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CAPITULO 1. 1. 1.1
INTRODUCCION
DEFINICIONES Las siguientes definiciones son son consideradas útiles en el tratamiento 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 comp compon onen en el mate materi rial al.. Esta Esta reac reacci ción ón es mant manten enid ida a por por el calo calor r 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 deido al calor, el cual es un resultado de la compresión por la onda de choque. La energía lierada en la reacción mantiene la onda de choque. !na característica mu" importante de la detonación es que los productos de la reacción tienen inicialmente una densidad mas alta que la sustancia sin reacción.
E!"osión es una rápida expansión de la sustancia en un volumen más grande que su volumen original.
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#igura $.$% &etonación
1.#
SUSTANCIAS E$PLOSI%AS El término 'explosivo( alcanza un rango mu" amplio de químicos. !n expl explos osiv ivo o es un comp compue uest sto o quím químic ico o o una una mezc mezcla la de comp compue uest stos os quím químic icos os a los los cual cuales es cuan cuando do se les les da un estí estímu mulo lo corr correc ecto to )o incorrecto* ellos sufren una reacción química violenta exotérmica. La definición anterior aarca los explosivos tradicionales )tales como ++, +, -&, &, /0# 0#1* tam tamié ién n como como quí químic micos indu ndustri stria ales. les. Las prop propiieda edades exp explos losivas ivas
del nitr nitrat ato o de amo amonio son son mu" mu" ie ien
demo demost stra rada dass en una una serie serie de expl explos osio ione ness cata catast stró rófic ficas as.. 2a" 2a" una una variedad de clasificaciones de las sustancias explosivas. !n expl explos osiv ivo o pued puede e quem quemar ar o deto detona narr de acue acuerd rdo o al méto método do de iniciación o la cantidad del material involucrado. &e acuerdo a +a"lor si la masa de explosivo es peque3a, la iniciación térmica usualmente lleva al quemado. 4in emargo si la masa excede un valor crítico es posile
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que el quemado alcance a ser tan rápido que la onda de choque se propaga " la detonación ocurre. La masa crítica depende del tipo de explosivo.
1. 1.&&
TIPOS IPOS DE SUST SUSTA ANCIA NCIAS S E$PL E$PLOS OSI% I%A AS
Figura 1.2: Tipos de sustancias exposi!as
1.&.1 E!"osi'o E!"osi'oss iniciad iniciado(es o(es )o !(ima !(ima(ios* (ios*. Explosivos tales como el fulminato de mercurio, 2g)15* 6, el cual fue usado en los detonadores iniciales, o azida de plomo 7)8*6, usado comúnmente en detonadores, son típicos de este tipo de explosivos. En esta categoría, el quemado resulta en una deto detona naci ción ón aún aún en cant cantid idad ades es pequ peque3 e3as as.. Los Los expl explos osiv ivos os prim primar ario ioss son son mu" mu" peli peligr gros osos os porq porque ue ello elloss son son inic inicia iado doss rápida rápidamen mente te median mediante te contac contacto to direct directo o con la llama llama o chisp chispa a eléct léctri rica ca..
Ello Elloss
imp impone onen
pro rolema lemass
sign signif ific icat ativ ivos os
en
la
manufactura por lo que un cuidado extremo tiene que ser tomado para controlar el medio amiente " el crecimiento de los cristales de estas sustancias.
1.&.# 1.& .# E!"os E!"osi'o i'oss secun secunda( da(ios ios.. TECNOLOGIA DE EXPLOSIVOS
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Ellos son llamados altos explosivos tamién. 9stos son menos fác fáciles iles de deto etonar: nar: sin sin emar marg go, los los mis mismos mos
son son más más
manipulales en cantidades ma"ores que los explosivos primarios Los alto ltos explosivo ivos típicos son% ++ )5 ;2<81=*, -& )582==1=*, 7E+ )5<2>?1$6*, etc.
