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Brenngas zum Schweißen, Schneiden, Löten und für ähnliche Verwendungszwecke
Mit der Verbreitung der Zerlegung der Koksofengase durch Kompression und Tiefkühlung,
wobei einerseits Wasserstoff bzw. Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch und andererseits
:Methan in großen Mengen gewonnen wird, hat sich die Notwendigkeit herausgestellt,
für das Methan Absatz und Verwendungsmöglichkeiten zu finden, ist doch Methan in
Mengen von etwa 25°f, in den Koksofengasen enthalten, Man sollte meinen, daß angesichts
des hohen Heizwertes des hierbei abfallenden rohen Methangases, das im ,großen Durchschnitt
aus folgenden Bestandteilen sich zusammensetzt,
| etwa 92 °!o Methan zu 9 500 WE lcbm - 8 650 WE |
| - |
| i °@o Äthan - 14000 - = 140 |
| °%o Äthylen - 14000 - = 48o - |
| x °/o Wasserstoff - 3000 - - 30 - |
| x °@%o Kohlenoxyd - 3000 - = so - |
| 3 /o Stickstoff - - - - - - |
| Heizwert je cbm Rohmethan.... 9 130 WE |
dieses Gas ohne weiteres als Brenngas für Autogenarbeiten u. dgl. sich verwenden
ließe.
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Überraschenderweise hat es sich herausgestellt, daß dies nicht der
Fall ist. Nicht einmal Blei läßt sich bei Verwendung von Methan-Sauerstoff-Gemischen
in befriedigender Weise löten. Auf Grund sehr langer diesbezüglicher Versuche und
Beobachtungen sind die Erfinder zu der Ansicht gelangt, daß diese unbefriedigenden
Ergebnisse auf die sehr geringe Verbrennungsgeschwindigkeit des Methans zurückzuführen
ist. Diese geringe Verbrennungsgeschwindigkeit wirkt sich ungünstig in zwei Richtungen
aus. Einerseits ist man in der Formgebung der Flamme eingeschränkt, denn sobald
man die Ausflußgeschwindigkeit :1es Methans aus der Brennerdüse über ein gewisses
Maß erhöht, wird die Flamme ausgeblasen, an Stelle verstärkt zu werden, andererseits
bewirkt die verhältnismäßig langsame Verbrennung des Methans, daß die dem Werkstück
zugeführte Wärme, statt an einer Stelle konzentriert zu werden, durch das metallene
Werkstück in viel zu starkem Male abgeleitet wird.
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Nachdem sie nun diese Zusammenhänge erkannt haben, suchten die Erfinder
sich von der herkömmlichen Ansicht über die ausschlaggebende Bedeutung eines möglichst
hohen Heizwertes freizumachen und vielmehr nach der Erhöhung der Verbrennungsgeschwindigkeit
des Methans zu streben, selbst wenn dabei der Heizwert des Brenngases zurückgehen
sollte. Aus derartigen
Erwägungen heraus verfielen die Erfinder
darauf, Gemische von dem sehr heizkräftigen Methan, das jedoch nur geringe Verbrennungsgeschwindigkeit
aufweist, mit dem verhältnismäßig wenig heizkräftigen Wasserstoff, der jedoch etwa
zehnfache Verbrennungsgeschwindigkeit gegenüber dem Methan hat, herzustellen. Wie
aus den weiter mitgeteilten Tabellen mit den Versuchsergebnissen hervorgeht, hat
es sich herausgestellt, daß durch Zumischung von Wasserstoff zu Methan dieses nicht
nur für die Autogenzwecke überhaupt verwendbar wird, sondern daß erst hierdurch
auch sein hoher Heizwert zur Auswirkung gelangt, denn es hat sich herausgestellt,
