Flammstrahlen

Beim Flammstrahlen (genormt nach DIN 32539) wird die zu reinigende Oberfläche mit einer heißen Flamme, zumeist einer Acetylenflamme mit 3200 °C im Zentrum, abgeflammt. Dabei werden organische Verunreinigungen, wie Fette und Öle, verdampft bzw. verkohlt und Metalloxide zu Metall reduziert, was ihre Haftung an der Oberfläche verringert. Eine zusätzliche Reinigungswirkung ergibt sich durch das Verdampfen der unter der Schmutz- oder Rostschicht eingeschlossenen Feuchtigkeit. Durch die explosionsartige Volumenvergrößerung der Feuchtigkeit beim Übergang in die Gasphase werden die darüber liegenden Schichten regelrecht abgesprengt. Nach der thermischen Behandlung ist eine mechanische Nachbehandlung erforderlich, um die entstandenen Verbrennungsrückstände zu entfernen. Hierbei werden vornehmlich Drahtbürsten eingesetzt.

Das Flammstrahlen wird bereits seit über 50 Jahren in Industrie und Baugewerbe verwendet. Die Hauptanwendungsgebiete sind das Schälen von Beton und die Entrostung oder Phosphatierung von Stahlflächen auf Baustellen. Durchgeführt wird es meist mit speziellen Flachbrennern in Kombination mit Bürstgeräten zur anschließenden Nachbehandlung. Als Oberflächenvorbereitungsverfahren ist Flammstrahlen in DIN 55928 "Korrosionsschutz von Stahlbauten durch Beschichtungen und Überzüge" erfasst. Eine nach Güteklasse Fl flammgestrahlte Stahloberfläche entspricht dem Vorbereitungsgrad einer nach DIN 55928 Teil 4 sandgestrahlten Fläche Sa 2 ¹/₂. Die Oberflächenvorbereitung durch Flammstrahlen findet im Groß- und Schwermaschinenbau, unter anderem bei der Vorbereitung von Eisenbahnwagenuntergestellen vor der Aufbringung von Bitumenanstrichen oder der Reinigung von Brennkesseln, seine Anwendung.

Physikalischer Hintergrund

Das Flammstrahlen wirkt auf Rost und Verschmutzungen sowohl chemisch, als auch physikalisch. Durch eine entsprechende Einstellung der Brennerflamme werden Metalloxide zu Metall reduziert, was ihre Haftung an der Oberfläche mindert. Fette und organische Verunreinigungen brennen ab oder verdampfen. Durch das Verdampfen des Wassers in den Poren der Werkstückoberfläche stellt sich zusätzlich eine absprengende Wirkung auf Rostschichten und feste Anhaftungen ein. Zum Einsatz kommt beim Flammstrahlen von Stahl eine Acetylen-Sauerstoffflamme mit einer Temperatur von ca. 3200 °C. Um die entstandenen Reaktionsprodukte, wie Asche und Verbrennungsrückstände, von der Oberfläche zu entfernen, ist eine mechanische Nachbehandlung erforderlich. Dabei kommt meist das Bürsten in verschiedenen Variationen (maschinell oder manuell) zum Einsatz. Einige Hersteller von entsprechenden Anlagen bieten daher auch Brenner an, die mit einer nachfolgenden maschinell betriebenen Bürste kombiniert sind, so dass das Flammstrahlen und die mechanische Nachbehandlung in einem Arbeitsgang stattfinden können.

Nach der Entfernung der Rückstände auf der Stahloberfläche muss die Oberfläche beurteilt werden, um den nach ISO 8501 geforderten Oberflächenvorbereitungsgrad Fl sicher zu stellen. Die Beurteilung erfolgt im allgemeinen visuell, ohne Vergrößerung, anhand des Vergleichmusters für den Oberflächenvorbereitungsgrad Sa 2,5 laut ISO 8501 bzw. DIN 55928, der dem Vorbereitungsgrad Fl entspricht. Weitere Hilfsmittel sind mechanische Prüfungen, wie das Schaben der Oberfläche mit einem Messer, wobei eine daraus resultierende Farbveränderung in Richtung Rostbraun auf einen nicht ausreichenden Oberflächenvorbereitungsgrad hinweist. Da Rost und Zunder einen erheblich höheren elektrischen Widerstand haben, als eine gereinigte Stahloberfläche, lässt sich der Oberflächenzustand auch durch eine elektrische Widerstandsmessung beurteilen. Dabei wird davon ausgegangen, dass Rost und Zunder auf der Oberfläche einen Widerstand von mindestens 2 Ohm verursachen. Wird der erwünschte Zustand der Oberfläche nach dem ersten Arbeitsgang nicht erreicht, so muss das Flammstrahlen nach dem Abkühlen des Bauteils wiederholt werden.

