Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Experimental Evaluation of Burner Geometry Performance and its flame structure on Heating Rate of a MILD Steel Reheating Furnace

Document Type : Original Article

Authors
Ali Ashouri 1
Soroush Sarrafan Sadeghi 1
Mohammad Zabetian Targhi 2
1 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
2 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
10.22034/jfnc.2026.579786.1457
Abstract
MILD combustion has emerged as a promising technology for achieving uniform temperature distribution, reduced pollutant formation, and improved thermal efficiency in industrial reheating furnaces. However, the performance of different burner geometries under MILD conditions—particularly in full-scale steel‑heating scenarios—has not been adequately characterized. In this study, the thermal behavior of three burner configurations, namely a co‑flow axial burner, a swirl burner, and a perforated lining burner, was experimentally investigated in a laboratory-scale MILD furnace developed at Tarbiat Modares University. The primary objective was to

Steel reheating furnaces are critical in metallurgical industries for preparing billets or slabs prior to hot forming. Conventional combustion systems in these furnaces often create large temperature gradients and emit high levels of nitrogen oxides (NOₓ). Flameless oxidation, also known as Moderate or Intense Low‑oxygen Dilution (MILD) combustion, has emerged as a promising alternative. By strongly diluting fuel and oxidizer with recirculated combustion products before ignition, MILD combustion suppresses visible flame formation, reduces peak temperatures, and promotes a more uniform thermal field within the furnace volume.
Despite these advantages, the performance of MILD combustion systems is highly sensitive to burner geometry and the resulting mixing characteristics of fuel and oxidizer streams. Different burner configurations can produce distinct flow structures, internal recirculation rates, and temperature distributions. Therefore, systematic experimental evaluation of burner designs is essential for optimizing industrial reheating furnaces operating under MILD conditions.
The present work addresses this need by experimentally comparing three burner types—co‑flow axial, swirl, and perforated lining—in a purpose‑built laboratory‑scale MILD furnace. The study focuses on both heating rate and flame stability, providing practical insights for burner selection in steel reheating applications.
Methodology
Laboratory‑Scale MILD Furnace
Experiments were conducted in a laboratory‑scale flameless oxidation furnace designed and constructed at the National Combustion Laboratory of Tarbiat Modares University. The furnace was scaled down from a 7 MW industrial steel reheating furnace using the constant residence time (CRT) scaling method, resulting in a 10 kW laboratory model. Key dimensions of the scaled furnace are 919 mm (length) × 513 mm (width) × 293 mm (height). The furnace walls and roof were insulated with multi‑layer refractory materials (cordierite‑mullite, lightweight firebrick, and perlite) to maintain external surface temperatures below 80 °C during operation up to 1600 °C.
Burner Configurations
Three distinct burner geometries were fabricated and tested:
· Co‑flow axial burner: A 1‑inch diameter burner with an axially adjustable fuel tube. The fuel nozzle could be positioned upstream or downstream of the air exit to control premixing and flame stability. Optimal stability was achieved with the fuel tube retracted by 2.5 cm relative to the air outlet.
· Swirl burner: A 1‑inch burner featuring a helical swirler (4 cm pitch) along the fuel tube. Air flowing over this spiral acquires a tangential velocity component, inducing a swirling motion at approximately 45° relative to the burner axis. This enhances mixing, flame volume, and stability.
· Perforated lining burner: A 1‑inch burner consisting of a perforated inner tube (½‑inch, 16 holes of 3 mm diameter) enclosed within a perforated outer casing (1‑inch, holes of ~1.5 mm, porosity ≈ 0.26). The design promotes distributed, multi‑point injection for uniform heating and increased power capacity (up to 30 kW).
Instrumentation and Procedure
Each burner was installed separately in the furnace, and tests were performed under comparable firing rates and air preheating conditions. Fuel (natural gas) and air flow rates were controlled via calibrated rotameters and pressure regulators. Temperatures were measured using S‑type thermocouples (for high‑temperature regions up to 1600 °C) and J‑type thermocouples (for stack and lower‑temperature zones). Thermocouples were arranged in a 9‑column, 3‑row grid on the sidewall to capture spatial temperature distributions. A CCD camera recorded flame behavior, and RGB image analysis was employed to assess flame uniformity and thermal structure.
Results and Discussion
Flame Structure and Stability
The co‑flow axial burner produced a long, narrow flame (≈35 cm) with relatively low momentum. The flame exhibited sensitivity to hot gas recirculation from the furnace rear wall, leading to intermittent instabilities. Due to insufficient mixing at an equivalence ratio of ~1.1, unburned gases were observed in the furnace.
In contrast, the swirl burner generated a voluminous, helical flame (≈40 cm) with significantly enhanced mixing and momentum. The swirling motion stabilized the flame, prevented lift‑off, and improved heat transfer to the furnace walls. However, increased turbulence led to moderate flame oscillations over time.
The perforated lining burner, when operated at 18.4 kW, produced a uniform, continuous flame sheet across its surface. During initial startup, distinct flame plumes were visible, but as the burner body heated up, the plumes diminished, and combustion transitioned toward a distributed, nearly flameless regime—characteristic of high‑temperature air combustion (HiCOT). Unfortunately, prolonged exposure to high temperatures caused severe surface oxidation and eventual localized fracture of the burner tube, as shown in Figure 12 of the full manuscript.
Thermal Performance and Heating Rate
Figure 14 of the original study illustrates the temporal response of furnace roof temperature for each burner:
· The co‑flow axial burner (10 kW) required approximately 450 minutes (7.5 hours) to reach 500 °C and exhibited no further temperature increase, indicating limited thermal capacity.
· The perforated lining burner (18.4 kW) rapidly heated the furnace, reaching 550 °C in just 150 minutes (2 hours 33 minutes). However, the test was terminated prematurely due to burner structural failure.
· The swirl burner (10 kW) achieved 550 °C after approximately 7 hours and surpassed 600 °C after 10 hours, with a continuing upward trend. This demonstrates reliable and sustained heating capability.
Stack gas temperature measurements (Figure 15) corroborated these trends: the swirl burner achieved the highest exhaust temperature (~213 °C) with an ongoing rising trend, whereas the co‑flow burner plateaued at lower values.
RGB Image Analysis
RGB intensity scatter plots (Figure 13) provided quantitative insight into flame uniformity. The co‑flow burner displayed the most concentrated and consistent color distribution, suggesting a homogeneous thermal field at the captured moment, though long‑term stability remained problematic. The swirl burner showed increased scatter—particularly in the blue channel—indicating the presence of turbulent, multi‑temperature zones. The perforated lining burner exhibited the widest dispersion, reflecting significant local temperature fluctuations inherent to its multi‑jet design.
Conclusions
This experimental investigation compared the performance of co‑flow axial, swirl, and perforated lining burners in a laboratory‑scale MILD furnace for steel reheating. The following conclusions are drawn:
· Co‑flow axial burner: Produces an elongated flame but suffers from low momentum and instability when exposed to recirculating hot gases. Its heating capacity is insufficient for reaching target temperatures within a reasonable timeframe.
· Perforated lining burner: Offers the fastest heating rate, achieving 550 °C in 2 hours 33 minutes. However, severe oxidation and structural failure at elevated temperatures render it unsuitable for long‑term industrial use without expensive alloy upgrades.
· Swirl burner: Provides the most stable and uniform heating performance. Although its heating rate is slower than that of the linear burner, it reliably attains and exceeds 600 °C without structural degradation. Scaling this design to larger diameters (e.g., 1.5–2 inches) could further improve heating rate while maintaining stability.
Overall, the swirl burner emerges as the most practical and robust option for industrial MILD furnaces, balancing thermal uniformity, operational safety, and long‑term durability. The findings underscore the critical influence of burner geometry on furnace startup time and temperature distribution, offering valuable guidance for optimizing burner selection in steel reheating applications.
Author Contributions
Ali Ashouri: Conceptualization, Methodology, Investigation, Formal analysis, Writing – original draft, Writing – review & editing, Visualization, Project administration.
Soroush Sarrafan Sadeghi: Investigation, Formal analysis, Data curation, Writing – review & editing, Visualization.
Mohammad Zabetian Targhi: Supervision, Conceptualization, Resources, Writing – review & editing, Funding acquisition.
Funding
This research received no specific grant from any funding agency in the public, commercial, or not‑for‑profit sectors. The study was conducted entirely at Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, using the facilities of the National Combustion Laboratory.
Conflict of Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.