daß z. B. beim Löten von Blei unter Benutzung eines Gemisches, bestehend aus ungefähr
hälftigem Gemisch von Rohmethan obiger Zusammensetzung und von Wasserstoff, mit
einem ungefähren Heizwert von etwas über 6ooo WE pro cbm Gasgemisch, man eine Ersparnis
von 48°/o an Brenngas und von 9°/o an Arbeitsdauer im Vergleich zur Benutzung von
reinem Wasserstoff erzielt:
| Stärke Art der Art des Brenngas- Sauerstoff |
| Zeitaufwand Ersparnis An |
| des Bleies Naht Brenngases menge menge anBrenngas Arbeitszeit |
| mm Liter Liter Sekunden % % |
| 1 2 3 4 5 6 ? 8 |
| 2 horizontal H2 zr,z 2,7 185 |
| 2 - CH4 + H2 6,2 2,7 163 44 12 |
| 3 vertikal H2 I5 ,I @3,8 755 |
| 3 - CH4 + H2 8,9 3,6 68o 34 =o |
| 5 vertikal H2 z9,8 5,8 700 |
| 5 - CH4 -f- H2 1o,6 5,1 640 46 8 |
| 7 horizontal H2 84,0 14,5 380 |
| 7 - CH4 + H2 40,5 1 5,2 38o 56 - |
| 7 vertikal H2 67 I= 168o |
| 7 - CH4 -[- H2 3 6 1 2 1 6o o 46 4 |
| 2,0 horizontal H2 212 20,4 82o |
| 10 - CH4 + H2 82,5 38,5 66o 61 20 |
| Im Durchschnitt.... 48 9 |
Auch bei solchen Arbeiten, welche mit jedem der einzelnen Gase sich gut ausführen
lassen, z. B. bei dem Autogenschneiden von Eisen und Stahl, hat es sich herausgestellt,
daß bei Benutzung von Gemischen die Arbeit beschleunigt und verbilligt wird, wie
aus den folgenden Vergleichsversuchen zu ersehen ist.
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Beim autogenen Schneiden eines 25 mm starken Eisenbleches mittels
Methan-Sauerstoff-Flamme unter Benutzung eines gewöhnlichen Wasserstoffschneidapparates
dauerte das Anwärmen des Bleches, bis mit dem Schneiden begonnen werden konnte,
16 Sekunden, wobei 81 Methan von 9,2 WE (also 73,6 WE) und 17,5 1 Sauerstoff
verbraucht wurden. Andererseits betrug der Verbrauch an Wasserstoff, bei gleich
schnellem Arbeiten mit demselben Schneidbrenner 291 von 2,9 WE (also 84 WE) bei
einem Sauerstoffverbrauch von 21 1.
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Dann wurde eine Flasche Methan mit 920f,> CH, und eine gleichartige
Flasche mit Wasserstoff (mit 95°/o Hz) an das gleiche Reduzierventil angeschlossen;
das resultierende Gasgemisch bestand laut Analyse aus 46°/0 Methan und 47°/o Wasserstoff;
11 solchen Gasgemisches weist einen Heizwert von 5,65 WE auf. Bei Anwendung des
gleichen Schneidbrenners brauchte das Blech mit diesem Gasgemisch nur 13 Sekunden
angewärmt zu- werden, bis mit dem Schneiden begonnen werden konnte, und der Gasverbrauch
betrug to 1, entsprechend 56,5 WE sowie i21 Sauerstoff.
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Durch das anscheinend ganz unzweck-:näßige Herunterdrücken des Heizwertes
des ursprünglich gebrauchten Methans von 92oo WE/cbm durch »Verdünnen« mittels Wasserstoff
auf den Heizwert des Gasgemisches von 565o WE/cbm wurden mithin folgende Vorteile
erzielt: Die Arbeitsdauer wurde von 16 auf 13 Einheiten, also um mehr als 18°/o,
verkürzt. Zur Erzielung der gleichen Wirkung wur-Jen statt der- bei Methan allein
benötigten 73,6 WE nur 56,5 WE verausgabt, mithin eine Ersparnis von 22,°1o an Wärmeeinheiten
und gegenüber der reinen Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme eine Ersparnis von sogar
33°/o an Wärmeeinheiten erreicht.
