随着我国电解铝工业快速发展,对铝用炭阳极的需求量和品质要求日益提高。孔隙通常占炭阳极的20%-30%,研究改善阳极孔隙结构和性能对减少铝电解碳耗和二氧化碳排放、提升阳极质量和降低电能消耗均具有重要意义。目前炭阳极生产中调控阳极孔隙结构仍基本沿用传统方法,采用图像分析方法研究调控阳极孔隙结构-性能的文献并不多见。本文旨在研究基于图像分析方法的炭阳极孔隙结构参数与阳极生坯密度、电阻率、二氧化碳反应性和阳极掉渣机理之间的关系,探索在不增加原材料成本的情况下改善炭阳极孔隙结构-性能及降低碳秏的新技术途径。主要研究结果如下:(1)优化图像分析方法的图像采集、处理和计算过程,结合体视学和形态学原理提出定义炭阳极材料孔隙率、孔隙直径、形状因子、孔隙分形和配位数等多种孔隙结构参数;同时针对石油焦颗粒提出伸长率、球形度、凹凸度、紧密度、轮廓比等表征参数,构建了获取截面图像数据表征炭阳极整体孔隙结构参数的分析处理方法,并可用于表征炭电极随服役过程进行而发生的孔隙结构参数改变,为铝用炭阳极结构和性能分析提供更多的技术支持。(2)通过图像分析方法提取石油焦颗粒形态参数,并建立石油焦形态参数与石油焦装填性能之间的关系模型,预测石油焦颗粒的装填性能。结果表明:石油焦颗粒振实密度和休止角随着石油焦颗粒的减小呈增大的趋势;石油焦颗粒形状参数随石油焦种类和石油焦粒径的变化并无明显规律,单一石油焦颗粒形状参数不足以表征石油焦颗粒的形态;同时石油焦颗粒形态特征参数之间存在明显的相关性。通过主成分分析成功将轮廓比、凹凸度和紧密度归为一类为表面粗糙度参数,将形状因子、球形度和伸长率归为形状特征参数。通过主成分分析减少了待分析特征参数,提高了模型的可预测性,石油焦装填密度和休止角的预测值和实验值之间高度吻合。(3)通过图像分析方法测量了石油焦颗粒的开口气孔率,根据石油焦颗粒混捏前后的密度变化,提出了测量沥青浸入石油焦开口孔隙的量的测量方法。结果表明,石油焦颗粒有效密度、开口孔隙被沥青填充比例系数与颗粒粒径、混捏温度和混捏时间密切相关,与阳极糊料中沥青添加量关系并不显著。随着颗粒粒径减小,石油焦颗粒有效密度增大、开口孔隙被沥青填充比例系数减小;混捏温度由140℃升高到190℃时,石油焦有效密度由1.55g/cm3增大到1.75g/cm3,沥青吸收系数由0.33增大到0.79;混捏时间从2min延长到6min时,石油焦有效密度由].58g/cm3增大到1.69g/cm3,沥青吸收系数由0.40增大到0.66,二者随继续延长混捏时间变化甚微。此外,阳极生坯密度可随石油焦沥青填充比例系数增大而升高,并随石油焦颗粒间孔隙率增大而降低。采用上述基于图像分析方法的混料数据,将有助于进一步提升炭阳极密度和整体质量。(4)通过图像分析方法并结合灰色理论研究分析炭阳极孔隙特征与电阻率的关系,着重探索炭阳极内部孔隙-孔径分布规律及其对电阻率的影响。结果表明:炭阳极内部的孔隙分布满足分形规律,分析维数越大表明炭阳极内部孔隙的分布越复杂,并有可能产生使电阻率增大趋势。而进一步通过灰色关联理论分析孔隙-孔径分布与电阻率之间的相关性,发现炭阳极的电阻率除受孔隙的影响还与孔隙的分布状态有关。炭阳极的电阻率与直径在100-200μm之间的孔隙关联度最大,着重调控该区间的孔隙结构并减少孔隙-孔径分布的不均匀性将有利于降低炭阳极电阻率;炭阳极电阻率随温度的变化呈负温度电阻率特性。(5)利用图像分析方法,对炭阳极二氧化碳反应过程中孔隙结构参数的变化的研究结果表明,在28MPa条件下制备的阳极的失重率最小,36MPa条件下制备的阳极的失重率最大,反应初期阳极失重速率明显加快,但随着反应的进一步进行反应速率趋于稳定。随着反应时间的增加阳极内部孔隙率增大;内部孔隙数量先减小后增大;孔隙形状因子变大,孔隙逐渐变得狭长;同时微裂纹孔隙也在不断的增多。反应动力学研究获得炭阳极随着二氧化碳反应过程持续进行,表观活化能由230kJ/mol减小到201kJ/mol;其中沥青焦相表观活化能小于石油焦相,证实阳极掉渣是由于多孔沥青焦被优先反应并导致周边石油焦颗粒脱落的选择性反应机理。