Explosivos industriales


INTRODUCCIÓN

Los explosivos industriales se clasifican en dos grandes grupos según velocidad de su onda de choque.

a)     Explosivos rápidos y detonantes: Con velocidad entre 2000 y 7000 m/s.
b)    Explosivos lentos y deflagrantes: Con menos de 2000 m/s.



Los deflagrantes comprenden a las pólvoras, compuestos pirotécnicos y compuestos para artillería y cohetería, casi sin ninguna aplicación en la minería o ingeniería civil, salvo en el caso de rocas ornamentales.
      Los explosivos detonantes se dividen en PRIMARIOS y SECUNDARIOS según su aplicación. Los primarios por su alta energía y sensibilidad se emplean como iniciadores para detonar a los Secundarios, entre ellos podemos mencionar a los compuestos usados en los detonadores  y multiplicadores ( fulminato de mercurio, pentrita, hexolita, etc.. Los Secundarios son los que se aplican al arranque de rocas y aunque son menos sensibles que los Primarios desarrollan mayor trabajo útil. Estos compuestos son mezclas de sustancias explosivas o no, cuya razón de ser estriba en el menor precio de fabricación, en el mejor balance de oxigeno obtenido, y en las características y propiedades que confieren los ingredientes a las mezclas en lo relativo a sensibilidad, densidad, potencia, resistencia al agua, etc.
      Los explosivos industriales de uso civil se dividen a su vez en dos grandes grupos, que en orden de importancia por nivel de consumo y no de aparición en el mercado son:

a) AGENTES EXPLOSIVOS:

Estas mezclas no llevan, salvo algún caso, ingredientes intrínsicamente explosivos. Los principales son: Anfo, Alanfo, Hidrogeles, Emulsiones, Anfo Pesado.

b) EXPLOSIVOS INDUSTRIALES
           
Precisan para su fabricación  de sustancias intrínsicamente explosivas que  actúan como sensibilizadores de las mezclas. Los más conocidos son: Gelatinosos, Pulverulentos, De seguridad.






AGENTES EXPLOSIVOS SECOS


            Este grupo engloba todos aquellos explosivos que no son sensibles al detonador y en cuya composición no entra el agua. El factor común es en todos ellos el Nitrato Amónico.

Nitrato Amónico
                                   El Nitrato Amónico (NH4 NO3) es una sal inorgánica de color blanco cuya temperatura de fusión es 160.6 ºC. Aisladamente, no es un explosivo, pues solo adquiere tal propiedad cuando se mezcla con una pequeña cantidad de un combustible y reacciona violentamente con él aportando oxígeno. Frente al aire que contiene el 21% de oxígeno, el NA posee el 60%. 
            Aunque el NA puede encontrarse en diversas formas, en la fabricación de explosivos se emplea aquel que se obtiene como partículas esféricas o prills porosos, ya que es él posee  mejores  características para absorber y retener a los combustibles  líquidos y es fácilmente manipulable sin que se produzcan apelmazamientos y adherencias.
            La densidad del NA poroso o a granel es aproximadamente 0.8 g/cm³, mientras que las densidades de las partículas del NA no poroso se acercan a la de los cristales (1.72 g/ cm³) , pero con valores algo inferiores ( 1.40 – 1.45 g/ cm³) debido a la microporosidad . El NA de mayor de mayor densidad no se emplea debido a que  absorbe  peor el combustible  y por lo tanto reacciona más lentamente con él en el proceso de detonación.
            Normalmente, el NA utilizado tiene una microporosidad del 15%, que sumada  a la macroporosidad se eleva al 54%.
            La solubilidad del NA en el agua es grande y varía ampliamente con la temperatura:

A 10 ºC el 60.0% solubilidad                    A 30 ºC el 70.0% solubilidad
A 20 ºC el 65.4% solubilidad                    A 40 ºC el 73.9% solubilidad

TEMPERATURA AMBIENTE
HUMEDAD A PARTIR DE LA CUAL EMPIEZA  LA ABSORCIÓN
10 ºC
76%
21 ºC
64%
32 ºC
59%

           






            ANFO
Los aceites usados se han aprovechado también como combustible, pero también los inconvenientes de reducir la sensibilidad a la iniciación y propagación, la velocidad de detonación y el rendimiento energético. Debido a sus altas viscosidades tienden a permanecer en la superficie  de los gránulos de NA ocupando los macroporos. Actualmente, no está justificado desde un punto de vista económico la sustitución total o parcial del gas-oil por aceites usados debido a los inconvenientes que entrañan estos productos.
El contenido de combustible juega un papel importantísimo sobre las diferentes propiedades del ANFO, La reacción de descomposición del sistema equilibrado en oxígeno es:

