中间包感应加热能够有效地为连铸过程提供热量,实现钢液在低过热度时的恒温浇铸,对改善钢坯质量和稳定操作具有重要意义。由于国产中间包电磁感应加热装置的磁热性能不稳定,所以国内钢铁企业比如宝钢、抚钢的中间包感应加热装置都由国外进口,然而到目前为止,关于中间包感应加热器电磁场的研究尚是一片空白,所以对感应加热中间包叠片铁芯磁热性质的研究具有重要意义。本文针对中间包的电磁感应加热装置,重点对叠片铁芯内电磁场和温度场展开数值模拟研究。依据感应中间包的工作原理,基于有限元法,选用磁矢量位与电标量位相结合的求解方法,在麦克斯韦方程组、电场和磁场的本构方程、电流连续性方程、焦耳热定律的基础上建立了适合本研究的数学模型,并确定了本模型三维电磁场求解所需的磁平行边界条件及感应线圈实常数设定的初始条件等。接着,本文为感应加热装置建立了一种新型物理模型,该模型将铁芯划分为厚度为2mm的硅钢片,且用0.06mm的绝缘层将硅钢片隔离开,由于叠片铁芯中的硅钢片和绝缘层的长和宽分别为2515mm和2327mm,长度与厚度的巨大比值致使本模型的网格划分极为困难,经过不懈努力最终实现了 201个硅钢片厚度方向上的4层网格结构,将建立的数学模型应用于本物理模型,并采用谐波算法,可准确求解出硅钢片及钢液内的电磁场分布,本模型与以往模型相比,可以准确地计算出硅钢片内的涡流分布。然后利用该模型研究了感应线圈布置方式、硅钢片形状和电流大小对感应加热电磁场和焦耳热的影响,为感应加热装置的设计提供理论指导,并采用该模型对某钢厂通道式感应加热包的电磁场和焦耳热进行分析,得到了与实际相符的焦耳热分布。再采用顺序耦合的方法,将电磁场计算中得到的焦耳热作为源项加入能量守恒方程,基于有限体积法,运用动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程对硅钢片通风冷却过程进行瞬态求解,分析了硅钢片的温度场及空气的流场、温度场、压力场的分布,为感应加热装置冷却系统的设计提供理论指导。本课题研究结论:(1)在四种线圈布置方式中,单侧单个线圈布置方式是感应加热线圈布置的首选方式,其电效率为90.34%;在三种形状的硅钢片中,闭合的口字形硅钢片的导磁和加热效果最好;感应加热中间包各部分及总功率与电流的平方成正比,且其电效率与电流大小无关。(2)硅钢片横截面和表面上都有明显的涡流分布,四个内角处的涡流较大。叠片铁芯内越靠近中心的硅钢片的焦耳热越小,每个硅钢片的焦耳热分布与其涡流分布一致。磁场沿硅钢片传播,并形成闭合回路,四个内角处的磁感应强度较大,由于涡流的存在,磁感应强度沿传播方向逐渐减小。(3)当感应线圈中通入交流电时,中间包内形成电流闭合回路,通道内的电流密度远大于两端注流室和连铸室的电流密度,由于电流的临近效应,通道内侧的电流密度大于外侧的电流密度;感应电流的周期性变化引起了感应磁场,通道内及周围产生了非均匀的环形磁场;通道内的电流与磁场相互作用,产生了指向通道中心的偏心电磁力;感应电流与钢液的电阻相互作用产生焦耳热,其中通道内的焦耳热占中间包总焦耳热的77.54%。(4)当感应加热器无通风冷却时,感应加热进行5.6h后,硅钢片温度高达620K;当用300K的空气对感应加热器进行冷却时,通风流量分别为3.61m~3/s,4.19m~3/s,4.69m~3/s时,硅钢片无通风区域的最高温度分别为352.46K、351.98K和351.47K,通风区域的最高温度分别为344.97K、340.37K和336.77K,通风冷却有效地控制了硅钢片的温度。