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BALANCE DE OXIGENO

ÍNDICE:

I.

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………..………. 3

II.

OBJETIVOS……………………………………………………………………………………………..……. 4

III.

DEFINICIÓN DEL EXPLOSIVO…………………………………………………………………..……. 5

IV.

COMPONENTES DEL EXPLOSIVO…………………………………………………………………… 5

V.

CALORES PRODUCIDOS POR DIFERENTES COMPUESTOS QUÍMICOS…………….. 6

VI.

TERMOQUÍMICA DE LOS EXPLOSIVOS…………………………………………………………… 7

VII.

BALANCE DE OXIGENO………………………………………………………………………………….. 9

VIII.

CÁLCULO DEL BALANCE DE OXIGENO…………………………………………………………… 11

IX.

BALANCEO DE EXPLOSIVOS………………………………………………………………………….. 12

X.

IDENTIFICACIÓN DE PROBLEMAS CON MEZCLAS………………………………………….. 15

XI.

BALANCE DE OXIGENO DE ALGUNOS EXPLOSIVOS……………………………………….. 16

XII.

CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………. 18

XIII.

BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………………………….. 19

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I.

INTRODUCCIÓN:

Los sistemas para explosivos están presentes en los trabajos de minería, tanto es así, que su uso lo hace muy peligroso si no se manipulan de acuerdo a las normas establecidas su mal uso ha 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. Como ya sabemos el objetivo esencial de la utilización de un explosivo en el arranque de rocas, consiste en disponer de una energía concentrada químicamente, situada en el lugar apropiado y en cantidad suficiente, de forma que liberada de un modo controlado, en tiempo y espacio, pueda lograr la fragmentación del material rocoso. El presente informe, elaborado por alumnos del curso de VOLADURA DE ROCAS, reúne los conocimientos básicos más importantes sobre un tema poco profundizado dentro de la termoquímica y procesos de detonación de explosivos, fundamentalmente acerca del BALANCE DE OXIGENO. Sus contenidos están destinados a personas que vean de este proyecto, una base para conocer más a fondo este tema. Es por esto, que del presente informe pretende dar una enseñanza acerca de este tema, que para nuestra carrera representan conocimientos útiles y que muy seguramente serán puestos en práctica en el ejercicio de nuestra profesión.

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II.

OBJETIVOS

-

Identificar y conocer los diferentes componentes que comprenden a un explosivo.

-

Ampliar nuestros conocimientos acerca del explosivo, como se forma y los productos o fuerzas que generan.

-

Extender nuestros conocimientos, acerca del balance de oxígeno en explosivos.

-

Describir de manera practica el comportamiento de los explosivos desde el punto de vista fisicoquímico, ya que en la detonación del explosivo libera energía.

-

Identificar y clasificar los explosivos a partir de su balance de oxígeno.

-

Saber comprender e interpretar el Balance de Oxígeno para los diferentes explosivos comerciales.

-

Tener un conocimiento amplio y general acerca de la termoquímica de los explosivos, y sus parámetros más importantes.

-

Conocer el Balance de Oxígeno de los diferentes y principales explosivos comerciales.

-

Reconocer e identificación los diversos problemas que ocurren con mezclas en explosivas, tomando en cuenta principalmente el Balance de Oxígeno como referencia.

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III.

DEFINICIÓN 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 oxígeno 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. IV.

COMPONENTES DE LOS EXPLOSIVOS

INGREDIENTE NITROGLICERINA NITROCELULOSA TRINITOTOLUENO (TNT) NITRATO DE AMONIO NITRATO DE SODIO DIESEL PULPA DE MADERA CARBÓN POLVO DE ALUMINIO CARBONATO DE CALCIO ÓXIDO DE ZINC CLORURO DE SODIO

FORMULA QUIMICA C3H5O9N3 C6H7O11N3 C7H5O6N3 H4O3N2 NaNO3 CH2 C6H10O5 C Al CaCO3 ZnO NaCl

FUNCIÓN BASE EXPLOSIVA BASE EXPLOSIVA BASE EXPLOSIVA PORTADOR DE OXIGENO PORTADOR DE OXIGENO COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE COMBUSTIBLE SENSIBILIZADOR ANTIÁCIDO ANTIÁCIDO 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.