Der Verbrauch an Sauerstoff ging
von 1-7,5 1 auf 12 1 zurück; er verringerte sich mithin um mehr als 30°/o im Vergleich
zur Methan-Sauerstoff-Flamme und sogar um 42°(0 im Vergleich zur Wasserstoff-Sauerstoff-Flamme.
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Besonders lehrreich «-ar eine lange Versuchsreihe, bei welcher eine
große Anzahl ig mm starken Eisenbleche einerseits A. mittels Wasserstoff, andererseits
B. mittels eines Gemisches, bestehend aus 7304 Wasserstoff und 27°/o Rohmethan,
und schließlich C. mittels eines Gemisches, bestehend aus 37°/o Rohmethan und 63°/o
Wasserstoff, geschnitten wurden.
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Trotzdem auch in diesem Falle wie auch bei den bereits berichteten
Versuchsreihen die Autogenarbeiter bis dahin nur auf das Arbeiten mit der Wasserstoffflamme
eingeübt waren, erhielt man im Durchschnitt folgende Endergebnisse:
| Verbrauch 1e laufendes Meter Insgesamt |
| Brenngas Sauerstoff Brenngas und |
| Schnittlänge Sauerstoff |
| Liter Liter Liter |
| A. Bei Benutzung von Wasserstoff allein (300o WElcbm)
125 297 422 |
| B. Bei Benutzung eines Gemisches von |
| 27 °/o Rohmethan 66o WE: cbm . . . . . . . . 67,2 2266,4
333,6 |
| 73 °/o Wasserstoff (4 ) @4 333 # |
| C. Bei Benutzung eines Gemisches von |
| 37 °/o Rohmethan |
| 1 (5270 ) 4 747 3I62 |
| 63 °/o Wasserstoff WE/cbm . . . . . . . . =,5 2 |
Hieraus ergibt sich bei Benutzung des Gemisches B eine Ersparnis an Brenngas (gegenüber
Wasserstoff allein) von 46°/o und bei Benutzung des Gemisches C eine Ersparnis sogar
von 67°/o gegenüber Wasserstoff. Daneben tritt noch eine gewisse Ersparnis an Sauerstoff
ein, etwa io°%o, und eine zehnprozentige Ersparnis an Arbeitszeit.
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Durch den hier angegebenen Weg der Zu-,ammemnischung von Methan mit
seinem höheren Heizwert, aber geringer Verbrennungsgeschwindigkeit mit Wasserstoff
mit seinem ganz niedrigen Heiz-,vert, aber sehr hoher Verbrennungsgeschwindigkeit
erhält man die Möglichkeit, das jeweils zu benutzende Brenngasgemisch den besonderen
Eigenschaften der zu verarbeitenden Metalle, insbesondere ihrer Oxydierbarkeit,
Flüchtigkeit. Verdampfungsfähigkeit (was namentlich hei Legierung Messing, Rotguß
u. dgl., aus welchen bei unsachgemäßer Behandlung die leichtflüchtigsten Bestandteile
entweichen, von Bedeutung ist), Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärme, mitunter
auch der absoluten Blechstärke usw., anzupassen.
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Das zu benutzende Brenngasgemisch gewünschter Zusammensetzung kann
entweder fertig bezogen werden, oder aber es kann an Ort und Stelle unmittelbar
am Reduzierv entil hergestellt werden, indem dieses letztere gleichzeitig an Behälter
mit komprimiertem :Methan und an Stahlflaschen mit Wasserstoff angeschlossen wird,
wobei die Regulierung der Mengen für jedes dieser Gase durch Spezialvorrichtungen
sich leicht und zuversichtlich bewerkstelligen läßt.
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Gegenüber dem gegenwärtigen Zustande, bei welchem die Eigenschaften
der Flamme ausschließlich und allein durch Regulierung des Arbeits- bzw. Ausströmungsdruckes
am Reduzierventil geändert werden können, bedeuten die hier beschriebenen Möglichkeiten,
daneben noch sowohl den Heizwert wie die Verbrennungsgeschwindigkeit des Brenngases
den jeweiligen Eigenschaften des Werkstückes anzupassen, einen sehr erheblichen
Fortschritt.
