UNIVERSIDAD ALAS PERUANASFACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA

BALANCEO DE OXIGENO EN EXPLOSIVOS

PRESENTADO POR

IBAÑEZ BENDEZU JULIO C. IBAÑEZ BENDEZU MARCO A. GOÑE CARHUAZ AMIEL A.

DOCENTE

Ing.

CAJAMARCA PERÚ

2014

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.

La mayoría de las materias primas que utiliza la sociedad hoy en día, son

producidas con el uso de explosivos en las minas alrededor del mundo. La

construcción de carreteras, canales y edificios, se logra gracias a la ayuda de

explosivos. Inclusive la comida que consumimos a diario, no existiría sin la ayuda

de explosivos para producir fertilizantes y metales con los cuales se fabrican

tractores y otros equipos agrícolas.

RESUMEN

La tendencia a utilizar explosivos de gran energía hace que también sea una

necesidad la aplicación de nuevas técnicas para el diseño de mallas de

perforación y voladura, por lo que en este trabajo se da a conocer la utilización del

balanceo de oxigeno.

ABSTRACT

The tendency to use explosive of great power makes that it is also a necessity the

application of new techniques to design the drilling patterns, because is necessary

to know the use of the balanced oxingen in the present investigation.

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 voladura 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.

Hoy en día existe una tendencia al uso de explosivos (agentes de voladura) a

granel y aun más, fabricados in-situ en el momento de ser introducidos en las

perforaciones.

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.

¿QUÉ ES UN EXPLOSIVO?

Los explosivos químicos son materiales que pasan por reacciones químicas muy

rápidas para liberar productos gaseosos y energía. Estos gases bajo altas

presiones liberan fuerzas sobre las paredes de la perforación, provocando el

fracturamiento de la roca.

Básicamente los explosivos son la mezcla de elementos combustibles y elementos

oxidantes, y generalmente se utiliza el oxigeno como elemento oxidante.

Algunas veces podemos encontrar explosivos que contienen otros elementos

además de combustibles y oxidantes. Los metales en polvo, tales como el

Aluminio, se utilizan en algunas fórmulas. La razón para utilizarlos es que, durante

la reacción, los metales en polvo generan calor. Este calor eleva la temperatura de

los gases, provocando con esto una presión de mayor.

INGREDIENTES DE LOS EXPLOSIVOS TABLA “1.1”

Ingrediente Fórmula Química FunciónNitroglicerina C3H5O9N3 Base explosivaNitrocelulosa C6H7O11N3 Base explosiva

Trinitotolueno(TNT) C7H5O6N3 Base explosivaNitrato de Amonio H4O3N2 Portador de OxígenoNitrato de Sodio NaNO3 Portador de Oxígeno

Diesel CH2 CombustiblePulpa de madera C6H10O5 Combustible

Carbón C CombustiblePolvo de Aluminio Al Sensibilizador

Carbonato de Calcio CaCO3 AntiácidoÓxido de Zinc ZnO Antiácido

Cloruro de Sodio NaCl Supresor de flama

Ciertos ingredientes tales como el carbonato de calcio o el óxido de zinc funcionan

como antiácidos para incrementar la vida en almacén del explosivo. La sal de

mesa común, de hecho, hace que un explosivo sea menos eficiente ya que actúa

como un supresor de flama y esto enfría la reacción. Por otro lado el añadir la sal

permite usar el explosivo en ambientes saturados de metano, ya que una flama

menos caliente y de corta duración, hace menos probable que se provoque una

explosión del metano. Esta es la razón porque los explosivos permisibles se usan

en minas de carbón o en rocas sedimentarias donde se puede encontrar metano.

Los elementos básicos o ingredientes que producen trabajo directamente en las

voladuras, son aquellos que generan gases cuando reaccionan, tales como: el

carbón, el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno.

