INTRODUCCION

Aplicaciones civiles:- voladura de rocas- demoliciones- sangrado de hornos- activación de pozos de petróleo- prospecciones sísmicas- soldadura de metales- vehículos espaciales

POLVORA NEGRA- Nitrato potásico (comburente): 75%- Carbón vegetal (combustible): 15%- Azufre (combustible): 10%

Chinos a.C, árabes d.C, Europa S.XIII, armas de fuego S.XIV (Monje Schwart, 1328 como propulsante), explosivo minas carbón en 1627 (minero Weind Hungría y Austria).

DINAMITA

1846 Schoenbein – NC1847 Ascanio Sobrero – NG1867 Nobel – detonadores de fulminato de mercurio y la dinamita (kieselghurnitratos y combustibles)1875 – solubilidad de NC en NG

AGENTES DE VOLADURA

Sustancias que no contienen en su composición sustancias explosivas y/o sensibles al detonador nº 8

- NA granulado (prilled) poroso (años 40)- NA + combustibles, Acre (años 50)

ANFO: NA – FO +60% consumo total de explosivo

HIDROGELES: Cook 1956 NA, Al y aguaSolución acuosa saturada de nitratos inorgánicosFase dispersa de combustibles sólidos.Oxidantes finamente divididos.

EMULSIONES: Años 70, solución oxidante dispersa en aceiteMEZCLAS EMULSION ANFO Anfo denso

DETONADORES- de mecha (Nobel)- eléctricos, instantáneos y de tiempo (años 30)- no eléctricos de tiempo (años 70)- electrónicos

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CONCEPTOS FUNDAMENTALES

Explosivo: sustancia susceptible de reacción en régimen de detonación. Engloba mezclas pirotécnicas, propulsantes o pólvoras.

Combustión: Reacción oxidación-reducción de tipo superficial, Mecanismo de activación: Combustible, que se oxida; y oxígeno que se reduce (oxidante). V=1mm/s-100m/s

Deflagración: Combustión rápida cuya velocidad de avance es mayor que la velocidad del sonido del medio y es capaz de generar una onda de choque. Velocidad>cmedio

Detonación: Se propaga a velocidad supersónica en el medio reaccionantes. Mecanismo de reacción: transferencia de energía de los productos al material sin reaccionar. Velocidad 1000-10000m/s

Explosión: liberación muy rápida de energía desde un volumen pequeño de materia. Fuentes de energía que pueden provocar la explosión: mecánica, eléctrica, nuclear, química… Efectos en el medio: onda aérea, onda sísmica, llamas, proyecciones…

Explosivo: material o dispositivo capaz de producir una explosión o “materiales energéticos” capaces de sufrir una reacción química que libere energía de forma rápida: explosivos, propulsantes, mezclas pirotécnicas.El oxígeno u oxidante necesario para la reacción se encuentra en la propia composición.

Propulsantes o pólvoras: materiales energéticos que reaccionan en forma de combustión más o menos rápida (eventualmente como deflagración). Aplicación: militar y aeroespacial. Mediante una vaporización parcial o descomposición endotérmica (pirólisis) del material en la superficie de combustión, seguida de una reacción exotérmica en la llama. Se inicia mediante llama.

Explosivos: materiales energéticos que reaccionan en forma de detonación. Se inicia mediante onda de choca. Velocidades entre 2000-8000m/s

Diferencia entre propulsante y explosivos – su modo de funcionamiento

Propulsantes y explosivosCalor de combustión o explosión de propulsantes y explosivos: 2000-5000

KJ/Kg. o 500-1500 Kcal./Kg.Temperaturas entre 4000-5000KPresión: propulsantes hasta 500 MPa en cohetes, explosivos 1-40GPa

Mezclas pirotécnicas: compuestas por dos o mas sustancias que reaccionan exotérmicamente formando productos de reacción principalmente sólidos y líquidos.

