores o Detonadores, Multiplicadores, Rompedores y Propulsores. Clasificación según su naturaleza química: Orgánicos: Son compuestos que se obtienen mediante nitración de sustancias orgánicas. Su Manipulación es segura y se activan mediante un iniciador o cebo. Responden a las siguientes fórmulas: Nombre: Fórmula. Compuesto origen. Nitrohidrocarburos: R-NO2 R-H Mitroaminas: R-NH-NO2 R-NH2 Ésteres químicos: R-O-NO2 R-OH Tal y como se ve, se añade un grupo nitro (-NO2) a la molécula orgánica original desplazando a un hidrógeno. Una forma habitual de realizar esta operación es añadir a la molécula orgánica ácido nítrico HNO3. Cada molécula de ácido nítrico pierde un hidrógeno y un oxígeno, que sumados al hidrógeno que pierde el compuesto orgánico forman una molécula de agua H2O. De esta forma, por ejemplo, para fabricar un mol de trinitrotolueno o TNT, son necesarios un mol de tolueno C7H8 y tres moles de HNO3,y se obtienen tres moles de agua, que deben ser eliminados con un desecador, que puede ser el ácido sulfúrico. Inorgánicos: Son componentes de las pólvoras y son directamente explosivos. Ejemplos de estos son el clorato de potasio KClO3, el nitrato de potasio KNO3 o el nitrato amónico NH4NO3. 2

3 Organometálicos: Se usan como cebos o iniciadores de otros explosivos. En general son de estructura muy inestable y por ello su descomposición explosiva es endotérmica o poco exotérmica. Tienen carácter de detonantes y basta el choque para su descomposición. Entre ellos tenemos el fulminato de mercurio ONC-Hg-CNO, o el ácido de plomo (N3) 2Pb. Clasificación según la velocidad de la reacción de explosión - Iniciadores o detonadores: Son muy sensibles a acciones externas. Detonan y el fenómeno se propaga a alta velocidad (superior a m/s). Suelen ser organometálicos. - Multiplicadores: Explosionan y se usan como amplificadores del iniciador. Entre estos tenemos la tetralita, el exógeno y la pentrita, que son nitroaminas. - Rompedores: Explosionan pero se usan directamente para provocar efectos mecánicos de rotura. Como ejemplo el TNT, la nitroglicerina, y el ácido pícrico, que son nitrohidorcarburos. - Propulsores (explosivos balísticos o pólvoras): El fenómeno se propaga con una velocidad de explosión lenta. Deflagran con velocidad inferior a 100 m/s (compárese con los m/s de los iniciadores). Entre los de naturaleza inorgánica encontramos la pólvora negra (nitrato de potasio, carbono y azufre), o la pólvora sin humo (nitrocelulosa). Altos Explosivos: se caracterizan cuando una explosión es iniciada en el, esta se manifiesta como detonación. En cambio en los Bajos Explosivos se manifiesta desde deflagración a propulsión. Secuencia de Encendido Encendido Eléctrico A Fuego No Eléctrico Maq. Disparadoras Encendedor guía fuego Disparador a golpe Alambres eléctricos Cordón detonante Fulminante Cordón detonante Explosivo Iniciador (Amon gelatina, Pentolita, Powergel) Explosivo Básico (ANFO, Acuagel, Emulsion) 3

4 Clasificación de los Explosivos EXPLOSIVOS MECANICOS QUIMICOS NUCLEARES ALTOS EXPLOSIVOS AGENTES DE TRONADURAS Primarios Secundarios Permisibles No Permisibles Iniciadores Básicos Envasados A Granel -Dinamitas de seguridad -Pólvoras repulsiva -Dinamitas -Anfos, Sanfos -Gelatinas -Acuageles -Pentolitas -Emulsiones -Composición B-C -Anfos pesados -Especiales Altos Explosivos y Agentes de Tronadura De acuerdo con el tipo de energía que se libera, los explosivos químicos se clasifican en altos explosivos y agentes de tronadura. Ambos liberan energía de choque y energía de gas. Los altos explosivos detonan por medio de un detonador, a diferencia de los agentes de tronadura, que necesitan otro producto explosivo -como la dinamita- para detonar confiablemente. En el caso de los agentes de tronadura, la energía de gas se libera al final de la reacción, y en mayor proporción cuando ésta tiene lugar bajo condiciones de confinamiento. Esto significa que se alcanza a proporciones cercanas al 80% o 90% de la energía que se utiliza para fragmentar y mover la roca. Explosivos Químicos Altos Explosivos: se caracterizan cuando una explosión es iniciada en el, esta se manifiesta como detonación alcanzando presiones de hasta Kg/cm. Bajos Explosivos: deflagran cuando son iniciados y alcanzan presiones de hasta kg/cm. A su vez los altos explosivos se clasifican en primarios y secundarios. Los primarios por su alta energía y sensibilidad se emplean como iniciadores para detonar a los secundarios Explosivos Mecánicos La energía se genera a través de la evaporización repentina de materias inertes, por medio de la introducción de un material a muy alta Tº. (Artefacto, que consiste en tubo ajustado con un disco de ruptura y lleno de dióxido de carbono liquido. Al encenderse el elemento calefactor, el disco se rompe y los gases emanados se expanden dentro de la perforación provocando el rompimiento de la roca.) 4