Steel reheating furnaces are critical in metallurgical industries for preparing billets or slabs prior to hot forming. Conventional combustion systems in these furnaces often create large temperature gradients and emit high levels of nitrogen oxides (NOₓ). Flameless oxidation, also known as Moderate or Intense Low‑oxygen Dilution (MILD) combustion, has emerged as a promising alternative. By strongly diluting fuel and oxidizer with recirculated combustion products before ignition, MILD combustion suppresses visible flame formation, reduces peak temperatures, and promotes a more uniform thermal field within the furnace volume.
Despite these advantages, the performance of MILD combustion systems is highly sensitive to burner geometry and the resulting mixing characteristics of fuel and oxidizer streams. Different burner configurations can produce distinct flow structures, internal recirculation rates, and temperature distributions. Therefore, systematic experimental evaluation of burner designs is essential for optimizing industrial reheating furnaces operating under MILD conditions.
The present work addresses this need by experimentally comparing three burner types—co‑flow axial, swirl, and perforated lining—in a purpose‑built laboratory‑scale MILD furnace. The study focuses on both heating rate and flame stability, providing practical insights for burner selection in steel reheating applications.
Methodology
Laboratory‑Scale MILD Furnace
Experiments were conducted in a laboratory‑scale flameless oxidation furnace designed and constructed at the National Combustion Laboratory of Tarbiat Modares University. The furnace was scaled down from a 7 MW industrial steel reheating furnace using the constant residence time (CRT) scaling method, resulting in a 10 kW laboratory model. Key dimensions of the scaled furnace are 919 mm (length) × 513 mm (width) × 293 mm (height). The furnace walls and roof were insulated with multi‑layer refractory materials (cordierite‑mullite, lightweight firebrick, and perlite) to maintain external surface temperatures below 80 °C during operation up to 1600 °C.
Burner Configurations
Three distinct burner geometries were fabricated and tested:
· Co‑flow axial burner: A 1‑inch diameter burner with an axially adjustable fuel tube. The fuel nozzle could be positioned upstream or downstream of the air exit to control premixing and flame stability. Optimal stability was achieved with the fuel tube retracted by 2.5 cm relative to the air outlet.
· Swirl burner: A 1‑inch burner featuring a helical swirler (4 cm pitch) along the fuel tube. Air flowing over this spiral acquires a tangential velocity component, inducing a swirling motion at approximately 45° relative to the burner axis. This enhances mixing, flame volume, and stability.
· Perforated lining burner: A 1‑inch burner consisting of a perforated inner tube (½‑inch, 16 holes of 3 mm diameter) enclosed within a perforated outer casing (1‑inch, holes of ~1.5 mm, porosity ≈ 0.26). The design promotes distributed, multi‑point injection for uniform heating and increased power capacity (up to 30 kW).
Instrumentation and Procedure
Each burner was installed separately in the furnace, and tests were performed under comparable firing rates and air preheating conditions. Fuel (natural gas) and air flow rates were controlled via calibrated rotameters and pressure regulators. Temperatures were measured using S‑type thermocouples (for high‑temperature regions up to 1600 °C) and J‑type thermocouples (for stack and lower‑temperature zones). Thermocouples were arranged in a 9‑column, 3‑row grid on the sidewall to capture spatial temperature distributions. A CCD camera recorded flame behavior, and RGB image analysis was employed to assess flame uniformity and thermal structure.
Results and Discussion
Flame Structure and Stability
The co‑flow axial burner produced a long, narrow flame (≈35 cm) with relatively low momentum. The flame exhibited sensitivity to hot gas recirculation from the furnace rear wall, leading to intermittent instabilities. Due to insufficient mixing at an equivalence ratio of ~1.1, unburned gases were observed in the furnace.
In contrast, the swirl burner generated a voluminous, helical flame (≈40 cm) with significantly enhanced mixing and momentum. The swirling motion stabilized the flame, prevented lift‑off, and improved heat transfer to the furnace walls. However, increased turbulence led to moderate flame oscillations over time.
The perforated lining burner, when operated at 18.4 kW, produced a uniform, continuous flame sheet across its surface. During initial startup, distinct flame plumes were visible, but as the burner body heated up, the plumes diminished, and combustion transitioned toward a distributed, nearly flameless regime—characteristic of high‑temperature air combustion (HiCOT). Unfortunately, prolonged exposure to high temperatures caused severe surface oxidation and eventual localized fracture of the burner tube, as shown in Figure 12 of the full manuscript.
Thermal Performance and Heating Rate
Figure 14 of the original study illustrates the temporal response of furnace roof temperature for each burner:
· The co‑flow axial burner (10 kW) required approximately 450 minutes (7.5 hours) to reach 500 °C and exhibited no further temperature increase, indicating limited thermal capacity.
· The perforated lining burner (18.4 kW) rapidly heated the furnace, reaching 550 °C in just 150 minutes (2 hours 33 minutes). However, the test was terminated prematurely due to burner structural failure.
· The swirl burner (10 kW) achieved 550 °C after approximately 7 hours and surpassed 600 °C after 10 hours, with a continuing upward trend. This demonstrates reliable and sustained heating capability.
Stack gas temperature measurements (Figure 15) corroborated these trends: the swirl burner achieved the highest exhaust temperature (~213 °C) with an ongoing rising trend, whereas the co‑flow burner plateaued at lower values.
RGB Image Analysis
RGB intensity scatter plots (Figure 13) provided quantitative insight into flame uniformity. The co‑flow burner displayed the most concentrated and consistent color distribution, suggesting a homogeneous thermal field at the captured moment, though long‑term stability remained problematic. The swirl burner showed increased scatter—particularly in the blue channel—indicating the presence of turbulent, multi‑temperature zones. The perforated lining burner exhibited the widest dispersion, reflecting significant local temperature fluctuations inherent to its multi‑jet design.
Conclusions
This experimental investigation compared the performance of co‑flow axial, swirl, and perforated lining burners in a laboratory‑scale MILD furnace for steel reheating. The following conclusions are drawn:
· Co‑flow axial burner: Produces an elongated flame but suffers from low momentum and instability when exposed to recirculating hot gases. Its heating capacity is insufficient for reaching target temperatures within a reasonable timeframe.
· Perforated lining burner: Offers the fastest heating rate, achieving 550 °C in 2 hours 33 minutes. However, severe oxidation and structural failure at elevated temperatures render it unsuitable for long‑term industrial use without expensive alloy upgrades.
· Swirl burner: Provides the most stable and uniform heating performance. Although its heating rate is slower than that of the linear burner, it reliably attains and exceeds 600 °C without structural degradation. Scaling this design to larger diameters (e.g., 1.5–2 inches) could further improve heating rate while maintaining stability.
Overall, the swirl burner emerges as the most practical and robust option for industrial MILD furnaces, balancing thermal uniformity, operational safety, and long‑term durability. The findings underscore the critical influence of burner geometry on furnace startup time and temperature distribution, offering valuable guidance for optimizing burner selection in steel reheating applications.
Author Contributions
Ali Ashouri: Conceptualization, Methodology, Investigation, Formal analysis, Writing – original draft, Writing – review & editing, Visualization, Project administration.
Soroush Sarrafan Sadeghi: Investigation, Formal analysis, Data curation, Writing – review & editing, Visualization.
Mohammad Zabetian Targhi: Supervision, Conceptualization, Resources, Writing – review & editing, Funding acquisition.
Funding
This research received no specific grant from any funding agency in the public, commercial, or not‑for‑profit sectors. The study was conducted entirely at Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, using the facilities of the National Combustion Laboratory.
Conflict of Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.