Cuando el carbón reacciona con el oxígeno, puede formar ya sea, monóxido de

carbono o bióxido de carbono. Para poder obtener la máxima temperatura de una

reacción, deseamos que los elementos se oxiden completamente, en otras

palabras, que se forme bióxido de carbono. La tabla muestra la diferencia en la

temperatura generada cuando un átomo de carbón forma monóxido de carbono,

contra el caso donde un átomo de carbono forma bióxido de carbono. Para poder

liberar el máximo de energía de la reacción explosiva, los elementos deben

reaccionar y formar los siguientes productos:

1. El carbono reacciona para formar bióxido de carbono.

2. El hidrógeno reacciona para formar agua.

3. El nitrógeno, sólido o líquido, reacciona para formar nitrógeno gaseoso.

CALORES DE FORMACIÓN PARA DIFERENTES COMPUESTOS QUÍMICOS

“TABLA 1.2”

Compuesto Fórmula Peso molecular Qp o Qr

(Kcal/mol)

Diesel CH2 14.0 -7.0

Nitrometano CH3O2N 61.0 -21.3

Nitroglicerina C3H5O9N3 227.1 -82.7

PETN C5H8O12N4 316.1 -123.0

TNT C7H5O6N3 227.1 -13.0

Monóxido de Carbono CO 28.0 -26.4

Bióxido de Carbono CO2 44.0 -94.1

Agua H2O 18.0 -57.8

Nitrato de Amonio N2H4O3 80.1 -87.3

Aluminio Al 27.0 0.0

Carbón C 12.0 0.0

Nitrógeno N 14.0 0.0

Monóxido de Nitrógeno

NO 30.0 +21.6

Bióxido de Nitrógeno NO2 46.0 +8.1

Nota: El signo (-) indica una reacción exotérmica o liberación de energía

Si sólo ocurren las reacciones ideales del carbón, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno,

no queda ningún átomo de oxígeno libre ni tampoco hace falta ninguno. El

explosivo tiene balance de oxígeno y produce la máxima cantidad de energía.

Si se mezclan dos ingredientes, tales como el nitrato de amonio y el diesel, y se

agrega diesel en exceso a la mezcla, se dice que la reacción explosiva tiene

balance de oxígeno negativo. Esto significa que no hay suficiente oxígeno para

combinarse totalmente con el carbón y el hidrógeno y formar los productos finales

deseados. En cambio, lo que ocurre es que queda carbón libre, así que se liberará

monóxido de carbón.

Si se le agrega poco combustible a la mezcla de nitrato de amonio y diesel,

entonces ésta tiene oxígeno en exceso, el cuál puede reaccionar con el carbón y

el hidrógeno. A esto se le llama reacción con balance de oxígeno positivo. Lo que

ocurre es que el nitrógeno, reaccionara formando óxidos de nitrógeno. Si éstos se

forman, aparecerán gases de color ocre y se reducirá la energía de la reacción.

La energía se reduce ya que los productos de la reacción ideal liberan calor al

formarse, los óxidos de nitrógeno, en cambio, absorben calor cuando se forman.

Esto se puede ver en la tabla 1.2. El agua y el bióxido de carbono tienen un signo

negativo que significa que aportan calor cuando se forman. Los óxidos de

nitrógeno en la parte baja de la tabla 1.2. Tienen un signo positivo que significa

que toman calor cuando se forman.

El resultado final es que la reacción ocurrirá a una temperatura más baja. La

presión del gas se reduce si la temperatura de la reacción disminuye. La figura

1.1. Muestra los productos que se forman de una reacción con balance de oxígeno

positivo.

IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS CON MEZCLAS

Existen signos visuales de la adecuada o inadecuada liberación de energía. Los

colores de los gases son indicadores de la eficiencia de la reacción que se

relaciona con la liberación de la energía. Cuando aparece un vapor gris claro, el

balance de oxígeno es casi ideal y se libera el máximo de energía. Cuando los

gases son de color ocre o amarillo, son indicación de una reacción ineficiente que

puede deberse a una mezcla con balance de oxígeno positivo. Las mezclas con

balance de oxígeno negativo producen gases de color gris oscuro y pueden dejar

carbón en las paredes de las perforaciones.

IDENTIFICACIÓN DEBIDO A PROBLEMAS CON LAS MEZCLAS

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 pérdida del aire atrapado (micro burbujas), 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.

