Brenngase beim autogenen Brennschneiden?

Autogenbrenner beim Zuschnitt
Autogenbrenner mit Propan als Heizgas und Sauerstoff als Schneidgas

Für das autoge Brennschneiden benötigt man zwei Gasarten, die wir im folgenden Brenngase nennen: Das Heizgas und das Schneidgas, zu deren Funktionen wir weiter unten kommen. Häufig treffen wir auf die Aussage "wir schneiden mit Propan" oder "wir schneiden mit Acetylen". Doch diese Aussage ist so nicht ganz richtig. Denn geschnitten wird beim autogenen Brennschneiden immer mit dem Brenngas Sauerstoff. Eine Verbrennung erfolgt chemisch in der Regel durch die Zugabe von Sauerstoff.

Die Aufgabe des Heizgases besteht im Vorwärmen des zu schneidenden Materials auf die erforderliche Zündtemperatur oder für den Einsatz einer Heizdusche für das Vorwärmen oder Nachglühen des Schneidgutes. Heizgase verrichten eine andere Aufgabe als das Schneidgas Sauerstoff. Der eigentliche Schneidprozess wird beim Autogenschneiden durch Sauerstoff ausgeführt und dies bereits seit mehr als 100 Jahren. Heizgase sind jedoch erforderlich, um den autogenen Schneidprozess kontinuierlich aufrecht zu erhalten. Durch parasitäre Abflüsse der Energie im Schnittspalt während des Zuschnitts in den Brennschneidtisch und in die Atmosphäre würde der Schneidprozess stoppen, daher ist es erforderlich, Heizgas dem Schnitt hinzu zu fügen, um so den Schneidprozess kontinuierlich in Gang zu halten. Unter Laborbedingungen würde nach erfolgter Zündung der Brennzuschnitt allein durch Hinzuführung von reinem Sauerstoff in Gang gehalten werden, theoretisch. In der Praxis muss jedoch ein wenig Heizgas zum Schneidsauerstoffstrahl hinzugefügt werden.

Bei der Wahl des Brenngases ist die Flammenleistung von Bedeutung. Die Heizwerte der Gase sind für das Brennschneiden weniger ausschlaggebend, weil nicht der Wärmeinhalt einer Flamme, sondern der Wärmeübergang auf das Werkstück Maßstab für die Wirkung und die Effizienz einer Flamme ist.

Gemäß unserer Erfahrung, treffen wir oft als Heizgas Propan an. Propan ist preiswerter als Acetylen, leicht verfügbar und einfach im Umgang und Gebrauch. Als weiterer Vorteil gilt in der Branche die geringere Rückschlaggefahr beim Propan, die den Brenner und das Gasequipment schont.

Arten von Brenngasen beim autogenen Brennschneiden

Die maximale Flammtemperatur sowie die Zündgeschwindigkeit bestimmen vor allem die Leistung einer Flamme.

Man unterscheidet das Schneidgas Sauerstoff (Druckluft ist bedingt auch möglich!) und das Heizgas Propan, Methan/Erdgas, Acetylen, sowie diverse Spezialgase.

Häufig anzutreffende Brenngase sind:

  • Propan
  • Acetlyn
  • Erdgas
  • Spezialgase verschiedener Hersteller

Aufgaben des Schneidsauerstoffs beim Brennschneiden

Der Schneidsauerstoffstrahl stellt zum einen den für die Verbrennung erforderlichen Sauerstoff bereit und zum anderen bläst der Sauerstoff die im Schnitt anfallende Schlacke aus der Schnittfuge.

Düsenarten für den Schneidbrenner

Man unterscheidet:

  • Standard-Düsen bis 6 bar Schneidsauerstoffdruck,
  • Schnellschneid-Düsen bis ca. 8-11 bar und
  • Hochleistungs-Düsen bis ca. 20 bar Schneidsauerstoffdruck.

Erfahrungen mit dem Brenngas Acetylen

Mit Acetylen lassen sich dünnere Bleche schneiden. Beim von uns veranstaltetem Cutting Award® 2018 hatten wir den teilnehmenden Auszubildenden die Aufgabe gestellt, ein 3 mm dünnes Blech aus Baustahl S235, mit möglichst kleinen Löchern und Konturen zu schneiden. Die dabei gestellte Aufgabe war für das autogene Brennschneiden so nicht lösbar, sondern es sollte ein Optimierungsprozess bei den Teilnehmern angestoßen werden, in dem die Teilnehmer an ihre Grenzen geführt wurden, um das bestmögliche Ergebnis zu erreichen versuchen. Dabei wurden keine einengenden Vorgaben von uns erstellt, jeder Azubi hatte die Möglichkeit selber zu experimentieren. Das beste Ergebnis konnte hingegen erzielt werden, wenn Acetylen als Heizgas und die entsprechenden Düsen eingesetzt wurden. Mit Propan und der damit verbundenen längeren Vorheizzeit, der etwas langsameren Schnittgeschwindigkeit wurde das Blech eine längere Zeit der Hitze ausgesetzt und deformierte sich aufgrund der thermischen Einflüsse so stark, dass es kaum noch schneidbar war. Acetylen hat hier seine Stärken ausgespielt und kürzere Lochstechzeiten erlaubt und somit weniger Hitze in das Material eingebracht und damit weniger Verzug. Siehe hierzu auch unseren Beitrag: "Schneiden von 3 mm Blech"

Eigenschaften Acetylen

Vorteile:

Acetylen besitzt die höchste Flammentemperatur und Zündgeschwindigkeit. Werden andere Gase eingesetzt, so ändern sich nicht nur die erforderlichen Brenner und Düsen, Schläuche und Druckminderer sondern auch die benötigte Gasmenge und die Gasdrücke.