Highlights

   
 

 

MILD combustion has emerged as a promising technology for achieving uniform temperature distribution, reduced pollutant formation, and improved thermal efficiency in industrial reheating furnaces. However, the performance of different burner geometries under MILD conditions—particularly in full-scale steel‑heating scenarios—has not been adequately characterized. In this study, the thermal behavior of three burner configurations, namely a co‑flow axial burner, a swirl burner, and a perforated lining burner, was experimentally investigated in a laboratory-scale MILD furnace developed at Tarbiat Modares University. The primary objective was to compare the capability of these burners in providing stable and uniform heating for steel ingots, as well as to assess the furnace heat-up time required to reach an initial target temperature of 600 °C as a common operational benchmark. Results indicate that the swirl burner provides the most uniform temperature field and the lowest spatial temperature gradient, demonstrating superior mixing and enhanced internal recirculation. In contrast, the perforated lining burner exhibits the fastest heating rate, reaching the target temperature in approximately 153 minutes, though with high local temperature oxidations. The co‑flow axial burner delivers moderate uniformity and heating performance. Overall, the findings indicate that burner type plays a critical role in combustion stability, thermal uniformity, and furnace start-up time in MILD combustion systems, with the swirling burner exhibiting superior reliability and operational stability under high-temperature conditions.

Keywords
Swirl burner
Perforated lining burner
Co‑flow burner
Steel reheating furnace
Furnace Heating Time
Subjects

عملیات حرارتی فولاد یکی از ارکان حیاتی زنجیره تأمین صنعتی و توسعه اقتصادی به شمار می‌رود؛ به‌گونه‌ای که فولاد با تولید سالانه حدود 1٫9 میلیارد تن، به‌عنوان سومین ماده حجیم پرمصرف در جهان شناخته می‌شود [1]. تنوع کاربرد و دوام بالای فولاد، آن را به عنصری ضروری در طیف گسترده‌ای از حوزه‌ها از جمله زیرساخت، حمل‌ونقل، ماشین‌آلات و ساختمان‌سازی تبدیل کرده است. در این میان، کوره‌های بازگرم فولاد نقش محوری در صنعت فولاد ایفا می‌کنند و دمای بهینه را برای فرآیندهای فورجینگ و عملیات تولیدی فراهم می‌سازند.