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Dadurch, daß die Mischung der Brenngase auch an Ort und Stelle der
Verwendung vorgenommen werden kann, läßt sich oft eine erliebliche Verringerung
der Gestehungskosten des benutzten Brenngasgemisches erzielen, indem der Verbraucher
die einzelnen zu mischenden Gase einzeln von den jeweils für das betreffende Gas
günstigst gelegenen Bezugsquellen kommen läßt. Dies ist bei in Stahlflaschen komprimierten
Gasen von recht erheblicher Bedeutung, weil ihre Gestehungskosten am Orte des Gebrauches
sich zu wesentlichem Teile aus Frachtkosten für die im Vergleich zum Gasgewicht
zwanzigmal so schweren Stahlflaschen zusammensetzen.
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Man hat zwar bereits wiederholt vorgeschlagen, künstliche Gemische
von Brenngasen für Autogenzwecke zu benutzen. Hierbei ist man jedoch stets von der
zwar verbreiteten, aber doch recht irrigen Meinung ausgegangen, daß für den Erfolg
der Autogenarbeit,
wo es im allgemeinen auf eine m6glichst hohe
Temperatur ankommt, allein der Heizwert der benutzten Brenngase maßgebend ist. Aus
diesem Grunde schlug man z. B. vor, dem Wasserstoff, der 300o WE (oberer Heizwert)
aufweist, andere Gasarten von viel höherem Heizwert, wie Äthylen, Äthan, Propan
usw., für sich oder mit etwas Methan vermengt, beizumischen, ohne daß solche Vorschläge
irgendwelche Bedeutung bis jetzt erlangt haben. Denn aus dem Heizwert einer Gasart
läßt sich wohl schließen, wie viele Wärmeeinheiten bei der Verbrennung entwickelt
werden können, nicht aber welche höchste Hitzewirkung sich hierbei erzielen läßt.
So weist das benutzte Rohmethan einen Heizwert von etwa 915o WE pro cbm, mithin
mehr als dreimal so viel wie der Wasserstoff auf. Mit Wasserstoff läßt sich nur
Kupfer, sondern auch Eisen gut schweißen. Bei Methan hingegen gelingt das Schweißen
nur bei dünnem Kupfer- und Aluminiumblechen und versagt bei manchen Metallen, wie
bei Blei z. B., gänzlich. Den Grund hierfür erkannten die Erfinder, wie erwähnt,
in der großen Bedeutung der Verbrennungsgeschwindigkeit der Brenngase bzw. der Fortpflanzungsgeschwindigkeit
der Flamme für das Zustandekommen der Schweißung oder des Schnittes, und so gingen
sie zu der anscheinend ganz irrationellen Maßnahme über, das hoch heizwertige Methan
mit dem niedrig heizwertigen Wasserstoff zu »verdünnen« und so ein Gasgemisch von
erheblich niedrigerem Heizwert als das ursprüngliche Methan zu erhalten. Es handelt
sich hier um eine Maßnahme, die den geradezu entgegengesetzten Weg im Vergleich
zu demjenigen der bisherigen Vorschläge bedeutet und die ganz außerhalb des Gedankenkreises
ihrer Urheber liegt. Das Schwergewicht liegt hierbei natürlich nicht im »Verdünnen«.
Denn wenn man z. B. das Methan statt mit Wasserstoff mit Kohlenoxyd »verdünnen«
würde, würde jegliche Verbesserung der Methanflamme ausbleiben, trotzdem Kohlenoxyd
einen ungefähr gleich großen oder sogar etwas höheren Heizwert als Wasserstoff hat.
