镁电解槽是电解法制镁的核心设备,其发展与进步代表了电解工艺的革新,镁电解槽在运行过程中主要涉及电场、热场、流场、浓度场、应力场、磁场等物理场,各个物理场之间存在复杂的耦合关系,深入研究多物理场的耦合关系成为镁电解槽革新面临的主要科技难题。良好的物理场分布可以有效提高电流效率,降低电解直流能耗,但是由于缺乏需求牵引,国内镁电解技术的发展缓慢,镁电解槽物理场的研究几乎空白,深入研究镁电解槽物理场对发展我国自主先进、大型镁电解槽有重要意义。因此,本文重点研究镁电解槽的电场、热场以及电热场之间的耦合关系,并基于镁电解槽的电热场分布,进行了镁电解槽大型化优化设计。本文以大型通用软件ANSYS为平台,建立了三维电场、热场耦合计算模型,利用APDL参数建模编写了通用电场仿真计算程序和热电场仿真计算程序,通过仿真程序可以快捷考察某个结构工艺参数对电解槽物理场的影响,提高了电解槽优化设计效率。本文基于120kA镁电解槽,深入研究了电流强度、电流密度、阴阳极尺寸、阴阳极极距、阴阳极相对位置及电解质高度对镁电解槽电场的影响,为优化电解槽设计提供参考。镁电解槽的热场仿真优化研究主要针对结构工艺参数电流强度、电解温度、环境温度、阳极传热系数、其它部件传热系数、极距对电解槽的散热量、热平衡偏差率、温度场的影响,为节能型镁电解槽的设计提供依据。最后,基于电场及热场仿真优化研究,提出了一种新的、快速的镁电解槽设计方法,并应用于430kA镁电解槽的开发,得到电流效率为85%的6个可行设计方案。依据热电平衡理论和最小电压降准则,最终得到吨镁直流电耗为13.27×103kW·h、阳极个数为32、阴极个数为34、长宽高11.07×3.84×2.65m、极距为0.04m的最优电解槽,其电流密度为0.5A·cm-2、槽电压为5.11V、热平衡偏差率为0.13%。