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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 V.

CALORES PRODUCIDOS POR DIFERENTES COMPUESTO QUÍMICOS

COMPUESTO

FÓRMULA

PESO MOLECULAR

QP O (KCAL/MOL)

Diésel

CH2

14,0

-7

Nitrometano

CH3O2N

61,0

- 21,3

Nitroglicerina

C3H5O9N3

22,1

-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

H2Ox

18,0

-57,8

Nitrato de Amonio

NH4NO3

80,1

-87,3

QR

5

Aluminio

Al

27,0

0,0

Carbono

C

12,0

0,0

Nitrógeno

N

14,0

0,0

Monóxido nitrógeno

de

NO

30,0

+ 21,6

Bióxido nitrógeno

de

NO2

46,0

+ 8,1

El signo (-) indica una reacción exotérmica o liberación de energía. El signo (+) indica que es una reacción endergónica o que absorbe energía del ambiente o requiere que se entregue energía para que la reacción tenga lugar.

VI.

TERMOQUÍMICA DE LOS EXPLOSIVOS

La termoquímica de los explosivos se refiere a los cambios de energía interna, principalmente en forma de calor. La energía almacenada en un explosivo se encuentra en forma de energía potencial, latente o estática. La energía potencial liberada a través del proceso de detonación se transforma en energía cinética o mecánica. La ley de conservación de la energía establece que en cualquier sistema aislado la cantidad total de energía es constante, aunque la forma puede cambiar: Energía Potencial + Energía Cinética = Constante Pero no toda la energía suministrada se transforma en trabajo útil ya que tienen lugar algunas pérdidas. Como vemos en el siguiente cuadro:

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Existen dos métodos alternativos que pueden usarse para calcular los cambios de energía: A) Aplicando las leyes físicas y químicas conocidas. B) Mediante el análisis de los productos finales.

Este último, resulta complejo ya que los productos que pueden analizarse de forma conveniente raramente son los que están presentes en los instantes de presión y temperatura máximas. Por esto, es frecuentemente necesario realizar unos cálculos teóricos basados en el conocimiento de las leyes químico-físicas para predecir las propiedades de los explosivos o parámetros de la detonación. Un cálculo aproximado de tales parámetros puede hacerse para aquellos explosivos con un balance de oxígeno nulo o muy ajustado, con los que en la detonación ideal sólo se produce CO2, H2O, N2 y O2 pues es posible aplicar el método de análisis termodinámico. Cuando las sustancias explosivas no tienen balance de oxígeno equilibrado, la determinación de los parámetros de detonación lleva consigo la resolución por un método iterativo de un sistema de ecuaciones no lineales. Los explosivos comerciales deben proporcionar suficiente energía remanente después de la detonación como para poder fracturar la roca, desmenuzarla, desplazar los fragmentos y apilarlos adecuadamente. Los parámetros termoquímicos más importantes de un 7

proceso de reacción son: presión, calor de explosión, balance de oxígeno, volumen de gases, temperaturas de explosión y energía disponible. VII.