تحقیقات گسترده‌ای به منظور ارتقای عملکرد حرارتی کوره‌های بازگرم فولاد و هم‌زمان توجه به ملاحظات مهم حرارتی و زیست‌محیطی انجام شده است. به طور مشخص، کوره باید دو الزام اساسی حرارتی را تضمین کند [2-4]. برآورده‌سازی هم‌زمان این الزامات باید به‌گونه‌ای باشد که خواص مطلوب متالورژیکی حفظ شود، مصرف سوخت به حداقل برسد و انتشار آلاینده‌ها به‌طور مؤثر کنترل شود. علاوه‌بر این، کنترل اکسیداسیون فولاد در دماهای بالا همچنان یکی از چالش‌های اساسی در طراحی به شمار می‌آید.

پژوهش‌های متعددی تاکنون با هدف بهبود عملکرد حرارتی کوره‌های بازگرم فولاد انجام شده است. در این مطالعات، راهبردهای گوناگونی مورد بررسی قرار گرفته‌اند؛ از جمله می‌توان به‌کارگیری احتراق غنی از اکسیژن [5، 6]، استفاده از مخلوط‌های زیست‌گاز–گاز طبیعی [5]، تغییر در شرایط ترموفیزیکی دیواره کوره [6]، اعمال دمای اولیه متفاوت برای نواحی پیش‌گرمایش، گرمایش و پخت [7] و نیز اصلاح پیکربندی ورودی‌های سوخت و هوا [8-10] اشاره کرد. از این رو، استفاده از رژیم احتراق MILD (احتراق با رقیق‌سازی کم‌اکسیژن در شدت یا دمای متوسط و بالا) به‌عنوان رویکردی پیشرفته می‌تواند راهکاری مؤثر برای غلبه بر چالش‌های حرارتی موجود و برآورده‌سازی الزامات عملکردی کوره‌های صنعتی محسوب شود [11].

رژیم احتراق MILD به‌عنوان یکی از دستاوردهای نوین در حوزه احتراق، مزایای چشمگیری را به‌ویژه از طریق بازگشت گسترده گازهای داغ فراهم می‌کند. این مزایا شامل افزایش بازده حرارتی، کاهش غلظت اکسیژن در ناحیه احتراق، و کاهش قابل‌توجه آلاینده‌ها است[14، 15]، ؛ ویژگی‌هایی که این رژیم را برای کاربرد در کوره‌های صنعتی عملیات حرارتی به‌ویژه مناسب می‌سازد. در سال‌های اخیر، پژوهش‌های متعددی بر روی شرایط ورودی و خروجی [12, 13]، شرایط مشعل [9, 14]، اعمال نیروهای خارجی [15, 16] و نیز اصلاح هندسه کوره انجام شده است تا کیفیت احتراق بدون شعله ارتقا یافته، انتشار آلاینده‌ها کاهش یابد و توزیع دما درون کوره یکنواخت‌تر شود. تحقق کامل این مزایا به‌شدت به هندسه مشعل، الگوی اختلاط سوخت و اکسیدکننده و شرایط جریان درون کوره وابسته است.

با این حال، بر اساس دانش نویسندگان، تاکنون مطالعه جامعی که عملکرد مشعل‌های مختلف را در مرحله راه‌اندازی کوره احتراق بدون شعله به‌صورت تطبیقی بررسی کرده باشد، گزارش نشده است و در این زمینه یک خلأ پژوهشی قابل‌توجه وجود دارد. زمان راه‌اندازی کوره تا رسیدن به شرایط پایا یکی از متغیرهای کلیدی در طراحی مشعل برای کوره‌های صنعتی گرمایش قطعات فولادی است. این زمان تأثیر مستقیمی بر عملکرد اقتصادی و بهره‌برداری کوره دارد، به‌ویژه در مواردی که راه‌اندازی‌های مکرر یا دوره‌های کاری کوتاه‌مدت مورد نیاز است.

با وجود این، برخی پژوهش‌ها تنها زمان راه‌اندازی کوره احتراق بدون شعله با مشعل مورد نظر خود را گزارش کرده‌اند، بدون آنکه آن را با سایر آرایش‌های مشعل مقایسه کنند. برای نمونه، تیان و همکاران [17] از دو مشعل چرخشی به‌طور همزمان استفاده کردند و توان این دو مشعل را طی فرایند گرمایش از ۶ کیلووات به ۱۰ کیلووات افزایش دادند. آن‌ها گزارش کردند که زمان رسیدن دمای کوره به  حدود ۵ دقیقه و زمان دستیابی به شرایط MILD در دمای  برابر با ۸۸ دقیقه بوده است.

همچنین در کوره MILD دانشگاه آدلاید که با یک مشعل غیرپیش‌آمیخته محوری با توان ۱۵ کیلووات کار می‌کرد، زمان گرم‌کردن حدود 5/1 ساعت گزارش شد [18]. در همان کوره و با به‌کارگیری مشعل‌های تک‌جت و چندجت موازی، این زمان به حدود ۲ تا ۳ ساعت افزایش یافت [19, 20]. علاوه بر این، استفاده از مشعل مشابه مشعل دانشگاه آدلاید در یک کوره چینی منجر به افزایش زمان دستیابی به MILD تا حدود ۶ ساعت شد [21, 22]. در پژوهشی دیگر نیز، برای احتراق زغال‌سنگ تحت شرایط MILD با توان ۶۰ کیلووات، زمان گرم‌کردن حدود ۲ ساعت ثبت شد [23, 24]. جمع‌بندی این مطالعات نشان می‌دهد که زمان راه‌اندازی و دستیابی به حالت پایدار به‌طور مستقیم به نوع مشعل، هندسه کوره و ویژگی‌های عایق‌کاری وابسته است و نمی‌توان یک مقدار عمومی برای همه سامانه‌ها در نظر گرفت.

در پرتو این خلأ پژوهشی، هدف این مقاله بررسی آزمایشگاهی و مقایسه‌ای عملکرد سه نوع مشعل جریان همسو محوری، چرخشی و خطی سوراخ‌دار در یک کوره احتراق بدون شعله به‌منظور گرمایش قطعات فولادی است. به‌منظور ایجاد یک معیار کمی و قابل اتکا برای مقایسه عملکرد حرارتی مشعل‌ها، زمان گرمایش کوره تا رسیدن به دمای 550 به‌عنوان شاخص اصلی ارزیابی در نظر گرفته شده است. لازم به ذکر است که هدف اولیه ۶۰۰ درجه بود اما با توجه به شکست مشعل خطی، مقایسه در دمای ۵۵۰ درجه انجام شد. این آزمایش‌ها در کوره آزمایشگاهی طراحی و ساخته‌شده در آزمایشگاه ملی احتراق دانشگاه تربیت مدرس انجام می‌شوند تا شرایط یکسان و کنترل‌شده برای مقایسه دقیق فراهم شود.