Aplicación: elementos de retardoIniciación: por llama y partículas incandescentes de una cerilla eléctricaOtras aplicaciones: soldaduras, bengalas, fuegos artificiales.

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La reacción explosiva

2 factores: reacción química exotérmica rápida y fuente de energía que provoque la iniciación de la reacción.

El calor no tiene que ser muy elevado

Gasolina 1000kcal/kgNG 1500kcal/kg

Condición indispensable que haya mezcla íntima entre combustible y oxidanteDeben superar un cierto nivel de energía (de activación)

El grado de mezclado puede determinar el tipo de reacción.

Según se combinan OXIDANTE+COMBUSTIBLE, 3 tipos de materias explosivas:- Sustancias que contienen en la molécula combustible y oxidante: (oxidante, O,

grupo NO2, portador de oxígeno; combustible C, H…)- Mezcla íntima de sustancias: combustibles y comburentes (Oxidantes – nitratos,

Combustibles – HC, aceites, metales)- Sustancias endotérmicas: retrocesión de la reacción de formación.

Descomposición exotérmica liberando el calor de formación.

INICIACION: Aporte de energía externo para que en una parte de la sustancia se alcance la energía de activación. Cuanto menor es la energía para la iniciación, el explosivo es más sensible.Según la sensibilidad de más a menos los explosivos pueden ser: primarios, secundarios y terciarios.

CLASIFICACION DE EXPLOSIVOS

PRIMARIOSo Fulminato de Hgo Nitruro de Pb (azida)o Estifnato de Pb

SECUNDARIOSo Sustancias explosivas

Nitroaromáticos: TNT Esteres nítricos: NG, Ngli, P, NC Nitraminas: RDX, HMX

o Mezclas explosivas Mezclas de sustancias explosivas: Base TNT, de ligante plástico Mezclas industriales: Dinamita, Hidrogel, Emulsión, Anfo,

Seguridad

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TEORIA DE LA DETONACION

La brusca liberación de energía de un explosivo produce ondas de compresión y ondas de choque. Si la onda va soportada por una reacción química, la onda se denomina detonación.Reacción exotérmica + onda de choque = Detonación: proceso automantenido

Detonación ideal: Plana, unidimensional y estacionaria en la que la reacción se produce de forma instantánea al paso de la onda de choque.

Ecuaciones unidimensionales de choque: Hugoniot-RankineAplicables al choque con reacción (detonación) y sin reacciónAplicables a detonaciones y a deflagraciones

Masa:

Impulso:

Energía:

Calor explícito en la ecuación de la energía:

Incógnitas: P, u , D, ρ 4 incógnitas 3 ecuaciones ∞ soluciones

Si por ejemplo damos valores a ρ, obtenemos juegos de valores de u, D y P

Hugoniot: representación de una variable de detonación en función de otraP-v ; P-u ; D-u

Efecto de la reacción química sobre la Hugoniot si se trata de un choque con reacción:

En el punto

La energía interna es función de P: luego a +P +e

Hugoniot reactiva

Hugoniot no reactiva

v=cte

VO

PO

P

V

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De las ecuaciones de masa e impulso (con uO=0) se llega a:

La detonación va siempre asociada a una onda de compresión o de choque.

Físicamente no es posible una detonación con v > vO

DETONACION CJ

CJ: Condición D mínima

Otras detonaciones

Coeficiente adiabático

despreciando P respecto PO

Expresiones útiles para hacer estimación en el estado CJ. Suponiendo ΓCJ ≈ 3

En CJ: c: velocidad del sonido de los productos de detonación

c = D – u

Los productos de la detonación, que están animados de una velocidad u, en la misma dirección que D, ven alejarse al frente de detonación a una velocidad D – u, que es precisamente la velocidad del sonido en ellos.

Para los productos, la detonación es una perturbación sónica.