1.&.& 1.& .& E!"os E!"osi'o i'os s come( come(cia cia"es "es.. !sualmente ellos son mezclas asadas en nitrato de amonio )2?18*. Ellos son considerados ser más seguros que los altos explosivos. 4in emargo se deería ser un poco mas cuidadoso de modo que uno interprete los datos de sensiilidad disponile apropiadamente. El tama3o de la muestra en muchos ensa"os es peque3o " la forma del explosivo no es representativa en su forma al granel. /demás los explosivos comerciales son típicamente explosivos compuestos con comustile " oxígeno en diferentes moléculas los los cual cuales es son son llev llevad ados os a su prox proxim imid idad ad en el proc proces eso o de mezclado.
7or
esta
razón
sus
performances
son
sustancialmente diferentes que el performance de los explosivos militares. 7ost 7oster erio iorm rmen ente te el prin princi cipa pall énfa énfasi siss será será en los los expl explos osiv ivos os comerciales porque ellos son de interés primario en las industrias de la minería " la construcción. 4in emargo una variedad de e@emplos son tomados del campo militar, porque los explosivos comerciales son mu" ien caracterizados. Los explosivos comerciales son manufacturados de modo que ellos son alanceados en oxígeno. 5omo un resultado los gases que son producidos son no tóxicos " la energía de la reacción entre el oxidante " el comustile es utilizado totalmente.
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El alance de oxígeno de los compuestos ricos en oxígeno es expresado en porcenta@e en peso como la cantidad de oxígeno lierado como un resultado de la conversión completa del material explosivo a 51 6, 261, /l618, etc. )alance de oxígeno positivo*. 4i la cant cantid idad ad de oxíg oxígen eno o es insu insufifici cien ente te para para la reac reacci ción ón de oxida oxidació ción, n, la cantid cantidad ad de oxígen oxígeno o necesi necesitad tado o )otra )otra vez vez como como porcenta@e en peso* es reportado con un signo negativo. E@emplo% -&)582==1=*. 7ara 7ara conver convertir tir el mate materia riall a 516, 6, 261, el oxigeno es necesario. Esto podría ser expresado como% 582==1= A 806 16 → 8516 A 8261 A 86 En otras palaras ?> gramos de oxígeno es necesario por mol de -& o en porcenta@e en peso 6$,=B. 7or lo tanto el alance de oxígeno de -& es C6$,=B. El alance de oxígeno usualmente es calculado en el explosivo no encartuchado. 4in emargo una parte de la envoltura toma luga lugarr en la reac reacci ción ón quím químic ica. a. /mos mos el ala alanc nce e nega negatitivo vo " positivo pueden producir gases tóxicos: monóxido de carono " óxidos de nitrógeno respectivamente. Esto es mostrado en la +ala $ donde los productos calculados de la descomposición del /0#1 )ammonium nitrate0fuel oil* en varios valores de oxígeno son mostrados. +ala D $% Efecto del alance de 1xígeno en los 7roductos de la &etonación del /0#1 7roductos 26G 6
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5oncentración )moles0Fg. de explosivo* 6=,? 6;,< 6;,6 H,8 $$,> $$,6
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1 516 51 52? 26 28
6,; 6,$ G,G G,G G,G G,G
alance de 1xígeno )B* C$=,6
G,G 8,H G,G G,G G,G G,G AH,G
6
G,G 6,; $,$ G,6 $,H G,$ G,G
5onsiderando los productos de la reacción es útil descomponer las las moléc olécu ulas las reac reacta tant ntes es en átomo tomoss indi indivvidua iduale less de los los comp compon onen ente tes. s. Esto Estoss átom átomos os podr podría ían n ser ser asum asumid idos os para para recominar " generar los productos de la reacción. reacción. Los criterios usados son% •
+odo el nitrógeno forma 6.
•
+odo el hidrógeno comustiona para 2 6G.
•
5ualquier oxígeno de@ado se usa para quemar carono
para 51. •
5ualquier oxígeno de@ado es usado para quemar 51 a
516. •
El oxígeno sorante forma 1 6 " óxidos de nitrógeno.
