锂冶金是有色金属行业里的重要组成部分。作为一种基础材料,锂及锂合金在航天、电力、运输、机械、军工等众多领域都得到了十分广泛的应用。近些年来,随着锂电池等行业的不断兴起,锂电解工业也得到了迅速的发展,我国锂资源丰富,是世界主要的锂生产国。然而,锂冶金工业一直以来也存一些问题,例如能耗过大,电解得到的金属锂纯度较低,其中电解工序在锂冶金工业的工艺流程中占比很大。因此通过优化电解槽结构参数,提高锂电解槽电解效率可以有效降低锂冶金工业的能耗。锂电解槽在工业生产中降低能耗的有效途径是在达到电解温度的条件下尽可能降低锂电解槽中的电解温度。因此选取电解槽四个主要结构参数,通过仿真优化得到最佳的电解槽结构参数组合,在该组合下电解槽的电解效率最高。并且通过改变电解过程中消耗最大的氯化锂物料,来调节电解质的成分和电解温度。通过分析在锂电解槽处于热平衡状态下氯化锂添加量与电解槽温度等参数的关系,得出在电解槽稳定工作状态每个工时最佳的氯化锂添加量,从而使得能够锂电解槽在正常电解条件下,以较低的电解温度进行电解生产,达到节约能源、提高电解效率的目标。本论文完成的主要工作内容和创新点如下:(1)建立悬挂式阴极金属锂电解槽的三维电场模型,运用仿真软件COMSOL对1kA锂电解槽的三维电场进行分析得到电解槽内的电场分布,电场主要分布在石墨阳极区、低碳钢阴极区以及中间电解区。其中电流从阳极流入阴极,中间电解区域电势线十分密集。研究了锂电解槽不同结构参数包括阳极直径、阳极插入深度、极间距和阴极插入深度对热场的影响,以电流密度为目标,得出最佳参数组合,并通过试验验证仿真结果的正确性。(2)在查阅相关文献的基础上,结合现有金属锂电解槽在电解过程中的工艺流程,从锂电解槽内物料添加量的角度,研究了氯化锂添加量与电解温度之间的耦合关系并建立人工神经网络模型。试验结果显示,通过研究氯化锂添加量与电压、电流、电解槽温度、出锂量之间的关系,控制合理的氯化锂添加量,在维持能够正常电解的温度情况下,能够提高电解效率并降低能耗。通过对锂电解槽三维热场模型的模拟仿真,得出最佳石墨阳极的插入深度与石墨阳极与低碳钢阴极之间的距离。(3)对金属锂电解槽槽型进行设计,对高效率锂电解槽相关设备进行安装,设计试验方案并对试验结果进行处理。验证了三维电解槽电场和热场模型所优化结果的正确性,并且验证了氯化锂添加量模型的合理性。