Detonaciones FUERTES: u + c > D c > (D – u) subsónicas (sobreimpulsadas)

Detonaciones DÉBILES: u + c < D c < (D – u) supersónicas

No tienen existencia estable

Otras consecuencias de la teoría hidrodinámica

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v=cte

VO

PO

P

V

Recta de Rayleigh22

0 D

CJ Detonación débil

Detonación fuerte

D > co en detonaciones: supersónica respecto al material no reaccionado

D < co en deflagraciones: subsónica respecto al material no reaccionado

Explosivos homogéneos: D≈DCJ

Explosivos heterogéneos: D < DCJ

ZONA DE REACCION. EL MODELO ZND

La reacción química se desarrolla en una ¡zona de reacción” tras el choque que la desencadena.

ZND: Zeldovich, von Neumann y Doering

Zona de reacción: menos de 1 mm en altos explosivos, unos cm en explosivos heterogéneos.

Choque + zona de reacción, avanzan de forma estacionaria: Aplicables las ecuaciones de conservación.λ = grado de reacción

haciendo explícito el calor

D

u (detonación)u (deflagración)

Productos de reacción

ZONA DE REACCION

ExplosivoD

1

0

λ

Reacción completa Plano CJ

Choque Pico de von Neumann

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Por debajo de D implicaría una velocidad de reacción en el estado inicial, sin un choque que la iniciase. No hay mecanismos que conduzcan a una detonación débil.

El modelo ZND puede explicar los explosivos industriales (comportamiento no ideal) que presentan velocidades menores que las que predice la teoría hidrodinámica.

CALCULOS DE ESTADOS DE DETONACION

Masa:

Impulso:

Energía:

Ecuación de estado:

Composición de los productos: xi = moles producto / kg explosivo

Incógnitas: P, v, T, u, D, xi

Es necesario conocer la composición de los productos, xi

Resolver el equilibrio:- Minimizando la energía libre: min: energía libre, sujeto a balances elementales y

xi≥0Resultados más realistas, cálculos con nº elevado de productos, requiere empleo de códigos.

- Planteando Np-Ne reacciones: Ne – balances elementales, Np-Ne reacciones entre productos = Np ecuaciones.Cálculos con nº muy restringido de productos, se pueden realizar cálculos manualmente.

Ecuaciones de estado: relación P, T, v en las condiciones de detonación.

v=cte

VO

PO

P

V

λ = 0

λ = 1Pico de von NeumannN

No es posible λ>1FD

Hugoniots de reacción parcial

(posibles estados en la zona de reacción)

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Α – covolumen: volumen excluido por el espacio ocupado por las moléculas que no es despreciable frente al volumen total cuando v es muy pequeño.

*BKW*

*Virial*

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INICIACION DE LOS EXPLOSIVOS

La iniciación de un explosivo depende de:- Impacto- Fricción- Elevación de la temperatura- Choque

Explosivos homogéneos: elevación de temperatura en toda la masa. Explosión térmica.

Explosivos heterogéneos: elevación de temperatura en puntos discretos.La iniciación tiene siempre en algún estadio, carácter térmico.

DESCOMPOSICION Y EXPLOSION TERMICA

La descomposición de explosivos puede ser:

- de forma homogénea- de forman localizada en una zona de contacto

La velocidad de reacción aumenta rápidamente con la temperatura.

Vida media de descomposición según la ley de Arrhenius:

La velocidad de reacción aumenta exponencialmente con la T.

: fracción del explosivo sin reaccionar: energía de activación: factor de frecuencia: grado de reacción: velocidad de reacción

Generación de calor : reacción exotérmica (depende exponencialmente de la T)+T +vREACCION +vPRODUCCION DE CALOR

Pérdida de calor al entorno (aumenta linealmente T)

vgeneración = vpérdida Equilibrio (T cte)

vgeneración < vpérdida Disminuye la Tª y la velocidad de reacción

vgeneración > vpérdida Aumenta la Tª y la reacción se acelera

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Modelo simplificado: balance energético

Calor generado por la reacción: Calor intercambiado con el entorno:

Un explosivo compacto tiene menos Tcr que un explosivo de forma granular, esto es debido a que en el último el área de contacto es mayor; cuanto mayor es el área, mayor es la Tcr.