Da aber die Verbrennungsgeschwindigkeit des Kohlenoxyds nur gleich groß wie diejenige
des Methans ist, wird durch die Zumischung des Kohlenoxyds nichts erreicht. Man
könnte nun der Ansicht sein, daß bei der Bedeutung der Verbrennungsgeschwindigkeit
man um so bessere Ergebnisse erzielen würde, je höher die Verbrennungsgeschwindigkeit
des Brenngases ist, selbst wenn der Heizwert nur gering ist. Dem ist jedoch nicht
so. Man kann die beim Arbeiten mit reinem Wasserstoff sich abspielenden Vorgänge
so deuten, daß die Verbrennungsgeschwindigkeit des reinen Wasserstoffs in vielen
Fällen zu groß ist im Verhältnis zu den hier in Betracht kommenden Eigenschaften
des bearbeiteten Werkstückes und dieses daher nicht die ganze ihm zugeführte Wärme
rechtzeitig aufnehmen kann, was zur Folge hat, daß ein Teil des Wasserstoffs nutzlos
verbrennt.
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Die oben mitgeteilten Versuche, insbesondere die Parallelversuche
A, B und C beim Schneiden von Eisen mit A reinem Wasserstoff (300o WE/cbm), mit
B Methan-Wasserstoff von 466o WE/cbm und mit C Methan-Wasserstoff von 527o WE zeigen
j edoch, daß auch der Heizwert bei ausreichender Verbrennungsgeschwindigkeit von
Bedeutung ist und wie wichtig es ist, daß die beiden Faktoren, Verbrennungsgeschwindigkeit
und Heizwert, gegeneinander und wo möglich auch gegenüber den besonderen Eigenschaften
des Werkstückes abgestimmt werden.
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Man könnte schließlich der Ansicht sein, daß die so hergestellten
Methan-Wasserstoff-Gemische in ihrer Autogenwirkung ungefähr dem gewöhnlichen Leuchtgas,
das an die 5o°0 Wasserstoff und gegen 25°1o Methan enthält, entsprechen. Es hat
sich jedoch herausgestellt, daß die künstlich angestellten Wasserstoff-Methan-Gemische
dem Leuchtgas ganz erheblich überlegen und auch sonst vorzuziehen sind, weil einerseits
das Leuchtgas stets mit etwa 15°/o Stickstoff und Kohlenoxyd beladen ist, welche
einen bedeutenden Ballast für die Flamme bedeuten, und andererseits das Leuchtgas
stets reich an Kohlenoxvd ist, welchem gegenüber .die Autogenarbeiter besonders
empfindlich sind.
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Ferner ist zu berücksichtigen, daß das Leuchtgas stets schwefelhaltig
ist und gewisse Teerbestandteile, wenn auch fein ver. teilt, mitführt, wodurch einerseits
das Werkstück durch Schwefelaufnahme gefährdet und andererseits die sehr feinen
Düsen des Redu. zierventils und der Brenner leicht versetzt werden. Zu alledem gesellt
sich der Umstand hinzu, daß Leuchtgas von dem Verbraucher als ein Brenngas von einer
ganz bestimmten, für ihn unabänderlichen Eigenschaft hingenomnienwerden muß. Aus
allen diesen Gründen ,ist die Anwendung von Leuchtgas für die Anlagenzwecke bis
jetzt nur sehr beschränkt geblieben.
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Durch die hier beschriebene Erfindung wird neben einer erheblichen
Ersparnis bei der Autogenarbeit eine wesentliche Vervoll. komxnnurig derselben erzielt,
Ida der Betrieb viel elastischer und gegenüber den häufig wechselnden Ansprüchen
anpassungsfähiger wird. Andererseits gelingt es dank derselben, das bei der Zerlegung
der Koksofengase abfallende Methan- nutzbringend zu verwerten, wodurch die Wirtschaftlichkeit
der
Koksofengaszerlegung gesteigert wird. Dies ist von so größerer
allgemeiner Bedeutung, als hierdurch die Erträgnisse des Steinkohlenbergbaues gesteigert
und die Herstellungskosten der Stickstoffdinger vermittels des Wasserstoffs der
Koksofengase verringert werden.