Oberflächenvorbereitungsgrad Sa 2 ¹/₂ (sehr gründliches Strahlen), entsprechend DIN 55928: "Die Oberfläche muss bei Betrachtung ohne Vergrößerung frei sein von sichtbarem Öl, Fett und Schmutz und soweit frei von Zunder, Rost, Beschichtungen und artfremden Verunreinigungen, so dass verbleibende Spuren allenfalls noch als leichte, fleckige oder streifige Schattierungen zu erkennen sind.

Haupteinsatzgebiete

Die thermische Reinigung durch Flammstrahlen findet hauptsächlich auf Baustellen Anwendung. Dabei dient das Flammstrahlen meist als Vorbereitung für das Aufbringen neuer Schichten, wie beispielsweise Bodenbelägen auf Beton oder Estricht oder Korrosionsschutzanstrichen auf Stahlbauten. Das Flammstrahlen findet darüber hinaus auch Anwendung im Schwermaschinenbau (Kesselreinigung) oder im Schiffsbau. Es wird oft zur Sanierung großer Gerätschaften und Anlagen verwendet, beispielsweise als Vorbereitungsverfahren vor dem Aufbringen von Bitumenanstrichen auf Güterwaggons bei der deutschen Bahn oder für allgemeine Entrostungsarbeiten bei der Schweizer Bahn.

Flammstrahlen ist nicht für alle Bauteile und Stahlbauten geeignet, da aufgrund der Erwärmung der Teile unerwünschte Effekte, wie Verzug bei dünnen Teilen oder Änderungen der Struktur des Werkstoffes (Rekristallisation usw.), auftreten können. Daher ist bei der Durchführung dieses Verfahren auf eine entsprechende Vorschubgeschwindigkeit (mindestens 3 m/min) zu achten, um die Erwärmung nicht zu groß werden zu lassen. Es sind aus dem gleichen Grunde auch nur Teile mit Blechdicken von mindestens 5 mm zum Flammstrahlen geeignet. Eine weitere Bedingung für den Einsatz des Flammstrahlens ist, dass ein geeigneter Ausgangszustand der Oberfläche vor dem Flammstrahlen vorliegt. So muss unter bestimmten Umständen (Oberfläche weist Rostgrad D mit Schichtrost auf) eine Grobentrostung vor dem Reinigen, zum Beispiel durch Schaben erfolgen. Grobe Schmutzschichten, Salz- oder Staubauflagen und ähnliche Verschmutzungen sind vor dem Flammstrahlen durch geeignete Verfahren zu entfernen.

Wegen der enormen Größe der bearbeitbaren Flächen, der Flexibilität und aufgrund der hohen Arbeitsgeschwindigkeit stellt das Flammstrahlen für die beschriebenen Anwendungen das geeignetste Verfahren dar. Für die Reinigung von kleineren Bauteilen ist das Flammstrahlen nicht wirtschaftlich und es sollte anderen Reinigungsverfahren der Vorzug gegeben werden.

Flammstrahlen einer verölten Oberfläche Flammstrahlen einer Fahrbahn

Charisius und Kau GmbH

Arbeits- und Umweltschutz

Gefahrenquellen für die Gesundheit stellen beim Flammstrahlen zum einen die eingesetzten Geräte, wie Gasbrenner oder Bürstmaschinen, zum anderen die entstehenden Emissionen dar. Generell gilt beim Flammstrahlen, dass die verwendeten Geräte, Gerüste, die Zugänglichkeit und der Arbeitsablauf aufeinander abgestimmt sein müssen. So lassen sich bereits durch die Auswahl geeignet dimensionierter Brenner und Bürsten Unfallrisiken erheblich verringern. Das Verfahren darf nur von ausgebildetem Fachpersonal durchgeführt werden und das verwendete Gerät muss den Sicherheitsanforderungen der verschiedenen gültigen deutschen Normen (beispielsweise DIN EN 559, DIN EN 560: "Gasschweißgeräte - ...") genügen. Es dürfen nur Brennertypen und Geräte verwendet werden, wie sie in DIN 32539: "Flammstrahlen von Stahl- und Betonoberflächen" vorgesehen sind. Die durchführenden Firmen müssen dem Nachweise über das Vorhandensein von qualifiziertem Personal, geeignetem Gerät, sowie fachgerechter Durchführung der Arbeiten erbringen.