نوآوری این پژوهش در ارائه یک ارزیابی جامع از عملکرد مشعل‌ها نه‌تنها از منظر پایداری شعله و الگوی انتقال حرارت، بلکه از دیدگاه زمان راه‌اندازی کوره است. مقایسه سیستماتیک این سه آرایش مشعل در یک بستر آزمایشگاهی واحد، امکان شناسایی مزایا و محدودیت‌های هر یک را فراهم کرده و یافته‌های این مطالعه می‌تواند به‌عنوان مبنایی کاربردی برای انتخاب و بهینه‌سازی طراحی مشعل در کوره‌های صنعتی گرمایش فولاد، با هدف کاهش زمان راه‌اندازی، بهبود بازده حرارتی و افزایش یکنواختی دما مورد استفاده قرار گیرد.

در ادامه، ابتدا کوره آزمایشگاهی و مشخصات مشعل‌ها معرفی می‌شود، سپس نتایج آزمایش‌ها ارائه و مقایسه شده و در پایان جمع‌بندی و نتیجه‌گیری ارائه می‌شود.

مواد و روش‌ها

‏کوره احتراق بدون شعله گرمایش قطعات فولادی در مقیاس آزمایشگاهی

‏شکل 1، نمایی از پیکربندی نهایی کوره آزمایشگاهی توسعه‌یافته برای پیش‌گرمایش قطعات فولادی تحت شرایط احتراق بدون شعله را نشان می‌دهد. کوره‌های فولاد به دو گونه در صنعت وجود دارند. یک نوع از کوره‌های فولاد، فرآیند ذوب و گرمایش فولاد بر روی ریل‌هایی انجام می‌شود [25, 26]. در نوع دیگر، فولاد را در کوره قرار می‌دهند، فولاد را تا نزدیک دمای ذوب آن گرم می‌کنند (معمولا حدود ) و سپس از کوره خارج می‌کنند. تعداد قطعات فولاد در نوع ریلی می‌تواند ده‌ها قطعه باشد ولی تعداد آنان در نوع ثابت محدود و خیلی کم‌تر است. زمان ماندن قطعات فولادی به کیفیت مطلوب گرمایش و مشخصات فیزیک حرارتی و ابعادی قطعات ارتباط دارد [27]. در پژوهش حاضر، تمرکز بر کوره‌های ثابت است.

 این کوره بر اساس یک طراحی مکانیکی دقیق و با اتکا به مدل هندسی بهینه‌شده و الزامات عملکردی تعریف‌شده در آزمایشگاه ملی احتراق دانشگاه تربیت مدرس [28] ساخته شده است. نسخه صنعتی این کوره، که نمونه‌هایی از آن در صنعت فولاد از جمله در کوره‌های شرکت ماشین‌سازی اراک به‌کار گرفته شده است، با توان نامی حدود ۶٫۹۷ مگاوات برای گرمایش ۹ شمش فولادی تا دمای حدود  گرم فعالیت می‌کنند. این مشخصات به‌عنوان مبنای اصلی تعیین الزامات طراحی نسخه آزمایشگاهی در این پژوهش مورد استفاده قرار گرفت.

در طراحی بستر آزمون کوره، ملاحظاتی نظیر پایداری حرارتی، یکپارچگی سازه‌ای، سهولت بهره‌برداری و امکان نصب تجهیزات اندازه‌گیری و پایش فرآیند به‌دقت مدنظر قرار گرفته است. همچنین، به‌منظور دستیابی به شرایط احتراق MILD در کاربردهای پیش‌گرمایش قطعات فولادی، آرایش ورودی‌ها و خروجی‌های کوره بر اساس نتایج مطالعات پیشین، شامل بهینه‌سازی توزیع و تزریق سوخت، تعیین موقعیت درگاه‌های خروجی و تنظیم قطر خروجی و نسبت معادل، پیاده‌سازی شده است که جزئیات آن در مراجع [12, 13] ارائه شده است.

در این طرح، ضمن حفظ هندسه به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی‌ها، ملاحظات عملی همچون دوام حرارتی، سهولت تعمیر و نگهداری، ایمنی اپراتور و امکان دسترسی مناسب به تجهیزات آزمون نیز به‌طور ویژه مورد توجه قرار گرفته است. ساختار کلی کوره به‌گونه‌ای انتخاب شده است که بتواند دامنه گسترده‌ای از بارهای حرارتی و نسبت‌های هم‌ارزی را پوشش دهد و شرایط لازم برای ارزیابی تجربی عملکرد مشعل‌های جریان همسو محوری، چرخشی و خطی سوراخ‌دار را در رژیم‌های احتراق شعله‌ای و احتراق MILD فراهم سازد. همان‌گونه که در شکل 1 مشاهده می‌شود، سامانه آزمایشگاهی نهایی کاملاً با اهداف پژوهش همخوانی داشته و آماده انجام آزمون‌های پیش‌گرمایش قطعات فولادی در سناریوهای مختلف عملیاتی است.

 

Figure 1 - Flameless steel heat treatment furnace in lab-scale

شکل 1- کوره احتراق بدون شعله گرمایش قطعات فولاد در مقیاس آزمایشگاهی

 

ابعاد واقعی و مقیاس‌شده فضای داخلی طرح نهایی کوره توسعه‌یافته (بدون عایق‌ها) برای ارزیابی احتراق MILD در شکل 2 ارائه شده است. ورودی‌های هوا و سوخت نمایش ‌داده‌ شده در این شکل مربوط به آرایش نهایی کوره در حالت MILD هستند. با این حال، در چارچوب پژوهش حاضر که به بررسی عملکرد مشعل‌های مورد استفاده در فرایند پیش‌گرمایش کوره اختصاص دارد، از چهار ورودی هوای جانبی کوره استفاده نشده و جریان هوای احتراقی صرفاً از طریق ورودی هر یک از مشعل‌ها تأمین می‌شود. کوره صنعتی مرجع شامل 9 شمش فولادی با مجموع جرم 28 تن است که در آرایشی مشخص قرار گرفته‌اند؛ در نسخه مقیاس‌شده مورد استفاده برای مطالعه احتراق MILD، این 9 شمش در یک ردیف و با فاصله یکنواخت 20 میلی‌متر چیدمان شده‌اند تا شرایط هندسی مناسب برای ارزیابی تجربی مشعل‌ها فراهم شود.