•
4i el aluminio está presente se oxidará para /l 618 antes
que la formación de agua. 4i consideramos el e@emplo anterior del -&, los productos de la reacción deerían estar de acuerdo a la siguiente ecuación% ecuación% 582==1=
→ 86
A 8261 A 851
4i los productos de la detonación pueden ser predeterminados, luego el calor de detonación puede ser determinado de la Le" de 2ess%
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IJ
Σ 2f G )productos*
&onde%
Σ
C
Σ 2f G
7
)reactantes*
2f G se refiere refiere al calor calor de formació formación n en condicion condiciones es
normales. En el caso aso de expl explos osiv ivos os come comerc rcia iale less los los cual cuales es son son casi casi alanceados en oxígeno la predicción de los productos de la detonación es del todo correcta. 1viamente la hailidad para generar productos de la oxidación completa es importante desde el punto de vista de la energía. &e las las dife difere renc ncia iass en el calo calorr de form formac ació ión n entr entre e el dióx dióxid ido o de carono " el monóxido de carono se puede concluir que más ener energí gía a va a ser ser lie liera rado do cuan cuando do el prod produc ucto to ante anteri rior or es producido en una reacción de detonación. 4i los productos comustiles de la detonación son formados, ello elloss se mezc mezcla lan n con con el aire aire atmo atmosf sfér éric ico o " pued puede e quem quemar arse se produciendo una ola de fuego. Esto es típico en el caso de explo explosi sivo voss alum alumin iniz izad ados os los los cual cuales es prod produc ucen en hidr hidróg ógen eno o " explosivos con alance a@o de oxígeno que producen carón " monóxido de carono.
1. 1.++
IN,R IN,RED EDIE IENT NTES ES DE DE LOS LOS E$PL E$PLOS OSI% I%OS OS QUI QUI-I -ICO COS S Los principales reactantes en un explosivo químico son los comustiles " los oxidantes.
1.+.1 Combustib"es Los comustiles comunes en los productos comerciales son el petróleo, carón aluminio, ++, nitroglicerina, pólvora, nitrato de monometilamina " el nitrato aminomenoetanol. Los comustiles frecue frecuente ntemen mente te cumple cumplen n la funció función n de sensi sensiili ilizad zadore ores. s. Las TECNOLOGIA DE EXPLOSIVOS
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esferas de vidrio son algunas veces a3adidas para me@orar la sensiilidad.
1.+.# Oidantes El oxidante más común es el nitrato de amonio, aunque tamién son usados el nitrato de sodio " el nitrato de calcio.
1.+.& Ot(os in(edientes /demás de los comustiles " oxidantes, en la elaoración de los explosivos se utilizan el agua, gomas, espesadores " agentes enlazadores
usados
en
los los
slurrie ries,
gelatiniz iniza adores,
densificadores, antiácidos, estailizadores, asorentes, etc. En los explos explosivo ivoss molecu molecular lares es tales tales como como la nitrog nitroglic liceri erina, na, ++, ++, 7E+, el comustile " el oxidante son cominados en el mismo comp compue uest sto. o. En la figu figura ra $.8, $.8, se pued puede e ose oserv rvar ar la hist histor oria ia " composición de los principales explosivos comerciales. K+-/+1 &E /1K1 M ++
/0#1
E7L14KN1 4 +K71 OEL
E!L4K1E4
/0#1s 7E4/&14
$>=?
$>6G0$H?G
$H
$H=<0$H;<
$H=>....
$H>G....
K+-1OLK5E -K/
+..+.
