铝电解槽是炼铝的核心设备,其发展与进步代表了电解铝工艺的革新。传统铝电解工艺一直沿用消耗性的炭素阳极,由此产生了一系列的问题,惰性阳极及其电解新工艺因能解决这些问题而成为国际铝业界的研究焦点,因此开展惰性阳极铝电解槽设计方面的研究具有十分重要的意义。本文以满足国家“863”重点项目中关于“构建扩大试验用(5kA级)惰性阳极铝电解槽”的需求为目标,以本课题组研发的一种金属陶瓷惰性阳极为应用原型,开发了惰性阳极铝电解槽的物理场仿真方法。主要研究成果如下:(1)在充分研究用金属陶瓷惰性阳极替换现行炭素阳极后电解槽在结构和工艺参数等方面所发生的显著变化的基础上,建立了惰性阳极铝电解槽“电-磁-热-流-应力”等物理场的仿真计算方法及程序。经验证,此方法合理可行、收敛性好、精度较高,为惰性阳极铝电解槽的开发提供了技术支持。(2)针对本课题组研发的一种深杯状金属陶瓷惰性阳极,深入研究了其热应力的分布与演变规律。计算结果表明:压应力作用于阳极大部分区域,在阳极与电解质及空气接触的三相界面处存在较大的轴向拉应力,是阳极破裂的主要原因;通过优化阳极结构参数、阳极浸入电解质中的深度以及电解工艺参数(包括阳极电流密度和电解温度等)可以达到减缓阳极热应力的目的,例如,适当增加阳极高度、阳极中孔深度和降低中孔半径、阳极浸入电解质中的深度以及降低电解温度均可降低阳极热应力。(3)针对已有的铝电解槽熔体流动场(即流场)仿真计算方法对流场(尤其是结构相对较复杂的惰性阳极周边的流场)仿真计算效果不佳的问题,提出了铝电解槽准三相流仿真计算方法。通过将气体作用等效为体积力作用,将复杂的电解质-铝液-气泡三相流计算转化为多步两相流计算,从而能够实现在气体及电磁力共同作用下电解质和铝液流场的耦合计算。应用该方法对惰性阳极铝电解槽的流场仿真计算表明,通过优化阳极结构参数、阳极浸入电解质中的深度以及电解工艺参数可以达到优化电解质和铝液流场的目的。(4)提出了多种5kA级惰性阳极铝电解槽结构原型,研究了电解槽的电热场、热应力、电磁场、流场等物理场的分布特征。对比分析表明,采用六阳极为一阳极组的电解槽比采用八阳极为一阳极组的电解槽具有更优的物理场分布,适宜电解槽采用。在此基础上仿真研究了过热度及电流强度对5kA级惰性阳极铝电解槽物理场的影响,这些结论为惰性阳极电解槽的建造与试验提供了技术支撑。