Mit Acetylen als Heizgas erfolgt das Aufheizen des Blechs sehr schnell, während das Aufheizen mit Propan oder Erdgas bis zur doppelten, auch bis zur dreifachen Zeit kosten kann. Dieser Nachteil kann jedoch durch mehr Druck- und Durchfluss-Erhöhung des Propangases kompensiert werden, so dass, wenn die Gassteuerung dies zulässt der Unterschied der Aufheizzeiten geringer ausfällt, wenngleich die Leistung des Acetylens nicht erreicht wird. 

Beispiel: Aufheizzeit für ein Blech 40mm dick: Acetylen: 25 sek. Propan: 40 sek. mit schnellem Vorheizen

Dagegen Plasma: 1 sek.

Nachteile:

Kosten: Acetylen kostet ein mehrfaches von Propan- oder Erdgas.

Sicherheit: Durch seine besondere Reaktionsfreudigkeit gilt Acetylen als gefährlich und erfordert höhere Anforderungen an die Gasleitungen, Brenner, Ventile. Rückschläge in den Brennern sind häufiger und leichter möglich, als bei trägeren Gasarten. Rückschläge können dazu führen, dass Brennerinnenteile, Brennerkörper, Gasleitungen, Ventile beschädigt werden. In jedem Fall ist nach einem Rückschlag das Rückschlagsicherheitsventil auszutauschen.

Heizgase für das Brennschneiden

Acetylen, Propan, Erdgas sind die meist genutzten Gassorten, wobei der Heizprozeß mit Acetylen am schnellsten abläuft. Das Aufheizen von z.B. 20mm Stahl kann 30 bis 40 Sek. dauern. Durch spezielle Hochdruckverfahren versuchen die Maschinenhersteller die Aufheizzeit zu verringern, so dass auch preiswertere Gase, wie Propan nahe an die kurzen Zeiten des Acetylens heran kommen. Hat das Material die richtige Temperatur erreicht, was der Bediener anhand der Oberflächenfarbe abschätzt, so öffnet der Bediener den Schneidsauerstoff.

Sobald dieser hinzukommt, beginnt der Verbrennungsprozess ruckartig, die heisse Schlacke wird in einem Funkenregen aus dem Lochstechpunkt heraus geworfen.

Moderne Maschinen arbeiten mit digital geregelten Proportionalventilen, bei denen das Gas nicht schlagartig hinzugegeben wird, sondern der Gasdruck sich langsam aufbauen kann, so dass keine großen Rückspritzer entstehen. Dies schont nicht nur die Umgebung und den Bediener sondern auch die Lebensdauer der Düse.

Der sich nun beim Einstechen gebildete Schlackenrand ist gleichzeitig ein Hindernis auf dem Konturschnitt. Je nach Lage des Schlackehaufens, kann es vorkommen, dass der Brenner darüber fahren muss, was häufig zum Flammenabriß und damit zur Unterbrechung des Schneidprozesses führt. Deshalb haben sich viele Bediener Hilfswerkzeug gebaut, z.B. einen langen Metallschaber, mit dem sie während des Schneidens die heißen Schlackehaufen auf dem Blech wegschaben können.

 

 

 

Zur weiteren Tätigkeit des Brennschneiders gehört die Einstellung der Geschwindigkeit und der Höhe. Die Geschwindigkeit entnimmt er den Schneidtabellen seines Düsenlieferanten.

Die Höhe kann er bei vielen Anlagen nur abschätzen.

Aktuelle Maschinentechnik liefert jedoch automatische Abtastsysteme, die nach dem kapazitiven Verfahren arbeiten. Ein Abtastring aus Stahl und eine passende Auswerteelektronik dient als Sensor und steuert so den Support-Antrieb des Brennerwagens. Die Abtastringe verbrennen leicht beim Lochstechen unter dem Einfluss der Hitze, daher nehmen viele Bediener ab ca. 50, 70 mm Blechdicke die Ringe vorsichtshalber ab.

Zumal ab 70 mm die Gefahr des Materialverwerfens durch Thermik gering ist. Manche Hersteller besitzen automatische Lochstechvorrichtungen, die je nach Modell bis zu 140 mm und manche bereits bis 200 mm Materialdicke automatisch Lochstechen können.

Neueste Autogenbrenner besitzen integrierte Zündungen, integrierte Höhenregelungen die entweder kapazitiv oder magnetisch arbeiten und Schlackehaufen überfahren können.
Manche Maschinenhersteller entwickeln hochautomatisierte Schneidbrenner, die zum Teil mit Flammenüberwachung, einer verbesserten Höhenregelung oder einen werkzeuglosen Verschleißteilewechsel erlauben. Auch die Brennersupporte werden schneller und über die CNC-Steuerung analog oder digital angesteuert, was kürzere Zustellzeiten und mehr Dynamik erlaubt.

Die neuste Technik finden Sie im Bereich der Industrie 4.0-Anwendungen.

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