3 NH4 NO3 + CH2 è 3 N2 + 7 H2O + CO2

Produciendo unas 920 Kcal/Kg, que puede ser inferior en los productos comerciales según el contenido en materias inertes, y un volumen de gases de 970 l. La mezcla estequiométrica corresponde a un 95.3% de NA y un 5.7% de gas-oil, que equivalen a 3.7 litros de éste último por cada 50 kg de NA.
            El agua es el principal enemigo del ANFO, pues absorbe una gran cantidad de calor para su vaporización y rebaja considerablemente la potencia del explosivo.
           Las características explosivas del ANFO varían también con la densidad. Conforme ésta aumenta la velocidad de detonación se eleva, pero también es más difícil conseguir la iniciación. Por encima de una densidad de 1.2 g/ cm³ el ANFO se vuelve inerte no pudiendo ser detonado o haciéndolo sólo en el área inmediata al iniciador.
 El diámetro de la carga es un parámetro de diseño que incide de forma decisiva en la velocidad de detonación del ANFO. El diámetro crítico de este  explosivo esta influenciado por el confinamiento y la densidad de carga.


ALANFO

            Como la densidad del Anfo es baja, la energía que resulta por unidad de longitud de columna  es pequeña. Para elevar esa energía, desde 1968 se viene añadiendo ese agente explosivo productos como el Aluminio con unos buenos resultados técnicos y económicos, sobre todo cuando las rocas son masivas y los  costes de perforación  altos.
            Cuando el Aluminio se mezcla con el nitrato armónico y la cantidad es pequeña la reacción que tiene lugar es:

2 Al + 3 NH4NO3   è  3 N2 + 6 H2O + Al2 O + 1650 cal / g
           
            Pero si el porcentaje de aluminio es mayor, la reacción  que se produce es:

2 Al + NH4 NO3  è N2 + 2 H2 + Al2 O3 + 2300 cal / g

Las especificaciones  que debe cumplir el aluminio son: en cuanto al tamaño que se encuentre casi el 100% entre las 20 y las 150 mallas y en cuanto a la pureza que sea superior al 94%.
En estos agentes explosivos, la pureza no es tan crítica como en los hidrogeles, ya que no es de temer  la acción galvánica producida por los cambios de ph. Esto significa que restos o desechos de aluminio de otros procesos pueden emplearse en la fabricación del Alanfo.
El límite inferior de tamaño es debido a que si el Al está en forma de polvo pueden producirse explosiones incontroladas.


HIDROGELES

            Los hidrogeles son agentes explosivos  constituidos por soluciones acuosas saturadas de NA, a menudo con otros oxidantes como el nitrato de sodio y/o el de calcio, en las que se encuentran dispersos los combustibles, sensibilizantes, agentes espesantes y gelatinizantes que evitan la segregación de los productos sólidos.
            Centrándonos en los hidrogeles  que se emplean actualmente, el proceso de fabricación se basa en el mezclado de una solución de oxidantes con otra de nitrato de  monometilamina (NMMA) y la adición de diversos productos sólidos y líquidos, tales como oxidantes, espesantes, gelatinazantes, etc.
            La solución oxidante está constituida por agua, nitrato amónico y nitrato sódico, a la que se aporta tío-urea y parte de las gomas que permiten conseguir una viscosidad alta para retener las burbujas de gas. El nitrato sódico tiene las ventajas de disponer de una gran cantidad de oxígeno y de disminuir el punto de cristalización de las soluciones salinas.
            El NMMA tiene unas excelentes características como sensibilizantes, pues es muy buen combustible con un balance de oxígeno muy negativo y alta densidad, y además es poco sensible a efectos dinámicos subsónicos de choques y roces. Las proporciones de NMMA en los hidrogeles oscilan entre el 10%  y el 35%.
            La mezcla de aditivos sólidos está formada por aluminio, algodón, gomas y otras sustancias en menor proporción. Esta mezcla se realiza de forma continua o discontinua con mezcladoras dotadas de agitación y que pueden estar instaladas  en plantas fijas o sobre  camiones. Los Hidrogeles poseen una seguridad muy alta tanto en fabricación como en su manipulación, sin embargo, presentan una aptitud a la detonación muy buena que puedan emplearse en calibres pequeños  e iniciarse con detonadores convencionales, además tiene una excelente resistencia al agua.

