鋁電解槽是冰晶石—氧化鋁熔鹽電解法的核心設備，也是鋁電解工業發展的最重要的標志。一百多年來，鋁電解槽結構不斷改進優化，尤其是陽極結構部分，由最初的小型預焙電解槽、側插自焙陽極電解槽、上插自焙陽極電解槽，發展到大型不連續、連續預焙陽極電解槽，到今天使用的中間下料大型預焙陽極電解槽。鋁電解槽設計制造的容量也從160 kA、200 kA、280 kA逐步提高到320 kA、350 kA、420 kA、500 kA等大型預焙電解槽，現已成為鋁電解工業的主流，占世界產能的40%，并不斷地朝著大型化、現代化方向發展。

       雖然我國鋁產量處于世界第一位，但是我國鋁工業存在著許多問題。總體上產能過剩，行業內競爭激烈；國內氧化鋁、電力供應價格不斷上漲，原鋁的生產成本也相應增加；鋁土礦資源短缺；環境污染嚴重等制約著鋁產業的進一步發展^[7]。開發新技術，使鋁電解槽更加節能，降低鋁電解成本是鋁工業的發展趨勢。然而，鋁電解過程是一個電場、磁場、熱場、力場、流場以及濃度場復雜多物理場共同作用的過程，分析各場的作用機理，才能準確的描述鋁電解槽運行規律。開展多物理場仿真研究，逐步掌握鋁電解槽的運行規律，實現高效率、低能耗的鋁電解槽生產是鋁電解技術發展的趨勢。

                                                                  電熱場耦合計算

1 模型說明

       電熱場計算模型主要包括：立柱母線、大母線、陽極導桿、爆炸焊、陽極鋼爪、磷生鐵、陽極炭塊、電解質、鋁液、爐幫、陰極炭塊、鋼棒、扎糊、槽殼、搖籃架以及側部和底部的保溫材料。

       槽幫模型的建立是通過建立槽幫橫截面形狀再拉伸而成。通過不斷調整橫截面形狀，可以調整槽幫模型，最終使槽幫表面節點溫度達到電解質結晶點。

       拉伸而成的槽幫模型和角部炭塊模型有一部分是重疊的，需要進行布爾操作，而Solidworks里面沒有相減的布爾操作，所以布爾操作在導入workbench后進行。

       陽極高度根據換極表確定。

                                                           圖1熱場計算整體模型

2 邊界條件

1、電場邊界條件

（1）立柱母線底部施加總電流420KA

（2）陰極鋼棒端頭施加零電位

2、熱場邊界條件

（1）電解槽周圍溫度按照車間實測溫度施加為50℃，覆蓋料表面溫度施加為槽內煙氣溫度120℃，其余位置根據實測結果給出。

（2）覆蓋料與槽罩內的空氣為對流和輻射換熱，綜合傳熱系數由公式確定。

3 后處理

1、電場計算結果

       電解槽導電部分電位分布如圖3- 2所示，從圖中可以看到，電解槽的總的壓降約為2.07V。

                                                    圖 2 電解槽電位分布

         電解槽各部分的電壓降不能直接通過云圖進行提取，而是要利用公式U=Q/I，根據各部件產生的焦耳熱提取。因此要先把熱場模型導入ANSYS APDL中進行計算，然后利用ANSYS后處理中的單元表提取焦耳熱，再根據焦耳熱計算出各部件的壓降。

2、溫度場計算結果

電解質和鋁液溫度分布如圖3和圖4所示。電解質和鋁液溫度為950~953℃左右，與實際生產中的電解溫度比較接近。

                                                         圖3 電解質溫度

                                                          圖4 鋁液溫度

     4 結論

      本文建立了電解槽全槽電-熱耦合計算模型。模型中考慮了陽極高度的變化，陽極高度分布由換極表確定。模型還考慮了電化學反應吸熱以及陽極炭塊和磷生鐵的接觸壓降等因素，使模型與實際情況更加接近。利用此模型對電解槽的電熱場進行計算，得出了電解槽的溫度分布、壓降分布、散熱量分布等，CAE分析與實際測試結果一致，模型可靠性得到了驗證。