Figure 2 - Schematic and dimensions of inside the flameless steel heat treatment furnace in lab-scale

شکل 2-  طرح‌واره و ابعاد داخلی کوره احتراق بدون شعله گرمایش قطعات فولاد در مقیاس آزمایشگاهی

 

به‌منظور انجام آزمون‌های تجربی متعدد با هزینه کمتر و فراهم کردن امکان ارزیابی دقیق مشعل‌ها در شرایط کنترل‌شده، نسخه صنعتی کوره به یک مدل مقیاس‌شده با توان حرارتی 10 کیلووات تبدیل شد، در حالی‌که ویژگی‌های عملیاتی اصلی آن حفظ شده است. این مدل کوچک‌مقیاس، مبنای انجام آزمایش‌های این پژوهش قرار گرفته و امکان بررسی رفتار حرارتی کوره و عملکرد مشعل‌ها را در رژیم احتراق بدون شعله فراهم می‌کند.

مطالعات مختلفی به بررسی روش‌های مقیاس‌گذاری کوره‌ها برای انتقال از مقیاس آزمایشگاهی به کاربردهای صنعتی پرداخته‌اند. وبر [29] یک مشعل زغال‌سنگ را از ۷ کیلووات به ۱۴ مگاوات مقیاس‌گذاری کرد، در حالی که اسمارت و همکاران [30] از مشعل‌هایی با توان ۲٫۵ و ۲۵ مگاوات استفاده کردند و تأیید نمودند که روش زمان اقامت ثابت[1] (CRT) به‌طور مؤثری می‌تواند انتشار آلاینده NOx را در مقیاس‌های مختلف پیش‌بینی کند. به‌طور مشابه، سوکسام و چارونسوک [31] یک محفظه احتراق MILD را از ۵۸۰ کیلووات به ۵٫۸ مگاوات مقیاس‌گذاری کردند. در تکنولوژی احتراق بدون شعله، بازچرخشی گازهای داغ احتراقی اهمیت بیشتری نسبت به دیگر متغیرها دارد؛ بنابراین، زمان ماندن محصولات در کوره باید در مقیاس آزمایشگاهی و مقیاس صنعتی برابر باشد. با توجه به این یافته‌ها، روش زمان ماند ثابت به‌عنوان مناسب‌ترین روش برای مقیاس‌گذاری کوره‌های احتراق MILD  معرفی می‌شود، همان‌گونه که در معادله (1)[32] بیان شده است. در روابط زیر، مقیاس آزمایشگاهی با LS و مقیاس واقعی با RS نمایش داده شده ‌است.

 

(1)

 

در این رابطه، L طول کوره، U سرعت مخلوط، و P توان حرارتی هستند. S ضریب مقیاس است. بر اساس اطلاعات رسیده از شرکت محترم ماشین­سازی اراک، کوره 60 تنی گرمایش فولاد دارای ظرفیت 7 مگاواتی است. همچنین، ظرفیت اولیه هدف نیز بر اساس کوره­های متداول احتراق بدون شعله برابر 10 کیلووات در نظر گرفته شده­ است. لذا، با استفاده از روش زمان باقی­مانده ثابت، نسبت مقیاس  به ۱ بدست آمد. بر این اساس، ابعاد اصلی و مقیاس شده کوره مطابق جدول 1 است.

 

جدول 1-ابعاد کوره ۶۰ تنی گرمایش فولاد شرکت ماشین­سازی به همراه ابعاد مقیاس شده

Table 1- Dimensions of industrial steel heat treatment furnace of the Machinsazi Company along with its lab-scaled dimensions

Item

Real Dims

Scaled Dims

Power (kW)

10

Scaling Coefficient

1

Furnace Length (mm)

8150

919

Furnace Width (mm)

4550

513

Furnace Height (mm)

2600

293

 

به‌منظور تأمین پایداری حرارتی و حداقل‌سازی اتلاف انرژی در کوره آزمایشگاهی، یک ساختار چندلایه عایق برای دیوارها و سقف کوره طراحی و اجرا شد. آرایش نهایی لایه‌ها، که در شکل 3 نمایش داده شده است، شامل چهار لایه عایق حرارتی با ویژگی‌های مکمل است. برای دیوار کوره، دو لایه ابتدایی از کوردیریت–موالیت (هر یک با ضخامت ۲۵ میلی‌متر) به‌عنوان سد حرارتی اولیه و تقویت‌کننده استحکام مکانیکی به‌کار گرفته شده‌اند. لایه سوم از آجر سبک نسوز به ضخامت ۴۰ میلی‌متر وظیفه اصلی عایق‌کاری در دماهای بالا را بر عهده دارد. در لایه چهارم، یک لایه ۳۰ میلی‌متری از پرلیتاژ شمس مواد سازگار جهت افزایش پایداری سازه‌ای و کاهش اتلاف حرارت استفاده شده است. مجموعه این لایه‌ها با پوشش فلزی خارجی از ورق فولادی تکمیل شده و ضخامت کل عایق‌کاری را به ۱۲۰ میلی‌متر می‌رساند. این ساختار عایق‌بندی به‌گونه‌ای طراحی شده است که دمای سطح خارجی کوره را در شرایط کاری تا دمای  در محدوده‌ای کمتر از  حفظ کند.