EMULSIONES

            Este grupo de explosivos, que es el de más reciente aparición en el mercado, mantiene las propiedades de los hidrogeles  ya citados, pero a su vez mejora dos características fundamentales como son la potencia y la resistencia al agua.
            Desde un punto de vista químico, una emulsión es un sistema bifásico en forma de una dispersión estable de un líquido inmiscible en otro. Las emulsiones explosivas son el tipo denominado “agua en aceite” en las que la fase acuosa está compuesta por sales inorgánicas oxidantes disueltas en agua y la fase  aceitosa por un combustible líquido inmiscible con el agua del tipo hidrocarbonado.

TABLA 1 ( Orden cronológico de aparición de explosivos)

           
EXPLOSIVOS
OXIDANTE
COMBUSTIBLE
SENSIBILIZANTE
DINAMITAS
SÓLIDO
Nitratos
SÓLIDO
Materias absorbentes
LIQUIDO
Nitroglicerina
Gasificantes
ANFOS
SÓLIDO
LIQUIDO
POROS
HIDROGELES
SÓLIDO/ LIQUIDO
Nitratos
Soluciones salinas
SÓLIDO/ LIQUIDO
Aluminio
Sensibilizante
SÓLIDO/ LIQUIDO
TNT
NMMA, MAN
Aluminio en polvo
Gasificante
EMULSIONES
LIQUIDO
Soluciones salinas
LIQUIDO
Aceites
Parafinas
Gasificante

El desarrollo de los explosivos ha llevado  a una reducción progresiva del tamaño de las partículas, pasando desde los sólidos a las soluciones salinas con sólidos y luego a microgotas de una emulsión explosiva. Por lo tanto la dificultad de fabricación  de las emulsiones se encuentra en la fase aceitosa pues, por imperativo del balance final de oxígeno, el 6% en peso de la emulsión, que es el aceite, debe englobar al 94% restante que se encuentra en forma de microgotas.





ANFO PESADO


En la tecnología actual de voladuras es incuestionable que el ANFO constituye el explosivo básico. Diversos intentos se han dirigido hacia la obtención de una mayor energía de este explosivo, desde la trituración de los prills de nitrato amónico de alta densidad hasta el empleo de combustibles líquidos de alta energía, como las nitroparafinas, el metanol y el nitropropano, pero comercialmente no han prosperado.
El ANFO pesado, que es una mezcla de emulsión base con ANFO, abre una nueva perspectiva en el campo de los explosivos.
El ANFO presenta unos huecos intersticiales que peden ser ocupados por unos explosivos liquido como la emulsión que actúa como una matriz energética.
Aunque las propiedades de este explosivo dependen de los porcentajes de mezcla, las ventajas principales que presenta son:
-          Mayor energía
-          Mejores características de sensibilidad
-          Gran resistencia al agua
-          Posibilidad de efectuar cargas con variación de energía a lo largo del barreno.

La fabricación es relativamente fácil, pues la matriz emulsión puede ser preparada en una planta fija y transportada en un camión cisterna hasta un deposito de almacenamiento s ser bombeada a un camión mezclador. Con estos camiones pueden prepararse in-situ las mezclas de emulsión con nitrato amoniaco y gas-oil en las proporciones adecuadas a las condiciones de trabajo

Un ANFO pesado 70/30 es superior en potencia a un ALANFO del 5% y una mezcla 60/40 es casi comparable a un ALANFO  del 10%. Curiosamente, cuando la matriz de emulsión aumenta por encima del 40% la potencia disminuye debido a que la separación de las partículas de ANFO resulta elevada para que estas actúen eficientemente como puntos calientes y propagadoras de la onda de choque.

La densidad de la mezcla aumenta con el porcentaje de emulsión, alcanzándose la energía máxima para un valor de esta de 1.3 g/cm^aproximadamente.
 La sensibilidad disminuye al incrementarse la densidad, siendo necesario cada vez un iniciador de mayor peso. Para una densidad de 1.33 se necesita un multiplicador de Pendolita de 450 g como mínimo.
Con la reciente aceptación del ANFO pesado en la industria, esos mismos explosivos pero aluminizados hacen posible pensar en una mejora de la eficiencia de las operaciones y ahorro de costes, al tratarse de productos de una lata potencia volumétrica y con un precio relativamente bajo.
El aluminio incrementa la energía total producida, la potencia relativa en volumen, la temperatura y la presión de detonación.