< BC $
$GB C $
/ 8GBCHGB /4E--K,E+5 GB C
/ =GB /4E--K,E+5 GB C
/ H?,
/ B /O!/ >B C $
&K/K+/
/ ;GBCHGB #1,5E-/ ?BC $GB /O!/ >B C $
/ >GBCH
Figura 1." #istoria $ co%posici&n de as %e'cas exposi!as
1./
E$PLOSI%OS FISICOS
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El efecto explosivo se puede lograr tamién oxidando violentamente materi materiale aless orgán orgánica icass porosa porosass impreg impregnad nadas as con oxígen oxígeno o líquid líquido. o. 4e farican emeiendo oxígeno licuado en aserrín, polvo de aluminio, polvo de carón, corcho finamente molido, etc. 5on un iniciador se inflama la carga transformándose rápidamente en 51 6, /l618, etc. " produciendo un gran desprendimiento de calor. 7or Filogramo de mezcla explosiva se lieran 6 6GG Fcal )5 A 1 6* o 8 >=< Fcal )/l A $,< 1 6*, mientras que el Filogramo de nitroglicerina pura solo $ =GG Fcal. 5omo se puede oservar estos explosivos son más seguros, limpios " de ma"or energía por los que se vislumra que serán usados en el futuro.
1.0
SE,URIDAD La seguridad es la ma"or preocupación de los faricantes de explosivos " los usuarios. Narias prueas mecánicas " térmicas son usadas. Estas prueas son indicadores simples de la sensiilidad de los explosivos para varias clases de estímulos.
1.0. 1.0.11 P(ue P(ueba bass mecn mecnic icas as.. Estos pruean al explosivo a shocFs )choques * producidos por medios mecánicos. Estas prueas son% •
La pruea de la caída de un peso. )+he drop Peight test*
•
La pruea de fricción. )+he friction test*
•
La prue pruea a del del impa impact cto o de un pro" pro"ec ectitil.l. )+he )+he pro@ pro@ec ectitile le
impact test* •
La pruea con intervalo. )+he gap test*
1.0. 1.0.## P(ue P(ueba bas s t2(mi t2(mica cas. s.
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Ello Elloss prov provee een n el ries riesgo go asoc asocia iado do con con acci accide dent ntes es por por fueg fuego. o. !sualmente el explosivo es confinado caliente. El grado de da3o mecánico al contenedor indica el evento.
1.0.& 1.0 .& P(ueb P(uebas as de de esta estabi" bi"ida idad. d. Estos pruean 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 #.
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PROCESO DE
DETONACION #.1
INTRODUCCI3N &e acuerdo a 7ersson el estado estale 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 frente de choque choque camia camia el estado estado del explosivo explosivo de modo modo que la reacción exotérmica exotérmica se a@usta con con la velocidad requerida. Esta Esta reac reacci ción ón en expl explos osiv ivos os líqu líquid idos os homo homogé géne neos os tal tal como como la nitroglicerina es completada en un intervalo de tiempo del orden de $GC $6 segu segund ndos os.. En alto altoss expl explos osiv ivos os,, tale taless como como el -& -& " 7E+ 7E+ es completada en cerca a $ µseg. En explosivos compuestos que contienen / los tiempos de reacción son consideralemente largos resultando en zonas de reacción largas " de performace no ideal.
.
#.#
ONDAS DE C4OQUE El concepto de onda de choque es fundamental en la física de la detonación. 7ara entender el concepto permítannos considerar la curva de esfuerzoCdeformación en una deformación uniaxial. Esto es mostrado en la figura 6.$.
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Figura 2.1 Cur!a de es(uer'o es(uer'o de(or%aci&n en una de(or%aci&n uniaxia.
La velocidad del sonido en el material puede ser expresado por la siguiente ecuación% cJ40ρ
)$*
&onde% 4 Jdσ0dε
)6*
" ρ es la densidad, σ es el esfuerzo " ε la deformación. /parentemente en la región 1 de la figura 6.$ )región elástica* la velocidad de la onda es constante, mientras que en la región plástica esto se incrementa con el esfu esfuer erzo zo )o pres presió ión* n*.. En las las regi region ones es de la curv curva a que que está están n localizadas sore 5 )típico cuando se trata con cargas explosivas*, las ondas de choque son formados. 7ara visualizar la formación de la onda de choq choque ue ose oserv rvem emos os la onda onda de pres presió ión n de la figu figura ra 6.6 6.6 )a* )a* asumiendo que las presiones son suficientemente altos de modo que el material exhie la relación esfuerzoCdeformación sore el punto 5 de la figura 6.$. El la figura 6.6a, en el punto $ la presión es a@a " por lo tanto la velocidad de la onda es a@a: en el punto 6 los valores son mas altos " en el punto 8 ellos aún mas altos. 5omo resultado los puntos 6 " 8 tenderán a alcanzar el punto $ " 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 6.6 )* " )c*.