¿Tcr?

Modelo clásico de explosión térmica: Frank-Kamenetski

= 0,88 láminas ; 2 cilindros; 3.32 esferas

Dimensión crítica: = Tª previa a la explosión

CALENTAMIENTO LOCAL POR CHOQUE: PUNTOS CALIENTES

En explosivos heterogéneos, el mecanismo de choque y calentamiento homogéneo del frente no da lugar a una temperatura suficiente como para que la reacción comience en todo él.El calentamiento se produce localmente en unos puntos o centros de reacción, denominados puntos calientes.

Mecanismos:- Cavidades, poros, burbujas de aire (gasificación química o microesferas)

calentamiento adiabático durante la compresión.- Interacción de choques al incidir sobre heterogeneidades (por ejemplo: Al).- Calentamiento viscoso (alta velocidad másica).

PROPAGACION DE LA DETONACION

1. Zona de reacción en explosivos heterogéneos Para que no se apague la detonación, la velocidad debe ser suficiente para que la reacción se haya producido antes que las ondas de relajación procedentes de los bordes de la carga hagan disminuir la presión.

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Cuantos más puntos calientes eficaces haya, mayor será la presión y menos el tamaño del explosivo heterogéneo.

2. Diámetro crítico Geometría cilíndrica: frente curvo. La expansión radial que se produce en la superficie lateral tiene a hacer disminuir la presión y la temperatura + ondas de relajación.

Ejemplo: Frente de detonación curvo con carga cilíndrica

Diámetro crítico: diámetro de la carga por debajo del cual la detonación es incapaz de progresar, pues la presión en el frente se ve inmediatamente disminuida por las rarefacciones laterales.

DIBUJO.

R: radio de curvaturar: radio de la cargad: diámetro de la carga

Cuando

A menor diámetro de la carga los efectos de borde son más acusados.

Mayor densidad, mayor energía, menos heterogeneidades.

Zona de inducción: calentamiento y explosión de puntos calientes eficaces (ni)

Heterogeneidades (n0)

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Dos tipos de comportamiento:- Altos explosivos (+densidad +energía -dc- Explosivos heterogéneos con menor P (+densidad –ptos calientes +dc)

3. Velocidad de detonación

Alto explosivo: mas densidad, mas energía, menos velocidadExplosivo heterogéneo: mas densidad, mas energía, mas velocidad mas densidad, menos puntos calientes, menos velocidad

Es una práctica corriente en numerosos explosivos industriales sensibilizarlos haciendo disminuir su densidad, mediante la introducción de burbujas de gas o microesferas, que, a su vez actúan como puntos calientes.Si el explosivo pierde estas burbujas, su velocidad de detonación disminuirá, llegando eventualmente a fallar.

Influencia del diámetro: más diámetro, más velocidad; pues las ondas de relajación tardan más en llegar.

4. Influencia del confinamiento El confinamiento hace que las ondas de relajación sean de menor intensidad.- El diámetro crítico disminuye- La velocidad de detonación aumenta

INICIACION POR ONDAS DE CHOQUE

Detonación: onda de choque mantenida por una reacción química, en la que la compresión en el frente de choque inicia la reacción, ya sea de forma homogénea o en puntos discretos, llamados puntos calientes.

El choque al que se somete inicialmente el explosivo puede ser:- de mayor intensidad (presión) que la de detonación CJ (sobreimpulsada)- de igual intensidad- de intensidad menor (subimpulsada)

DIBUJO

Iniciación subimpulsada.