برای سقف نیز از این چهار لایه استفاده شده‌است:

1)     لایه داخلی از آلومینا (۲۰ میلی‌متر) با مقاومت حرارتی بالا و ضریب هدایت حرارتی بین  و

2)     لایه دوم از کوردیریت موالیت (۲۵ میلی‌متر) با عایق‌کاری حرارتی و ضریب هدایت حرارتی بین  ،

3)     لایه سوم از آجر سفید سبک (۴۰ میلی‌متر) برای بهبود کارایی حرارتی با ضریب هدایت حرارتی بین ‌،

4)     لایه چهارم از پرلیتاژ سنگین شمس مواد سازگار (۳۰ میلی‌متر) برای استحکام مکانیکی و کاهش اتلاف حرارت و ضریب هدایت حرارتی .

 


[1] Constant Residence Time (CRT)

[1] P. Compais, J. Arroyo, F. Tovar, V. Cuervo-Piñera, and A. Gil, "Promoting the valorization of blast furnace gas in the steel industry with the visual monitoring of combustion and artificial intelligence," Fuel, vol. 362, p. 130770, 2024.
[2] A. M. García, A. F. Colorado, J. E. Obando, C. E. Arrieta, and A. A. Amell, "Effect of the burner position on an austenitizing process in a walking-beam type reheating furnace," Appl. Therm. Eng., vol. 153, pp. 633–645, 2019.
[3] Y. Khalid, M. Wu, A. Silaen, F. Martinez, T. Okosun, B. Worl, J. Low, C. Zhou, K. Johnson, and D. White, "Oxygen enrichment combustion to reduce fossil energy consumption and emissions in hot rolling steel production," J. Clean. Prod., vol. 320, p. 128714, 2021.
[4] H. Liu, M. Saffaripour, P. Mellin, C.-E. Grip, W. Yang, and W. Blasiak, "A thermodynamic study of hot syngas impurities in steel reheating furnaces–Corrosion and interaction with oxide scales," Energy, vol. 77, pp. 352–361, 2014.
[5] P. Jóźwiak, J. Hercog, A. Kiedrzyńska, and K. Badyda, "CFD analysis of natural gas substitution with syngas in the industrial furnaces," Energy, vol. 179, pp. 593–602, 2019.
[6] A. Emadi, A. Saboonchi, M. Taheri, and S. Hassanpour, "Heating characteristics of billet in a walking hearth type reheating furnace," Appl. Therm. Eng., vol. 63, no. 1, pp. 396–405, 2014.
[7] J.-Y. Jang and J.-B. Huang, "Optimization of a slab heating pattern for minimum energy consumption in a walking-beam type reheating furnace," Appl. Therm. Eng., vol. 85, pp. 313–321, 2015.
[8] Y. Liu, J. Wang, C. Min, G. Xie, and B. Sundén, "Performance of fuel-air combustion in a reheating furnace at different flowrate and inlet conditions," Energy, vol. 206, p. 118206, 2020.
[9] M. Zourazmai, M. Z. Targhi, and A. Ashouri, "Enhancing Temperature Uniformity and Recirculation in MILD Combustion Furnace: A Study on Angle of Burner’s Bluff Body," Case Studies in Thermal Engineering, p. 106561, 2025.
[10]        A. Ashouri, M. Zabetian Targhi, and K. Mazaheri, "Design Desirable Conditions for Inlet and Outlet Ports to Establish MILD Regime in a Heat Treatment Furnace," presented at the Tenth Fuel and Combustion Conference of Iran, Tehran, 2024.
[11]        A. Cavaliere and M. de Joannon, "Mild Combustion," Progress in Energy and Combustion Science, vol. 30, no. 4, pp. 329–366, 2004, doi: 10.1016/j.pecs.2004.02.003.
[12]        A. Ashouri, M. Z. Targhi, and S. Karami, "Inlet/outlet design and equivalence ratio adjustment of an industrial MILD steel furnace," Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 169, p. 109549, 2025.
[13]        A. Ashouri, M. Z. Targhi, and K. Mazaheri, "Enhancing thermal performance and reducing pollutant emissions in a steel reheating furnace through MILD combustion: A study on air distribution and outlet design," Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 161, p. 108535, 2025.
[14]        A. Ashouri and K. Mazaheri, "Effects of Burner Configuration Modification on CH4-H2 Fueled Industrial Steam Cracking Furnaces: Heat Transfer, Pollutant Emission, and Furnace Performance," Energy, p. 138023, 2025.
[15]        A. Ashouri and M. Z. Targhi, "Role of magnetic fields and flue gas recirculation (FGR) in a practical MILD heat treatment furnace: Mitigating CO and NO emissions," Energy, vol. 333, p. 137298, 2025.
[16]        A. Ashouri, M. Z. Targhi, K. Zarei, and K. Mazaheri, "Performance improvement, flame control, and NO emission reduction in MILD combustion: The role of magnetic fields in a Jet-Hot Coflow burner," Energy, p. 136268, 2025.
[17]        J. Tian, X. Liu, H. Shi, Y. Yao, Z. Ni, K. Meng, P. Hu, and Q. Lin, "Experimental study on MILD combustion of methane under non-preheated condition in a swirl combustion furnace," Applied Energy, vol. 363, p. 123109, 2024.
[18]        P. Li, F. Wang, J. Mi, B. Dally, Z. Mei, J. Zhang, and A. Parente, "Mechanisms of NO formation in MILD combustion of CH4/H2 fuel blends," Int. J. Hydrogen Energy, vol. 39, no. 33, pp. 19187–19203, 2014.
[19]        G. Szegö, B. Dally, and G. Nathan, "Scaling of NOx emissions from a laboratory-scale mild combustion furnace," Combust. Flame, vol. 154, no. 1-2, pp. 281–295, 2008.
[20]        G. Szegö, B. Dally, and G. Nathan, "Operational characteristics of a parallel jet MILD combustion burner system," Combust. Flame, vol. 156, no. 2, pp. 429–438, 2009.
[21]        S. Cao, C. Zou, Q. Han, Y. Liu, D. Wu, and C. Zheng, "Numerical and experimental studies of NO formation mechanisms under methane moderate or intense low-oxygen dilution (MILD) combustion without heated air," Energy Fuels, vol. 29, no. 3, pp. 1987–1996, 2015.
[22]        S. Xu, Y. Tu, P. Huang, C. Luan, Z. Wang, B. Shi, H. Liu, and Z. Liu, "Effects of wall temperature on methane MILD combustion and heat transfer behaviors with non-preheated air," Appl. Therm. Eng., vol. 174, p. 115282, 2020.