BALANCE DE OXÍGENO

Salvo la NG y el NA, la mayoría de los explosivos son deficientes en oxígeno, pues no tienen oxígeno suficiente para convertir cada átomo de carbono e hidrógeno presentes en la molécula explosiva en di óxido de carbono y agua. El balance de oxígeno (OB o OB%) mide la existencia de la cantidad de oxígeno necesaria para conseguir una oxidación completa de los productos de reacción. Una sustancia, o mezcla de sustancias, con un balance de oxígeno equilibrado puede realizar la oxidación completa de forma autónoma; es decir: si se calienta en un recipiente sellado sin suministro externo de oxígeno quedan productos completamente oxidados, completamente quemados, sin restos de agente oxidante. Si queda oxígeno sin reaccionar se considera que hay un exceso de oxígeno y si quedan sustancias sin reaccionar o parcialmente oxidadas hay un defecto de oxígeno. Es una característica que se emplea bastante en explosivos. CLASIFICACIÓN DE EXPLOSIVOS SEGÚN BALANCE DE OXÍGENO (OB) El signo (-) indica una reacción exotérmica o liberación de energía El signo (+) indica que es una reacción endotérmica o que absorbe energía del ambiente o requiere que se entregue energía para que la reacción tenga lugar. Es importante destacar que los compuestos químicos utilizados en la fabricación de explosivos son aquellos que generan reacciones exotérmicas, es decir, liberan energía cuando reaccionan. Si sólo ocurren las reacciones ideales de los componentes de un explosivo (carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno), se utilizarán los átomos de oxígeno que sean necesarios, es decir, no sobra ni falta ningún átomo de oxígeno en la reacción. Así, la temperatura generada en una tronadura es mayor si al combinarse el carbono con el oxígeno se genera bióxido de carbono que si se genera monóxido de carbono, pues el bióxido es la forma en que el explosivo tiene balance de oxígeno y produce la máxima cantidad de energía. Cabe destacar que el hecho de balancear oxígeno significa que todo el oxígeno presente en los productos se consume y, por consecuencia, libera la mayor cantidad de energía.

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DIVISIÓN DE LOS EXPLOSIVOS SEGÚN EL BALANCE DE OXIGENO A) BALANCE DE OXIGENO EN EQUILIBRIO (OB NULO) Cuando el balance de oxígeno es cero el compuesto químico, o la mezcla, tiene exactamente la cantidad de oxígeno necesaria para que el contenido de carbono se convierta en dióxido de carbono y el de hidrógeno en agua. En principio, este es el estado más explosivo. En teoría, la liberación de energía es máxima.

3NH4NO3+ 1CH2 → CO2 + 7H2O + 3N2 B) BALANCE DE OXIGENO NEGATIVO (OB NEGATIVO) Si agregamos diésel en exceso a la mezcla, la reacción explosiva tendrá balance de oxígeno negativo. Esto significa que faltarán moléculas de oxígeno para combinarse totalmente con el carbono y el hidrógeno y formar los productos finales deseados, que para el caso del Anfo serían: 3N2 + 7H2O + CO2 En cambio, quedará carbono libre que se liberará en forma de monóxido de carbono.

2 NH4 NO3+ CH2  5 H2O + 2 N2 + CO C) BALANCE DE OXIGENO POSITIVO (OB POSITIVO) Si agregamos poco combustible o diésel a la mezcla, habrá oxígeno en exceso, el que puede reaccionar con el carbono y el hidrógeno. A esto se le llama reacción con balance de oxígeno positivo. En este caso, el nitrógeno reacciona formando óxidos de nitrógeno, lo que reduce la energía de la reacción.

5NH4NO3+ CH2  11H2O + O2 + 4N2 + 2NO

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VIII.

CÁLCULO DEL BALANCE DE OXÍGENO

El balance de oxígeno se calcula a partir de la fórmula empírica del explosivo el porcentaje de oxígeno requerido para convertir completamente el carbono a dióxido de carbono, hidrógeno a agua, y el metal al óxido de metal. El nitrógeno queda como gas. Y luego se compara con el oxígeno presente. El procedimiento para calcular el balance de oxígeno en términos de 100 gramos del material explosivo es determinar el número de moles de oxígeno que son exceso o deficiencia de 100 gramos de un compuesto. 𝑂𝐵% =

−1600 × (2𝑋 + (𝑌⁄2) + 𝑀 − 𝑍) 𝑝𝑒𝑠𝑜. 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟

Siendo: X = número de átomos de carbono, Y = número de átomos de hidrógeno, Z = número de átomos de oxígeno, y M = número de átomos de metal (óxido metálico producido).