5 Explosivos Nucleares La liberación de la energía se realiza por fusión o fisión nuclear. (Consiste en plutonio, uranio 235 o materiales similares, lo que se activan atómicamente y se controlan hasta un nivel critico que al ser sobrepasado se genera una explosión del orden de los pie-lb/lb, mientras que en los químicos se produce un trabajo del orden de los 8x10 4 pie-lb/lb.) Cada Explosivo posee una composición química específica Explosivos ideales: poseen las mismas características (velocidad, presión de detonación) cualquiera sea su diámetro forma o condiciones ambientales, algunos típicos de estos explosivos el TNT, PETN, RDX y otros son usados comercialmente como las dinamitas, gelatinas explosivas, explosivos en base a nitrato de amonio y otros. Explosivos No ideales: dependen del diámetro, Tº, confinamiento, etc. (ANFO, el ANFO Pesado, emulsiones, acuageles, slurries) (Explosivos Slurry. Estos explosivos contienen nitrato de amonio, TNT, agua y sustancias para mantener el explosivo homogéneo. Las propiedades de alguna composición individual dependen del tipo de proporciones de los ingredientes sólidos.) Los explosivos comerciales son usualmente mezclas químicas, cuya fuerza puede ser variada, dependiendo del diseño de su composición. Normalmente balanceada, o bien tiene un balance de oxigeno cercana a cero. Detonación El fenómeno de Detonación es un proceso esencialmente mecánico, cuya velocidad de reacción es extraordinariamente elevada y propagada por una onda de choque, que da origen al calor. Para obtener una reacción optima, debe darse condiciones de Tº y presión. Cuando se detona una carga explosiva su masa se transforma en gases alta presión y Tº. El efecto dinámico de la explosión genera una onda de choque (y no el hecho que se generen grandes presiones) La onda viajara a través del entorno, con forma cilíndrica al principio y esférica después. Ingredientes La característica individual de cada ingrediente determina si puede ser incluido en un explosivo. Puede reconocerse que ciertos compuestos son altamente explosivos por si mismo, o pueden ser inertes, pero cuando se combinan, forman una mezcla explosiva. De acuerdo a sus funciones, los ingredientes usados en la fabricación de altos explosivos comerciales, se clasifican en: - Explosivos base, agente sensibilizador, agente gelatinizante - Agente reductor (combustible) - Agente oxidante (proporciona oxigeno) - Antiácido (regulador de ph) - Absorbentes 5

6 PROPIEDADES DE LOS EXPLOSIVOS Las propiedades básica son: 1. Densidad: - Peso del explosivo por unidad de volumen - Controla la concentración de energía en una perforación - Un explosivo con una densidad menor a 1 gr/cc flotara en el agua 2. Resistencia al agua: - Capacidad para resistir una prolongada exposición al agua sin perder sus características - Medida de cuanto es influenciada la detonación del explosivo por el agua en la perforación. 3. Sensibilidad: - Representa una medida de la facilidad para la iniciación del explosivo - Da cuenta de las condiciones mínimas requeridas para la detonación. - Si la sensibilidad es baja, la detonación en el hoyo podría ser interrumpida si existiera un corte o algún obstáculo dentro de la columna explosiva. - Un explosivo con mucha sensibilidad podría causar la propagación de la detonación. 4. Estabilidad Química: - Intervalo de tiempo que un explosivo puede permanecer en la perforación sin un cambio en su composición química o en sus propiedades físicas. - Los acuageles pueden experimentar un debilitamiento en la estructura gelatinosa resultando en una perdida del aire atrapado (microburbujas), segregación y cristalización de los nitratos disueltos. 5. Balance de oxigeno - Un explosivo es considerado que tiene balance de oxigeno cero cuando contiene el oxigeno justo para oxidar completamente el combustible presente. - Exceso de oxigeno reaccionara el N2 para formar NO2 y un déficit de oxigeno producirá CO. - La mayoría de los explosivos son deficientes de oxigeno. 6. Generación de Gases - Se expresa como volumen de gas por unidad de masa de explosivo (lts/kg, moles/gr.) - Los gases primarios de un explosivo con oxigeno balanceado deberían ser: H2O, NO2, N2, y eventualmente sólidos y líquidos. 7. Impedancia - Es la propiedad que sirve para medir la transmisión de la energía del explosivo a la roca. - La transferencia de la energía del explosivo a la roca se máxima si la razón entre la del explosivo y la impedancia de la roca se acerca a 1. Ie = VOD x Dexp ; impedancia del explosivo Ir = Vp x Droca ; impedancia de la roca Donde, VOD = velocidad de detonación del explosivo Dexp = densidad del explosivo Vp = velocidad de onda p Droca = densidad de la roca - Con los valores de inferiores o superiores a 1 habrá pérdida de transferencia de energía del explosivo. 6