BALANCE DE OXIGENO

Esta es la cantidad de oxigeno expresada en por ciento del peso, liberada como u

resultado de la conversión completa del material explosivo a CO2, H2O, SO2,

AlO2. Si hay oxigeno insuficiente para la reacción completa de la oxidación se dice

que el compuesto tiene un balance negativo. Los explosivos comerciales deben

tener un balance de oxigeno cercano a cero para minimizar la cantidad de gases

tóxicos, particularmente monóxido de carbono y gases nitrosos que están

presentes en los humos.

Es la diferencia entre los átomos de oxígeno entregados por los oxidantes y los

requeridos por los reductores, para así poder producir los compuestos que liberan

la energía que se utiliza en la voladura.

Es importante en la formulación de la mezcla explosiva para asegurar una

completa combustión con la máxima potencia y mínima producción de gases

tóxicos, siendo necesario controlar la proporción de oxígeno suministrado a los

componentes combustibles (añadirlo o restarlo según convenga) para que logren

su mayor nivel de oxidación.

En el cálculo para explosivos a emplearse en trabajos subterráneos mal ventilados

debe incluirse la envoltura de papel o de plástico.

El balance de oxígeno se expresa como porcentaje de exceso (+) o deficiencia (-)

de oxígeno en la mezcla. El margen de seguridad de +2 a +5 como tope,

buscando un promedio de +2 a +3 como ideal. Si es mayor a +5 el nitrógeno se

oxidará formando NO y NO2 tóxicos, si es menor a +2 se formará CO, igualmente

tóxico. Con un balance igual a cero se obtendrá la máxima energía, pues todos los

ingredientes reaccionarán completamente. El balance de oxígeno de un explosivo

es la suma algebraica de los balances de oxígeno de los varios ingredientes que lo

componen. Cada ingrediente se obtiene multiplicando su balance de oxígeno por

el porcentaje de estas sustancias presentes en la mezcla.

DEPENDENCIA:

•Características químicas del oxidante

•Características químicas del (los) reductor(es)

ALCANCES PRACTICOS

a) En caso de existir un déficit de oxígeno o que la reacción sea incompleta, se

producen monóxido de carbono (CO) que es un gas tóxico incoloro e inodoro.

b) Si existe un exceso de oxígeno, se generarán gases nitrosos (NxOy), altamente

tóxicos y que poseen un color rojizo.

c) Cuando existe un buen balance de oxígeno, los humos sonde color gris claro.

d) Los explosivos comerciales poseen un BO que fluctúa entre 2% y–4%, con el fin

de evitar la formación de gases nitrosos.

Balance de oxígeno correcto:

3NH4NO3+ 1CH2 → CO2 + 7H2O + 3N2

Exceso de Oxígeno:

5NH4NO³+ CH2 11H2O + O2 + 4N2 + 2NO

Deficiencia de Oxígeno:

2 NH4 NO³+ CH2 5 H2O + 2 N2 + CO

CUADROS DE BALANCEO DE EXPLOSIVOS:

En nuestro caso es fundamental controlar el balance de oxigeno por tener una

roca muy dura se utilizara ANFO pesado los cuales tienen un balance de oxigeno

Negativo Todo explosivo debe tener como resultante lo siguiente:

Oxidantes + combustibles → CO2 + H2O + N2

Si solamente se trabaja con nitroglicerina o un ANFO que tiene 94.39% de NA y

5.61% de Diesel 2 se obtiene una reacción con balance de oxigeno de cero.

3 (NH4NO3 ) + 1( CH2 ) → CO2 + 7H2O + 3N2 Esta es una ecuación ideal.

ANFO PESADO

Sin embargo para hablar del balance de oxigeno que se obtiene en una reacción

llevado a cabo con ANFO mas Emulsión, es necesario hacer una descripción de

que es una emulsión

Emulsiones a Granel.

Desde el punto de vista químico, una emulsión es un sistema bifásico en el cual se

mezcla una solución acuosa, la fase acuosa esta compuesta por sales inorgánicas

oxidantes(nitrato de Amonio) que son disueltas en agua y la fase aceitosa esta

compuesta básicamente por hidrocarburo (Diesel 2), para que esa solución se

junte y tenga una permanencia por un periodo de tiempo limitado se usan

emulsificante, que también pertenece a la cadena de los hidrocarburos, es

importante la Viscosidad de la emulsión debe estar en el rango de 25,000 a 30,000

cp.