Bei der Durchführung des Flammstrahlens ist im Bezug auf den Arbeitsschutz eine generelle Unterscheidung zwischen Arbeiten im Freien und Arbeiten in geschlossenen oder engen Bereichen notwendig. Da bei diesem Arbeitsverfahren je nach Art der zu entfernenden Verschmutzung unzuträgliche Dämpfe, Gase oder Rauche entstehen können, ist speziell bei der Arbeit in engen oder geschlossenen Bereichen für einen entsprechenden Arbeitsschutz, beispielsweise durch Atemschutzmasken oder leistungsfähige Entlüftung zu sorgen. Im Gegensatz dazu ist im Freien die Belüftung meist ausreichen, so dass hier nur bei der Entfernung bestimmter Beschichtungen, wie chlorhaltigen Kunststoffbeschichtungen Schutzmaßnahmen notwendig sind.

Es ist im Sinne des Umweltschutzes darauf zu achten, dass die Emissionen bei der Durchführung des Verfahrens gering gehalten werden. So sollten beispielsweise Rückstände des thermischen Arbeitsganges, die sich als problematisch für die Umwelt darstellen können, wie Verbrennungsprodukte von Lacken oder Kunststoffen, fachgerecht entsorgt werden. Bei Durchführung in geschlossenen Bereichen mit automatischer Entlüftung lassen sich die Emissionen in die Umgebungsluft durch entsprechende Filteranlagen minimieren.

Fachgerechte Führung des Brenners beim Flammstrahlen nach DIN 32539

Anlagen und Kosten

Zur Durchführen des Flammstrahlens sind jeweils ein Gerät für die Durchführung des thermischen und des mechanischen Arbeitsgangs erforderlich. Oftmals werden auch Kombinationsgeräte eingesetzt, mit denen die beiden Arbeitsgänge direkt hintereinander durchgeführt werden können.

Geräte für den thermischen Arbeitsgang

"Flammstrahlbrenner werden in Hand und Maschinenbrenner eingeteilt. Die nach dem Saugprinzip arbeitenden Brenner (Injektorbrenner) bestehen aus dem Griffstück [...] und den Brennereinsätzen in T-Form je nach Verwendungszweck, sowie dem zugehörigen Fahrwerk beim Maschinenbrenner. Druckbrenner sind für den Einsatz nicht geeignet." [DIN 32539]

Handbrenner sind in den Standardbreiten 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm und 300 mm genormt und können sowohl für Stahl-, als auch für Betonoberflächen verwendet werden. Maschinenbrenner sind in den Standardbreiten 500 mm und 750 mm verfügbar. Sie werden jedoch normalerweise nur für große Betonflächen eingesetzt. Die Brenner haben den im Kapitel Arbeits- und Umweltschutz beschriebenen Anforderungen zu entsprechen.

1: Düsen
2: Mischrohr
3: Mischkammer
4: Druckdüse
5: Kennzeichen: Hersteller, Brenngasart
6: Kennzeichen: Hersteller, Sauerstoffdruck, Brenngasart, Mischsystem

Beispiel für einen Handbrenner [DIN 32539]

1: Verschraubbare Einzeldüsen
2: Mischrohr
3: Mischkammer
4: Druckdüse
5: Kennzeichnung: Hersteller, Brenngasart
6: Kennzeichen: Hersteller, Sauerstoffdruck, Brenngasart, Mischsystem
7: Schnellschlussventil für Sauerstoff und Brenngas
8: Brennergriffstück
9: Winkeleinstellung
10: Schutzschild
11: Brennerdüsen
12: Handkurbel für Brennervorschub

Beispiel für einen Maschinenbrenner [DIN 32539]

Geräte für den mechanischen Arbeitgang

Die DIN 32539 "Flammstrahlen von Stahl- und Betonoberflächen" gibt für die Geräte, die für den mechanischen Arbeitgang verwendet werden dürfen, lediglich Anhaltspunkte und Beispiele. Es ist allgemein von "Strahlgeräten, Klopf- und Bürstmaschinen" [DIN 32539] die Rede. Als Beispiele werden für Stahl fahrbare Bürstmaschinen mit Stahldrahtborsten, transportable Handbürstmaschinen und Hand-Stahldrahtbürsten genannt.

Referenzen

Weiner, R.

"Metall-Entfettung und -Reinigung"

Eugen G. Leuze Verlag, 1969

DIN 32539

Flammstrahlen von Stahl- und Betonoberflächen

DIN V 32528

Hand- und Maschinenbrenner für den industriellen Einsatz zum Flammwärmen und verwandte Verfahren. [Vornorm]