7 TIPOS DE EXPLOSIVOS INDUSTRIALES Dinamitas Las dinamitas son altos explosivos que tienen como componente principal la nitroglicerina. Estos productos tienen una densidad de 1,6 g/cc y pueden desarrollar velocidades de detonación de m/s. Al ser la nitroglicerina altamente sensible al choque, la fricción y el calor, es necesario mezclarla con elementos inertes para así poder manipularlas. Las dinamitas, a su vez, se dividen en dos grupos: las dinamitas granuladas, que utilizan la nitroglicerina como base explosiva, y las dinamitas gelatinas, que son una mezcla de Nitroglicerina y nitrocelulosa, lo que les permite tener una alta resistencia al agua. Emulsiones Un alto explosivo tipo suspensión es una mezcla de nitratos de amonio, sensibilizadores, combustibles, aluminio y cantidades variables de agua. A las emulsiones, de cierta manera, también se les relaciona con esta familia de explosivos, pero, por definición, corresponden a un sistema que contiene al menos dos fases líquidas inmiscibles entre sí, una de las cuales está dispersa en la otra en forma de pequeñas gotas o celdillas. El líquido que se encuentra en forma de gotas se reconoce como fase dispersa y el que las rodea se denomina fase continua, y su tipo o constitución define el comportamiento y características de la emulsión. Nitrato de Amonio La fórmula química del nitrato de amonio es N2H4O3. En relación con su peso, aporta más volumen de gas en la detonación que cualquier otro explosivo. En estado puro, el nitrato de amonio (NA) es casi inerte y su composición por peso es de 60% de oxígeno, 33% de nitrógeno y 7% de hidrógeno. Al agregar el diesel, la reacción con balance de oxígeno ideal para el NA es: 3N2H4O3 + CH > 3N2 + 7H2O +CO2 Dos características hacen a este compuesto impredecible y peligroso. El nitrato de amonio es soluble en agua y si no tiene un recubrimiento repelente a ella, puede absorberla de la humedad ambiente y disolverse lentamente. Por esta razón, las pequeñas esferas o perlas tienen un recubrimiento protector de arena silícea pulverizada, que ofrece alguna protección contra el agua. La segunda y más importante característica es un fenómeno llamado ciclado, que es la habilidad de un material para cambiar la forma de sus cristales con las variaciones de la temperatura. Principal componente de los explosivos industriales. Anfos Mezclas elaboradas a base de Nitrato de Amonio prill y combustibles adecuados Tipos: Anfos, Anfos Aluminizados, AnfosAST. En la tecnología actual de voladuras, es incuestionable que el ANFO es el explosivo básico, la fabricación es relativamente acial, pues la matriz emulsión puede ser preparada en una planta fija y transportada en un camión cisterna hacia un depósito de almacenamiento o ser bombeada a un camión mezclador. Con estos camiones pueden prepararse insitu las mezclas de emulsión con nitrato de amonio y gas-oil en las proporciones adecuadas a las condiciones de trabajo. Hidrogeles. Mezclas húmedas en formas de suspensiones que contienen aditivos que les permiten presentar la forma de geles 7