[23]        M. Saha, B. B. Dally, P. R. Medwell, and A. Chinnici, "Burning characteristics of Victorian brown coal under MILD combustion conditions," Combust. Flame, vol. 172, pp. 252–270, 2016.
[24]        M. Saha, B. B. Dally, P. R. Medwell, and A. Chinnici, "Effect of particle size on the MILD combustion characteristics of pulverised brown coal," Fuel Process. Technol., vol. 155, pp. 74–87, 2017.
[25]        P. W. Griffin and G. P. Hammond, "Industrial energy use and carbon emissions reduction in the iron and steel sector: A UK perspective," Applied Energy, vol. 249, pp. 109–125, 2019.
[26]        M. Si, S. Thompson, and K. Calder, "Energy efficiency assessment by process heating assessment and survey tool (PHAST) and feasibility analysis of waste heat recovery in the reheat furnace at a steel company," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 15, no. 6, pp. 2904–2908, 2011.
[27]        M. Ghadamgahi, P. Ölund, T. Ekman, N. Andersson, and P. Jönsson, "Numerical and experimental study on flameless oxy-fuel combustion in a pilot-scale and a real-size industrial furnace," Appl. Therm. Eng., vol. 141, pp. 788–797, 2018.
[28]        M. Kavand, M. M. Heyhat, and M. Z. Targhi, "Energy efficient design of a domestic porous burner using alumina ball packing," Energy, vol. 342, p. 139561, 2026.
[29]        R. Weber and F. Breussin, "Scaling properties of swirling pulverized coal flames: From 180 kW to 50 MW thermal input," in Symposium (International) on Combustion, 1998, vol. 27, no. 2: Elsevier, pp. 2957–2964.
[30]        J. Smart, D. Morgan, and P. Roberts, "The effect of scale on the performance of swirl stabilised pulverised coal burners," in Symposium (International) on Combustion, 1992, vol. 24, no. 1: Elsevier, pp. 1365–1372.
[31]        N. Suksam and J. Charoensuk, "Numerical investigation of the effect of constant velocity and constant residence time scaling criteria on the natural gas MILD combustion," J. Therm. Sci. Technol., vol. 14, no. 2, pp. JTST0022–JTST0022, 2019.
[32]        C. E. Baukal Jr, Industrial combustion testing. Taylor and Francis, 2010.
[33]        M. Kavand, M. M. Heyhat, and M. Zabetian Targhi, "The effect of equivalence ratio on the combustion characteristics and CO emissions of a porous burner used for cooking applications," Fuel and Combustion, vol. 18, no. 3, pp. 1–17, 2025.
[34]        A. Javareshkian, S. Tabejamaat, S. Sarrafan Sadeghi, and M. Baigmohammadi, "An Experimental Study on the Effects of Swirling Oxidizer Flow and Diameter of Fuel Nozzle on Behaviour and Light Emittance of Propane-Oxygen Non-Premixed Flame," Thermal Science, vol. 21, no. 3, pp. 1453–1462, 2017, doi: https://doi.org/10.2298/TSCI140706210J.
[35]        S. Sarrafan Sadeghi, S. Tabejamaat, and A. Javareshkian, "Experimental Study on the Effect of Swirling Flow and Oxidizer Type on the Stability, Light Emission, and Pollutant Emissions of Non-Premixed Propane Flames," Journal of Applied and Computational Mechanics, vol. 12, 2025, doi: https://doi.org/10.22055/jacm.2025.48481.5262.
[36]        Y. M. Al-Abdeli and A. R. Masri, "Stability characteristics and flowfields of turbulent non‑premixed swirling flames," Combustion Theory and Modelling, vol. 7, no. 4, pp. 731–766, 2003, doi: https://doi.org/10.1088/1364-7830/7/4/007.
[37]        Y. M. Al-Abdeli and A. R. Masri, "Turbulent swirling natural gas flames: Stability characteristics, unsteady behavior and vortex breakdown," Combustion Science and Technology, vol. 179, no. 1-2, pp. 207–225, 2007, doi: https://doi.org/10.1080/00102200600809092.
[38]        Y. Huang and V. Yang, "Dynamics and stability of lean‑premixed swirl‑stabilized combustion," Progress in Energy and Combustion Science, vol. 35, no. 4, pp. 293–364, 2009, doi: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2009.01.002.
[39]        S. M. Bagheri, M. Z. Targhi, M. M. Heyhat, and A. Ashouri, "Thermal analysis with extracting performance map in structured porous ceramic burners: A study for domestic cooking applications," Energy, p. 138822, 2025.
[40]        H. Soltanian, M. Z. Targhi, A. Ashouri, and M. Maerefat, "Experimental and Numerical Investigation of Heat Transfer Modes on Pot Surfaces in a Power Range of a Cooking Porous Burner," J. Clean. Prod., p. 143952, 2024.
[41]        S. Mohammadbagheri, M. Zabetian Targhi, M. M. Heyhat, and A. Ashouri, "Experimental Investigation of Flame Stability and Examination of Performance Map in a Structural Ceramic Porous Burner in Cooking Application," Fuel and Combustion, vol. 16, no. 4, pp. 1–15, 2024.
[42]        S. Sarrafan Sadeghi, S. Tabejamaat, A. Ghahremani, and S. Narimani Asl, "Effects of wall temperature on non-premixed micro-combustion: A comparative experimental study of copper and aluminum in Swiss-roll chambers," Fuel Processing Technology, vol. 274, p. 108237, 2025, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2025.108237.
[43]        S. Sarrafan Sadeghi, S. Tabejamaat, A. Ghahremani, and S. Narimani Asl, "A Novel Swiss-Roll Counterflow Micro-Combustor: Experimental Investigation of Methane-Oxygen Flame Behavior over Time," Applied Thermal Engineering, vol. 255, p. 123978, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.123978.
[44]        S. Sarrafan Sadeghi, S. Tabejamaat, A. Ghahremani, and S. Narimani Asl, "A Novel Swiss-Roll Counterflow Micro-Combustor: Experimental Investigation of Flame Dynamic Characteristics by Spectroscopy and RGB Image Processing Methods," Energy, vol. 299, p. 131495, 2024, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2024.131495.