端部感应加热是一种利用感应涡流实现坯料端部升温的环保型加热方式,具有能耗少、效率高、无污染和控制精准等优点,在金属加热工艺生产中广泛应用。在感应加热过程中,端部效应使得坯料端部位置易聚磁感线,造成端部感应电流密度较大,过大的心表温差容易引起过烧现象。本文基于电磁感应加热原理,以控制优化坯料端部心表温差为核心,结合生产实际的要求,开展了基于感应线圈加载电流随坯料温度变化的端部感应加热磁-热耦合的数值模拟研究。主要研究内容有:(1)阐述了电磁感应加热中的的集肤效应、邻近效应、圆环效应和端部效应四大基本理论,分析了感应加热中的集肤层深度与能量损失。针对坯料温升引起加热系统电阻和阻抗改变的特点,分析了感应加热过程中电阻和阻抗的变化规律。为提高磁-热耦合数值模拟的精度,提出了一种感应线圈加载电流随坯料温度变化的磁热耦合数值仿真方法,该方法通过编写APDL语言在ANSYS仿真环境得以实现。(2)分析了坯料端部感应加热磁场和温度场的特性。运用电流随坯料温度变化的数值仿真方法,获得了感应加热结束后磁力线在坯料端面集聚的分布规律;分析了加热过程中坯料中心和表面温度随时间的变化规律,以及坯料各个特定位置上沿径向和轴向的温度变化情况。仿真结果与生产实际基本吻合,解决了感应电流动态变化工况下加热过程磁-热耦合数值分析的求解难题。(3)开展了线圈结构对感应加热坯料端面均温性影响的优化研究。研究了坯料头部与感应线圈尾部之间的距离对加热效果的影响,根据坯料直径得出较优的距离值,获得了给定线圈长度下坯料加热长度的有效范围;分析了匝间距分段变化的等匝间距感应线圈和匝间距连续变化的非等匝间距感应线圈对坯料端面心表温差影响的变化规律,获得了改变线圈结构提高坯料端面加热温度的均匀性的优化方案,对感应线圈工程设计具有一定的指导意义;研究了在感应线圈尾部添加短路环后对坯料端面温度的影响情况,发现短路环会降低端部区域的磁通密度,对坯料端面的均温性有一定的改善效果。