La tabla recoge las potencias del ANFO , las emulsiones y diversos ANFOS pesados preparados a partir de nitrato amoniaco poroso de baja densidad, y distintos porcentajes de aluminio.
La reacción del aluminio durante la detonación da lugar a la formación de óxidos sólidos y no productos gaseosos. El volumen de gas que se genera por el explosivo es, por esto, reducido. El calor de formación de los óxidos de aluminio es muy alto, 13.260 kj/kg, resultando una ganancia considerable del calor de explosión que aumenta la temperatura de los gases. Este aumento de la temperatura ayuda a reducir el volumen de los gases, desarrollando estos un mayor trabajo al estar más calientes. La adición de aluminio facilita el desarrollo de una mayor cantidad de trabajo para una misma cantidad de explosivo,  pudiéndose entonces aumentar la piedra y el espaciamiento de los esquemas, mientras que se mejora la fragmentación resultante de las voladuras.
     
EXPLOSIVOS GELATINOSOS.

Alfred Nobel en 1875 descubrió que una gran cantidad de nitroglicerina (NG) podía disolverse y quedar retenida en nitrocelulosa (NC), obteniéndose un producto con consistencia plástica de fácil uso y manipulación en aquella época. Esa gelatina explosiva formada por el 92% de NG y el 8% de NC tenia un balance de oxigeno nulo y desarrollaba una energía incluso superior que la NG pura.

Posteriormente, con intención de reducir la potencia de esa mezcla explosiva se añadieron sustancias oxidantes y combustibles, en las proporciones adecuadas para mantener el balance de oxigeno, de manera que además de reducir considerablemente el coste de fabricación se conservaba la consistencia gelatinosa. Así el porcentaje de NC-NG de las gelatinas explosivas actuales oscila entre el 30 y 35 %, y el resto corresponde a los oxidantes como el nitrato amoniaco, a los combustibles y a otros productos especiales que sirven para corregir la hogoscopicidad de los nitratos. A pesar de la pequeña cantidad de NG, las potencias resultantes no son tan bajas como parecerían a simple vista, pues se alcanzan niveles próximos al 80% de la goma pura.

EXPLOSIVOS PULVERULENTOS

Aquellas mezclas explosivas sensibilizadas con NG pero con un porcentaje inferior al 15% tienen una consistencia granular  o pulverulenta.
Dentro de este grupo de explosivos caben distinguir aquellos que poseen una base inerte y los de base activa. Los primeros, actualmente en desuso, fueron desarrollados por Novel en 1867 y se componían de NG y dieselghur o tierra de infusorios calcinada. Los de base activa, se fabrican en su mayoría sustituyendo las sustancias inertes por una mezcla de oxidantes y combustibles que aportan una potencia adicional.
El primer oxidante utilizado fue preferentemente el nitrato sodico, que se sustituyo después por el nitrato amoniaco de mayor eficiencia energética. También en este caso se emplean aditivos  especiales para reducir la higroscopicidad del NA.

En otros explosivos pulverulentos parte de la NG es sustituida, total o parcialmente, por TNT.
                  La característica que poseen estas mezclas explosivas son:
-          Potencias inferiores a las de los gelatinosos.
-          Velocidades de detonación y densidades inferiores, de 3000 a 4500 m/s y de 0.9 a 1.2 g/m respectivamente.
-          Muy poca resistencia al agua.
-          Adecuando para rocas blandas y semiduras como carga de columna.


EXPLOSIVOS DE SEGURIDAD


Se denominan Explosivos de Seguridad, en otros países Permisible, a aquellos especialmente preparados para su uso en minas de carbón con ambientes inflamables de polvo y grisu. Su característica principal es la baja temperatura de explosión.
Actualmente, los explosivos de seguridad se clasifican en dos grupos. El primero, es el que en su composición se encuentra un aditivo que juega el papel de inhibidor de la explosión, generalmente cloruro sodico, que según su granulometría, porcentaje, etc, aumenta con mayor o menor intensidad el grado de seguridad frente a una atmósfera inflamable.
Bio manual, mientras que las de sección redonda se utilizan cuando las perforadoras disponen de cambiadores.
El segundo grupo, de más reciente aparición y denominados de Seguridad Reforzada o de intercambio iónico. Consiguen rebajar la temperatura de explosión mediante diversos ingrediente que la reaccionar en el momento de la detonación forman al inhibidor en ese mismo instante, Estos explosivos suelen estar constituidos por un pequeño porcentaje de NG, un combustible y el par salino nitrato sodico-cloruro amoniaco, la reacción que tiene lugar es:
NaNO3 + NH4Cl  è NaCl + NH4NO3