8 n ó i s e r 7
6 $
)a*
)*
)c *
&istancia Figura 2.2 For%aci&n de ondas de c)o*ue
7ara visualizar la generación de la onda de choque se puede considerar la generación de una onda en un gas. 1ndas compresivas de peque3a intensidad son propagadas en los gases a la velocidad del sonido. +amién se puede suponer que una columna de gas es puesto en movimiento por un pistón pistón el cual es acelerado acelerado hacia el interior. /demás se pued puede e cons consid ider erar ar que que la velo veloci cida dad d del del pist pistón ón es una una func funció ión n asce ascend nden ente te del del tiemp tiempo. o. 5ada 5ada paso paso tran transm smitite e una una pequ peque3 e3a a onda onda compresiva el cual avanza a través del gas "a puesto en movimiento " calentado por las ondas previas. &eido a que la velocidad de la onda es más grande en una temperatura elevada, la nueva onda alcanza a las onda ondass prev previa ias. s. 7or 7or lo tant tanto o la velo veloci cida dad, d, pres presió ión n " grad gradie ient ntes es de temperatura en el frente de la onda de choque crece cada vez más con el tiempo. 4i no ha" 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 " 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. 4i el pistón sigue acelerando lo mismo hace el frente. 4i el TECNOLOGIA DE EXPLOSIVOS
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pistón se mantiene a una velocidad constante, el frente tamién se mantiene a una velocidad constante. 4i el pistón desacelera una onda de rarefacción es formada delante del mismo. #inalmente esta onda alcanza " deilita el frente de choque.
#.&
ONDAS DAS DE DE DETONAC NACION Las ondas de detonación son estales. En este caso el rol del pistón es e@ecutado por la reacción que toma lugar en la onda de detonación. 5onsideremos una onda en el plano de detonación el cual ha sido estalecido en un explosivo )figura 6.8*. El frente de la onda avanza haci hacia a el expl explos osiv ivo o que que no ha sido sido cons consum umid ido o con con una una velo veloci cida dad d constante constante & " esto es seguido por la zona de reacción. reacción. El explosivo explosivo no deto detona nado do flu"e flu"e haci hacia a el fren frente te de choq choque ue //Q con con una una velo veloci cida dad d constante ! J C&. 4u presión, temperatura, densidad " energía interna por unidad de masa son 7 $, +$, R$, E$ en todos los puntos al lado dere derech cho o de //Q. /Q. El fren frente te de la onda onda es cons consid ider erad ado o de ser una una discontinuidad en comparación a los camios que ocurren detrás de él. 7or lo tanto en //Q estos valores camian a los valores 7 6, +6, R6, E6. Estos valores pueden camiar mas tarde de etapa. La velocidad aparente de la masa que va de@ando el frente es C)&C!p* donde !p es la velocidad de la partícula )velocidad de masa* en la zona entre //Q, Q, relativo a las coordenadas fi@adas.
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Figura 2."