FORMULA DE UNA EMULSIÓN

75%NH4NO3 + 8%CH2 + 18%H2O + 1% Emulsificante (depende a donde va ir la emulsión y que tiempo será

almacenada, para que el % del emulsificante va a variar) Las emulsiones se usa por dos razones, la primera es resistente

al agua, la segunda eleva la velocidad de detonación del explosivo (VOD).

Balance de oxigeno de los ANFO Pesados.

El balance de Oxigeno en un ANFO pesado es negativo, pero cualquier error en la mezcla del ANFO, lo convierte en una

balance positivo y aparecen humos de color Naranja o Rojizos, además hay una perdida de energía, pero los humos

rojizos son muy densos y demoran en disiparse 10 minutos, da cabida a protestas de los ambientalistas.

Balance de oxigeno para diferentes mezclas

ANFO PESADO 28 (20% de emulsión y 80% de ANFO), este es un explosivo que no es resistente al agua, pero tiene

mayor potencia que el ANFO simple.

Cuadro 1

Se ve que el balance de oxigeno es negativo (3.04)

El explosivo se prepara en el lugar por lo tanto si hay un pequeño error en la fabricación del ANFO, el ANFO pesado

tendrá como balance de oxigeno positivo como se muestra en el siguiente cuadro. Y en vez de botar 96% de NA esta

botando 95.5% de NA, y 4,5 de Diesel, este mínimo error hace que el balance de oxigeno sea positivo y con los efectos

antes descritos.

Cuadro 2

ANFO PESADO 37 (30% de emulsión y 70% de ANFO), este es un buen explosivo para utilizarlo en roca de dureza

media a dura, 100 a 150 Mpa tiene muy buena VOD, la restricción para este producto es la presencia de Agua, por que

esta mezcla no es resistente al agua.

Cuadro 3

ANFO PESADO 46 (40% de emulsión y 60% de ANFO), esta es la mejor mezcla, tiene la más alta VOD y se usa en

rocas muy duras, tiene una restricción no es resistente al agua.

Pero en la fabricación de ANFO en campo soporta un error de hasta 2% tanto de NA como de Combustible, antes que la

reacción se dé con un balance de oxigeno positivo.

ANFO PESADO 55 (50% de emulsión y 50% de ANFO), esta es una mezcla que tiene un pequeña resistencia al agua,

este explosivo permite un mayor error en la mezcla del ANFO para que la reacción resultante con un balance de oxigeno

positivo, sin embargo es un explosivo de menor Velocidad de Detonación y es un explosivo más caro por tener una mayor

proporción de emulsión, mayor densidad(1.28gr/cc) que la mezcla HA40/60 (1.20gr/cc), su uso es muy restringido.

ANFO PESADO 64 (60% de emulsión y 40% de ANFO), esta mezcla muy cara tiene muy alta densidad 1.31gr/cc, su uso

está restringido para zonas con agua, su característica principal es su resistencia al agua hasta 72 horas, razón por la

cual tiene gran utilización en minería tajo abierto

Una muestra cómo afecta el balance de oxigeno, se puede ver en las fotos que se muestras en el anexo 5 y 6, las

evidencias son muy claras cuando ocurre un balance positivo de oxigeno, se generan óxidos nitrosos, y son de un color

naranja oscuro, es muy común esta situación cuando los camiones mezcladores de explosivo se encuentran

descalibrados o cuando la emulsión es deteriorada por la presencia de agua, en estas condiciones también se presentan

humos pardos, pero cualquiera que fuera la causa debe de solucionarse de inmediato este problema.

CONCLUSIONES

Perú es un país que tiene alto grado de dependencia tecnológica con el extranjero

y en materia de explosivos no es la excepción Con la figura de las empresas en

Explosivos se podrá no solo tener un mayor y eficaz control en las voladuras sino

que, al contar con especialista(s) en la materia, se podrá desarrollar tecnología

propia para el futuro del país.