Estructura del Trinitrotolueno (TNT) En el caso del TNT (C7 H5 (NO2 )3 ), siendo: El peso molecular = 227,1, X = 7 (número de átomos de carbono), Y = 5 (número de átomos de hidrógeno) y Z = 6 (número de átomos de oxígeno), se tiene:

OB% = −74% para el TNT 10

IX.

BALANCEO DE EXPLOSIVOS

Todo explosivo debe tener como resultante lo siguiente:

Oxidantes + combustibles → CO2 + H2O + N2 A) 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 pérdida de energía, pero los humos rojizos son muy densos y demoran en disiparse 10 minutos, da cabida a protestas de los ambientalistas. B) Balance de oxígeno 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.

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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, porque esta mezcla no es resistente al agua.

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.

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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. Las evidencias son muy claras cuando ocurre un balance positivo de oxígeno, se generan óxidos nitrosos, y son de un color naranja oscuro.

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X.

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.

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XI.

BALANCE DE OXÍGENO DE ALGUNOS EXPLOSIVOS

A) BALANCE DE OXIGENO NEGATIVO (OB NEGATIVO) NOMBRE

Trinitrotolueno

OB%

−73,9%

NOMBRE

OB%

Nitrocelulosa

−24,2%

Hexanitroestilbeno −67,5%

Hexógeno

−21,6%

Tetril

−47,4%

Octágono

−21,6%

Acido pícrico

−45,4%

CL-20

−11,0%

Nitro metano

−39,3%

Nitrato de metilo

−10,4%

Nitrocelulosa

−24,2%

PENT

−10,1%

B) BALANCE DE OXIGENO NULO (OB NULO) NOMBRE

OB%

Nitroglicol

0

Hexanitrobenceno

0

Octanitrocubano

0

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C) BALANCE DE OXIGENO POSITIVO (OB POSITIVO) NOMBRE

OB

NOMBRE

OB

Nitroglicerina

3,5%

Perclorato de amonio 27,2%

Hexanitrato de manitol

7,1%

Clorato de potasio

39,6%

Clorato de amonio

15,8%

Nitrato de potasio

39,6%

Nitrato de amonio

20,0% Perclorato de potasio 40,4%

Tetranitrometano

49,0%

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XII.

CONCLUSIONES Los explosivos comerciales deben proporcionar suficiente energía remanente después de la detonación como para poder fracturar la roca, desmenuzarla, desplazar los fragmentos y apilarlos adecuadamente. Los parámetros termoquímicos más importantes de un proceso de reacción son: presión, calor de explosión, BALANCE DE OXÍGENO, volumen de gases, temperaturas de explosión y energía disponible. 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 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.

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XIII.

BIBLIOGRAFÍA

1. CURSO BÁSICO DE EXPLOSIVOS Y VOLADURA. ORICA MINIG SERVICES. 2. TERMOQUÍMICA DEL ANFO, PERFORACIÓN Y VOLADURA A CIELO ABIERTO. UNMSM. 3. BALANCEO DE OXIGENO EN EXPLOSIVOS. UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS. 4. FUNCIONAMIENTO DE EXPLOSIVOS. CODELCO EDUCA. 5. BALANCE DE OXIGENO. WIKIPEDIA ORGANIZACIÓN. 6. MANUAL DE PRACTICA DE VOLADURA. EXSA. 7. BALANCE DE OXIGENO, FORMULACIÓN DE LAS MEC. DR. CARLOS AGREDA 8. ANFO. DOCUMENTO LIBRE DE LA RED. 9. MANUAL DE PERFORACIÓN Y VOLADURA. EMILIO LÓPEZ JIMENO, PILAR GARCIA BERMUDEZ Y CARLOS LÓPEZ JIMENEZ.

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