电解槽是电解炼镁的主要设备。电解槽电加热场的合理分布可以提高电流效率，降低吨镁DC电耗，延长电解槽寿命。近年来，随着计算机软硬件的飞速发展，热工设备的仿真也日新月异。热力设备的仿真大大加快了设备的开发和研究，为设备的生产提供了理论指导。

在铝电解槽的研究中，电加热场的模拟已经很详细，数值计算在铝电解槽的开发和优化中发挥了很大的作用。ANSYS商业软件广泛应用于铝电解槽电加热场的模拟研究。国内对镁电解的研究很少。本文利用ANSYS对镁电解场进行了研究和分析。

1.镁电解槽的三维电热耦合模型

(1)镁电解槽的三维物理模型

由于无隔板镁电解槽的长轴方向是对称的，因此选取整个电解槽的1/2作为分析对象(图1)，并做如下假设:①整个镁电解槽及其分析域的电场和热场为稳态场；(2)镁电解槽两部分的电、热分布和熔体流动沿中轴线对称；③每个阳极的负电流相同；每个阴极的电流负载是相同的。

图120ka无隔板镁电解槽1/2实体模型

图120 kA无隔膜镁电解槽1/2实体模型

(2)镁电解槽的控制方程

镁电解槽内的电传递遵循拉普拉斯方程，传热遵循有内热源的泊松方程:

公式(1)

σ-公式(1)中的电导率；v是潜力；λ-热导率；T-温度；Qvol -控制单元的焦耳热，在非导电部分其值为0。

(3)边界条件

1.传导方程的边界条件

阴极表面作为参考电位，OV；阳极、阴极和熔体导电，其他不导电；阳极电流流入，阴极电流流出，电流值为7500A。

2.热传导方程的边界条件

电解液为等温区，其温度按设计温度值给定；与电解液接触的电极表面和槽的内衬表面视为对流换热表面，采用第三种边界条件。储罐的环境温度是一个固定值，根据车间的环境温度给出；罐体表面与环境进行对流换热和辐射换热，根据传热学原理可以计算出总对流换热系数。

二、计算结果及分析

以120kA无隔板镁电解槽为例，将上述模型应用于电热耦合计算。图2是电解槽的温度场分布云图，图3、图4和图5分别是阳极、阴极和电解液的等势图，图6是电解液电流密度矢量图。

从图2中可以看出，溶液域的最远温度为702.431℃，最低温度为30.993℃。阳极头、阴极头和顶盖的平均温度分别为276.92℃、151.14℃和123.89℃。阳极插入部分附近的罐盖的温度高于罐盖的其他部分，因为阳极石墨具有高热导率，并且阳极头温度高于其他部分，导致其附近的罐盖的温度升高。

罐体内衬最高温度位于与熔体接触部分，温度向外逐层降低。罐底、镁收集室的侧纵向壁和端壁的等温线是长的、平的和直的。电解室纵壁内衬中耐火层和保温层之间的温度高于集镁室纵壁内衬相同位置的温度，阴极之间槽壁区域的温度高于其他部分，因为阴极是从电解室纵壁插入的，导致温度分布不均匀。由于角部结构与侧部结构不同，每个角部的温度梯度变化很大。

图2电解槽温度场分布云图

图2电解槽温度等值线图

图3阳极等电位图

图3阳极的等电位

图4阴极等电位

图4阴极等电位图

镁电解槽各部分的压降是电解槽设计的核心问题。电位分布直接影响电解槽的热场分布，进而影响电解槽的能量平衡。从图3 ~ 4可以看出，阳极头顶部电位最高，因为电流负载直接加载在阳极顶部，阳极电压越低，整体压降为0.656V .阳极工作面表面电压最高，阴极头顶部电压最低，为0 V .因为施加电压时， 认为工业电解槽的阴极连接方式是阴极头表面与母线焊接或压接。 中间阴极的电压降比两侧阴极的电压降大，中间阴极的电压降大约是侧阴极的两倍，因为中间阴极在两侧工作，而侧阴极只在一侧工作。阴极压降为0.148V，通过平均九组阴极压降计算得出。