4i consideramos una región de flu@o circundada por un tuo de área de una unidad de sección " dos planos, uno antes del frente de detonación " otro después a la derecha del mismo, la masa entrando dee ser igual a la masa saliendo )conservación de masa*. La masa entrando por unidad de tiempo es R $&dt. &dt. La masa masa salien saliendo do es es R 6)&C!p*dt. 7or lo tanto% R$& J R6)&C!p*
)8*
/demás la diferencia en momento deería ser igual al impulso de la fuerza neta. /sí% R$&dt& C R6)&C!p*dt J )7$C76*dt )?* ó 7$ C 76 J R$&!p
)<*
7$ es mu" peque3o comparado a la presión de detonación. 7or lo tanto puede ser ignorado " la ecuación )<* puede ser escrito como% 76 J R$&!p )=* &e la ecuación 8 se puede otener%
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U p
δ = 1 − 1 D δ 2
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);*
&e acuerdo a 5ooF !p0& " R $0 R6 son funciones variales peque3os de la densidad original. /sí% !pJƒ)ρ$*&
)>*
&onde%
f (δ 1 ) = 1 −
δ 1 δ 2
)H*
7or consiguiente la ecuación )=* puede ser escrito como%
76J R$ƒ)R$*&6
)$G*
7ara la ma"oría de los casos )los explosivos tienen una densidad entre G,HC$,> G,HC$,> g0cc* es suficientemen suficientemente te adecuado adecuado asumir que ( )R )R$*J$0?. a@o esta aproximación, la presión de detonación está dado por la siguiente ecuación%
76JR$)&60?*)$$* /demás la presión para un explosivo completamente acoplado )estado de explosión* es la mitad de la presión de detonación. /sí% 7eJ7606
)$6*
Las ecuaciones )$$* " )$6* son de gran valor práctico. Ellos permiten la esti estima maci ción ón de la pres presió ión n de deto detona naci ción ón " expl explos osió ión n cuan cuando do son son conocidos solamente la velocidad de detonación " la densidad inicial. Es necesario mencionar que la velocidad de detonación puede ser medida adecuadamente en laoratorio. /demás de las ecuaciones )8* " )<* las otras ecuaciones son utilizadas en la teoría de la detonación. uchos de ellos no están en el área de interés de este tema. Ellos son mencionados posteriormente para que el lector pueda pueda profundizar los temas. temas. TECNOLOGIA DE EXPLOSIVOS
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La conse conserva rvació ción n de la energí energía a es expre expresad sada a median mediante te la siguie siguiente nte ecuación%
E6 C E$ J S )7 $A76*)N6 C N$* .... ...... .... .... .... .... ..)$ )$8* 8* Esto es conocido como la ecuación de -anFineC2ugoniot. !na cuarta ecuación es la ecuación de estado de los productos de la reacción del explosivo. Las Las ante anteri rior ores es cuat cuatro ro ecua ecuaci cion ones es ási ásica cass no son son sufic suficie ient ntes es para para calc calcul ular ar las las cinc cinco o cant cantid idad ades es desc descon onoc ocid idas as detrá detráss del del fren frente te de detona detonació ción n )energ )energía, ía, densid densidad ad,, veloc velocida idad d de detona detonació ción, n, presió presión n " velocidad de partícula* !na quinta condición es necesaria. Esto es la hipótesis de 5hapmanCTouguet que dice que la velocidad de detonación es igual a la velocidad del sonido en el lugar más la velocidad de la partícula en el estado de detonación. 7or lo tanto% N1&5T J 5 A !p
)$?*
Las ecuaciones )8*, )<*, )$8*, )$?* " la ecuación de estado de los prod produc ucto toss de la deto detona naci ción ón son son esen esenci cial ales es para para el cálc cálcul ulo o de los los parámetros de la detonación en los cálculos termodinámicos.
#.+
ECUAC UACIONES 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 #ried U 4ouers )$HH=* la descripción precisa de la ecuación de estado de los gases es una de las partes más complicadas del prolema termodinámico de explosivos.
Ecuación 567
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La ecuación de estado )VW* tiene una larga historia en el campo de los explosivo explosivos. s. /unque /unque su planteamie planteamiento nto inicial inicial data de los a3os a3os $H6G, $H6G, su aplicación a los explosivos no se llevó a cao hasta los a3os $H=G, en los que se desarrolló en el Laoratorio de Los /lamos un intenso traa@o de caliración de sus parámetros. La expresión de la ecuación VW es% Pv RT
= 1 + Xe β X
+onde , es una constante, " -:
X
=
K Vg (T + θ )α
! s es el volumen molar $ a $ constantes. / es un covolumen, definido
como% K = k Σ xi k i
&onde / es una constante, x0 la fracción molar " 0 el covolumen de cada especie gaseosa.
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