Diferencias entre explosivos homogéneos y heterogéneos- La onda de choque inicial en un explosivo heterogéneo se acelera a su paso,

mientras que en un explosivo homogéneo se atenúa.- La transición a la detonación en un explosivo heterogéneo es relativamente

suave, progresiva, mientras que en un explosivo homogéneo es muy abrupta.- La aparición de la detonación en un explosivo homogéneo va acompañada,

inicialmente, de una sobrevelocidad, lo cual no sucede en explosivos heterogéneos.

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- La detonación en explosivos homogéneos se origina en la zona de entrada del choque iniciador, mientras que en explosivos heterogéneos la detonación se establece en el frente de choque.

- Las mezclas son mucho más sensibles a la iniciación por choque que los explosivos homogéneos. Las heterogeneidades provocan interacciones entre choques que causan calentamientos locales.

- La iniciación en explosivos homogéneos es mucho más sensible a las variaciones de la temperatura inicial y de la intensidad del choque inicial que en explosivos heterogéneos.

Iniciación sobreimpulsada

La energía suministrada por la reacción del explosivo es insuficiente para mantener la detonación a la velocidad y presión del choque inicial, y las rarefacciones procedentes de los bordes harán que aquella decaiga hasta convertirse en una detonación CJ.

Influencia del diámetro de la carga iniciadora

Existe una presión umbral para establecer una detonación estable en la carga receptora.Si el diámetro del iniciador es pequeño, las pérdidas laterales pueden provocar que la detonación falle.A < d, > debe ser la P para tener una detonación estable.

Iniciación por estímulos de baja velocidad

Iniciación por fenómenos caracterizados por velocidades materiales varios órdenes de magnitud inferiores a las de detonación. Estos fenómenos, (fricción e impacto), están muy relacionados con la seguridad en el uso de los explosivos.En estos casos: Iniciación por explosión térmica, concentrándose el calor en los puntos calientes creados por el estímulo.

La temperatura crítica de explosión de los puntos calientes dependerá de las propiedades térmicas y cinéticas del explosivo, del tamaño de los puntos.

Iniciación por fricción

Si los cuerpos se deslizan entre sí el calor generado por la fricción se concentra en las zonas de contacto.Puntos calientes, cuya temperatura dependerá de la presión, velocidad de deslizamiento y conductividad térmica del material.El valor límite de la temperatura que puede alcanzar un punto caliente por fricción es el punto de fusión.

Si Tf < Tcr, poco sensible a la fricciónSi Tf > Tcr, muy sensible (explosivos primarios)

Explosivos líquido o tipo gel: calentamiento por disipación viscosa o deformación plástica.

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Iniciación por impacto

La energía cinética produce un calentamiento del explosivo no uniforme, concentrado en puntos calientes debidos a:

o Compresión adiabática de burbujaso Fricción entre cristales del explosivo o fases sólidas presenteso Disipación viscosao Deformación plástica

Ejemplo:- NG sin burbujas, 50J para iniciar- NG con burbujas de 0.1mm, 0,04J para iniciar

TRANSICION DE DEFLAGRACION A DETONACION

Deflagración, combustión: el material reacciona a consecuencia del calor recibido desde la zona de llama.Detonación: la reacción se inicia en las sucesivas capas por el avance de una onda de choque.

La presión producida en la superficie de deflagración o combustión actúa como un pistón, generando ondas sónicas hacia delante.

El aumento de la presión hace aumentar la velocidad de reacción, acelerándose la combustión.

Por delante de la combustión se va formando un frente de compresión cada vez más abrupto.

Para que se produzca la transición: explosivo confinado.

Para que se produzca la transición: desarrollo de una onda de compresión a partir del frente de deflagración.

Factores:- Tamaño de grano: menos tamaño, más superficie, más velocidad, más presión- Masa de explosivo (autoconfinamiento favorece la DDT)- Velocidad de combustión; aumenta la presión- Resistencia y masa del confinamiento vexpansión lateral < vauemnto de P

- Sensibilidad al choque del explosivo; más sensibilidad, favorece DDT

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