图5电解液等电位图

图5电解质的等电位

图6电解液电流密度矢量图

图6电流密度矢量

从图5 ~ 6可以看出，电流主要集中在阳极和阴极之间，电流密度基本相同。电流也流过阴极的上部和下部，但量很小。除电解室外，其他区域也存在电位分布，说明电位分布的不均匀性。根据上述镁电解槽的温度和电压分布，根据电解温度和1h，从能量收支的角度计算无隔板镁电解槽的静态1/2槽模型的能量平衡。结果如下。能量收益(kW·h):阳极电阻加热33.66，阴极电阻加热7.93，电解质电阻加热50.50，总能量收益92.09；能耗(kW·h):罐盖散热12.16，纵壁7.69，端壁2.57，罐底1.55，阳极头56.60，阴极头9.34，总能耗89.91。可以看出，计算的能源收支相对误差小于5%，模型的能源收支基本平衡，因此本文建立的模型的准确性也得到了验证。

三、计算维度对计算的影响

在一维能量平衡计算中，经常用平均值代替具体值计算。然而，在设计电解槽时，阳极头、阴极头和槽盖的表面温度是未知的，所有的测量温度或现有电解槽的经验数据都用于计算。这些数值会对电解槽能量温度计算的准确性产生一定的影响，通过数值模拟计算可以减小误差。

(1)阳极头温度

根据无隔板镁电解槽的能量平衡计算可知，阳极头的散热量占所有散热量的比例最大，因此阳极头温度的准确性对能量平衡的计算有很大的影响。在一维设计计算中，一般选取现有电解槽的实测温度或经验值作为假设值，并假设各处相等。对流热和辐射散热由等式(2)和等式(3)计算

Q = α阳头× 10-3× S阳头× (T阳头-T室)(2)

q辐射=ξ×C0×S阳头× 10-3× {[(T阳头+273)/100] 4-[(T室+273)/100] 4 }× K (3)

利用上述公式计算了120kA电解槽阳极头散热量，阳极头总散热量为66.88(kW·h)/h

图7阳极和阳极头温度场分布云图

图7阳极和阳极头的温度等值线

从图7阳极和阳极头温度分布云图可以看出，阳极头温度分布不均匀，从239.78℃到377.484℃，从下到上温度逐渐降低，在拐角处温度最低。取阳极头表面节点温度的平均值。阳极头平均温度T =277.56℃，小于一维设计计算的假定值。利用ANSYS的APDL语言编写程序，计算出阳极头弯头的散热量为56.76 kW·h/h，也小于一维计算值。

(2)阳极部分的电流密度

阳极电压降的一维计算如下:

U =ρ×i off× L杨(4)

I-截面是阳极截面的电流密度，由通过单个阳极的电流与阳极的横截面积的比值得到。

在120kA电解槽中，I-break = 5a/cm2，假设条件相同。通过三维计算，阳极截面的电流密度分布如图8所示。

图8阳极截面电流密度分布

图8阳极截面电流密度分布

图8显示电流密度分布从上到下不一致，阳极上部电流密度最高，直到阳极与电解液接触位置基本不变，进入电解液后再向下逐渐降低。因为，在阳极没有插入电解质的部分，电流方向总是平行于阳极的插入方向。当电流流向浸在电解液中阳极部分时，由于阳极在两侧工作，电流从阳极的两侧流入电解液，然后通过电解液流向阴极。因此，随着深度的增加，阳极中的电流减小，阳极段的电流密度减小。

(3)电解过程中的电压降

一维电解质电压降是通过将阴极和阳极表面的几何平均电流密度乘以电极距离和电解质电阻率来计算的，并假设电流均匀地通过电极之间的一些电解质。但是，从图9可以看出实际情况。大部分电流集中在阳极和阴极之间的电解液区，但阳极和阴极周围也有电流，甚至有少量电流流过镁收集室区，这说明电解液中电流相对集中但不均匀。

图9电解质截面电流密度矢量图

图9切割表面的电流密度矢量

四。结论