El nitrato amoniaco actúa después como oxidante y el cloruro sodico en   estado naciente el que tiene un gran poder refrigerante, mucho mayor que en los explosivos de seguridad clásicos.
            Si. Por un fallo, un cartucho de explosivo de intercambio iónico detona al aire o bajo unas condiciones de confinamiento débiles, los fenómenos que tienen lugar son la descomposición explosiva de la nitroglicerina y la acción inhibidora del cloruro amomico ya que no se produce la reacción del par salino. En cualquier caso, se evita la deflagración que seria muy peligrosa en una atmósfera inflamable.
Las características practicas de los explosivos de seguridad son: Una potencia media o baja, velocidades de detonación entre 2000 y 4500 m/s, densidades entre 1 y 1.5 g/cm y mala resistencia al agua, salvo en algún compuesto.


POLVORAS


Actualmente, la pólvora para uso minero tiene la siguiente composición: Nitrato Potasico (75%) Azufre(10%) y carbon (15%) . Presentándose siempre granulada y frafitada, con dimensiones que oscilan entre 0.1 mm y 4mm y envasada generalmente en bolsas de 1. 2.5, 5 kg.
La velocidad de combustión depende de la densidad de la pólvora y condiciones de confinamiento, y es siempre inferior a los 2000m/s, por lo que obviamente es un explosivo deflagrante.
La potencia que desarrolla con respecto a la goma pura es del orden del 28%, y la energía especifica de 23.800 kgm/kg, con una temperatura máxima de unos 200c. La resistencia al aguan es muy mala.
Hoy en día, la utilización de la pólvora se ha reducido a la extancion de bloques de roca ornamental y a la arranque de materiales muy elastoplasticos como los yesos, que rompen mejor bajo el efecto continuado de los gases que por una tensión puntual instantánea. Se trata pues de aprovechar el gran empuje de los gases más que el efecto rompedor que es bajo.

EXPLOSIVOS DE DOS COMPONENTES.

Los explosivos de dos componente, también llamados explosivos binarios, están constituidos por dos sustancias que individualmente pueden clasificarse como no explosivas.
Cuando se transportan o almacenan separadamente, normalmente, no están reguladas como si fueran explosivos, aunque si deben ser protegidas de los robos.
El explosivo binario más común es una mezcla de nitrato amoniaco pulverizado y nitrometana, aunque también se han utilizados otros combustibles de cohetes. Los dos componentes se suelen transportan al área de trabajo en recipientes separados, y a continuación el combustible liquido es vertido en el recipiente de nitrato amonico. Después de un tiempo de espera predeterminado la mezcla se vuelve sensible al detonador y ya esta lista para su uso.
Los explosivos binarios se utilizan cuando se requieren pequeñas cantidades de explosivos, como sucede en obras especiales de cimentaciones, nivelaciones, zanjas de cables.etc.
Cuando los insumos son elevados, el mayor precio y el inconveniente de tener que preparar las mezclas en el lugar de trabajo les hacen poco atractivos frente a los explosivos convencionales.

 


 

EXPLOSIVOS COMERCIALIZADOS EN ESPAÑA



En las tablas, se resumen las características técnicas principales de los explosivos comerciales en España por la UEE, S.A.
Como puede observarse existe siete familias de explosivos:ANFO, hidrogeles, emulsiones, ANFOS pesados, gelatinosos, pulverulentos y de seguridad.
Además de indicarse los campos de aplicación de los distintos tipos de explosivos, se dan los valores característicos de diferentes propiedades.
La potencia relativa, expresada en tanto por ciento, se refiere a la gona pura, que se toma como explosivo patrón asignándole el valor 100. Las pruebas realizadas para medir la energía disponible para producir los efectos mecánicos son las del bloque de plomo (Traulz) y mortero balística.
La densidad de encartuchado es una característica muy interesante de los explosivos, que dependen en gran parte de la granulometría de los componentes sólidos y tipo de materias primas empleadas en su fabricación.
La velocidad de detonación señalada corresponde a ensayos realizados con cartuchos de 26 mm de diámetro, cebados con un detonador del numero 8.
Finalmente, se indica el calor de explosión y la resistencia al agua. Esta ultima refleja el comportamiento de los explosivos ante la humedad y depende de su composición. A medida que aumente la proporción de sales oxidadotes disminuye la resistencia al agua, especialmente en el caso del nitrato amonico, por ser muy higroscopico. Por el contrario, las gomas y los higrogeles son los explosivos que mejor se comportan en ambientes húmedos o bajo agua.








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