8 Iniciadores y Rompedores Productos a base de Pentrita (PENT) y TNT, mezcla que se denomina Pentolita -Iniciadores cilíndricos regulares -Rompedores cónicos Usos Principales: Iniciadores de explosivos en Perforaciones de gran diámetro, reducción de bolones en labores abiertas. Sistema de Iniciación Mechas para minas: consiste en un cordón compuesto por un núcleo de pólvora negra, con un tiempo de combustión conocido, cubierto por una serie de tejidos y una capa de plástico. Detonador a mecha: consiste en una capsula de aluminio que contiene una carga explosiva, compuesta por una carga primaria, una secundaria y un mixto de ignición. Cordón Detonante: es un cordón formado por un núcleo central de explosivo (PETN) recubierto por una serie de fibras sintéticas y una cubierta exterior de plástico, que forman en conjunto un cordón flexible, resistente a la tracción e impermeable. Detonador eléctrico. Es un sistema iniciación eléctrico capaz de convertir un impulso eléctrico en una detonación en un tiempo determinado. Sistema de iniciación no eléctrico: Está compuesto por un detonador de un tiempo predeterminado y un tubo de un largo suficiente para conectar las diferentes líneas de iniciación. Balance de Oxigeno: La máxima energía de un explosivo se libera cuando hay un balance de oxigeno perfecto, o bien cuando el ingrediente reductor ha tomado todo el oxigeno disponible. Recordemos que la reacción que se produce no es más que una combustión rápida, entonces consideramos que los explosivos no son más que una mezcla de oxidantes y reductores. La mayoría de los explosivos comerciales son mezclas de compuestos que contienen cuatro elementos básicos: Carbón, Hidrogeno, Nitrógeno y Oxigeno. Regla General: Los fabricantes de explosivos diseñan sus productos de modo que su oxigeno este cercanamente balanceado. Esto quiere decir que se tiene una correcta cantidad de oxigeno disponible en la mezcla durante toda la reacción. El hidrogeno reacciona para formar vapor de agua (H20) El carbón reacciona para formar dióxido de carbono (C02) El nitrógeno es liberado en forma de nitrógeno libre (N2) Si hay suficiente oxigeno presente en el explosivo para formar H20 y C02 entonces el explosivo esta con el oxigeno balanceado. Si hay un exceso de oxigeno disponible se producen otros compuestos como los gases De óxidos nitrosos (N0, N02), altamente tóxicos y fácilmente detectable por su Color rojizo y olor característicos. En este caso decimos que el explosivo tiene un balance de oxigeno positivo (+). Por otra parte si hay un déficit de oxigeno, resultara la formación de monóxido de carbono (C0) que es un gas mortal y no es posible detectarlo por su olor o color. En este caso el explosivo tiene un balance de oxigeno negativo (-). 8

9 En exceso o deficiencia de oxigeno, usualmente produce un bajo calor de explosión que una composición balanceada. Cuando un explosivo no contenga otros elementos que tengan afinidad para el oxigeno, y tenga un balance de oxigeno ideal (= cero), este puede ser expresado de la siguiente manera. B.O. = 0o 2 C02 H20 = 0 Donde 0o es el numero de átomos gramos de oxigeno por unidad de peso (usualmente 100 o gramos) de explosivo. De vapor de agua y dióxido de carbono son moles, producidos por unidad de peso de explosivo. Estos ser expresados en una forma general: B.O. = 0o 2 Co 0,5 Ho Donde 0o, Co y Ho representan el número de átomos-gramos de estos elementos en el explosivo. 0o será corregido para aumentarlo al combinarlo con elementos que forman productos sólidos como CaO y Na2O. Para la formación de gases tóxicos, un exceso o deficiencia de oxigeno, producirá un bajo calor de explosión con una consecuente reducción en la presión producida durante la detonación del explosivo. Si uno debe esperar un seguro y eficiente resultado de los explosivos deberá existir un adecuado balance químico inicial, con una completa mezcla de los ingredientes para asegurar que todos los materiales están en íntimo contacto para el mantenimiento de las mezclas deseadas en los almacenes (polvorines) y su posterior y apropiado uso en los frentes de trabajo. Vocabulario Explosivo Explosivos: el nombre genérico de explosivo se aplica a toda sustancia capaz de explotar. Se llama pólvora a aquellos explosivos en los que el régimen normal de combustión o descomposición es la deflagración. Los explosivos se clasifican en tres grandes grupos: propulsores, rompedores e iniciadores. Los propulsores funcionan con pólvora y se utilizan en las cargas de armas de fuego y en la propulsión de los cohetes. Los rompedores y los iniciadores, sin embargo, pueden ser especies químicas o mezclas explosivas. Sustancia explosiva: es la mezcla de especies químicas cuya combustión o descomposición origina un brusco desprendimiento de la energía, acumulada en el sistema químico que constituye. Combustión: fenómeno en el que la sustancia explosiva, como combustible, se combina con el oxígeno del aire, como comburente, originando calor y desprendimiento de gases. Comburente: se llama así a un cuerpo que, por combinación con otro, produce la combustión de este último. El oxígeno es comburente pero no combustible. Deflagración: fenómeno de combustión intramolecular (dentro de cada molécula) o intermolecular (entre dos o más moléculas de distinta clase del sistema químico) sin participación del oxígeno del aire ni de otro comburente exterior. La deflagración arde rápidamente con llama y sin explosión. Detonación: fenómeno de combustión interna o intramolecular que se propaga por medio de un frente de onda de choque a alta velocidad. Implosión: la implosión es todo lo contrario a la explosión. Se produce cuando la presión externa de la atmósfera es más alta que la presión interna. 9