氫氣侵蝕的機(jī)制包括氫氣滲透、氫氣在耐火材料中的擴(kuò)散和氫氣與耐火材料中的組分反應(yīng)等。在還原氣氛下，莫來石（A3S2）被還原的過程本質(zhì)上是由于其內(nèi)部的二氧化硅組分被還原，在還原氣氛下，莫來石被分解為Al2O3與SiO2且分解產(chǎn)生的SiO2進(jìn)一步與還原氣體發(fā)生還原反應(yīng)，先生成低價的氣相SiO隨著還原反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，最終可能被還原為單質(zhì)硅，而氫氣則被氧化，生成水蒸氣，具體反應(yīng)見式1至3。這種還原反應(yīng)在高溫環(huán)境下尤其容易發(fā)生。
A3S2---Al2O3+SiO2 （1）
SiO2+H2=SiO(g)+H2O（2）
SiO2+2H2=Si+2H2O （3）
耐火材料性能下降的原因：在鋁硅系耐火材料中，氫氣往往會滲透到耐火材料的孔隙，甚至晶界和晶粒內(nèi)部，從而引起耐火材料的脆化和開裂。此外，氫氣還可能與鋁硅系耐火材料中的組分間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成低價化合物，導(dǎo)致耐火材料結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而造成性能下降。在強(qiáng)還原氣氛下，試樣中的莫來石被侵蝕分解的趨勢很大，分解還原生成剛玉和SiO氣體。同時， 玻璃相中的部分SiO2也被還原成了SiO氣體，隨著反應(yīng)的繼續(xù)，還原反應(yīng)產(chǎn)生的SiO氣相逐漸逸出。氣態(tài)產(chǎn)物的揮發(fā)，導(dǎo)致了試樣中 SiO2含量的減少和Al2O3含量的相對增加造成了一定程度的質(zhì)量損失。
通過熱力學(xué)模擬可知，在還原氣氛下，Fe2O3會與鋁硅系耐火材料中的Al2O3、SiO2和莫來石等主要組分發(fā)生反應(yīng)，生成 Fe2SiO4、FeAl2O3和H2O，進(jìn)而影響到材料的結(jié)構(gòu)和性能。Fe2O3主要集中在礬土原料中，且以固溶體形式存在于莫來石晶體中，該部分Fe2O3易被還原成 FeO，而Fe 3+比 Fe 2+少一個電子，進(jìn)而少一個電子層，故Fe 2+的半徑比Fe 3+的半徑要大。因此，導(dǎo)致FeO從莫來石中脫溶出來，同時也破壞了莫來石的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致強(qiáng)度有所降低。對比莫來石試樣和礬土試樣的還原試驗結(jié)果認(rèn)為，莫來石試樣的相對失重率和強(qiáng)度衰減率均低于礬土試樣的原因主要包括以下幾方面：
(1)相對于莫來石試樣，礬土試樣的氣孔率更高，結(jié)構(gòu)更為疏松有更大的比表面積，與還原氣體接觸范圍更廣，有助于氫氣向試樣內(nèi)部擴(kuò)散以及生成的氣體產(chǎn)物的排出，在還原動力學(xué)上具有優(yōu)勢，反應(yīng)也會更為劇烈。
(2)莫來石試樣的 Fe2O3 含量比礬土試樣要低，相比于莫來石，鐵鈦等化合物更容易被還原，對試樣的抗還原性能的影響更大。因此，礬土試樣的質(zhì)量損失率更大，強(qiáng)度衰減率更高。
(3)礬土試樣中的 Fe2O3含量更高，所發(fā)生的侵蝕反應(yīng)除SiO2被還原成 SiO氣相外，還包括 Fe2O3還原成 FeO和Fe進(jìn)而FeO與Al2O3反應(yīng)形成鐵鋁尖晶石FeAl2O4，粘結(jié)填充于顆粒間隙。
顯微結(jié)構(gòu)變化不明顯的原因：顯微結(jié)構(gòu)的變化是還原反應(yīng)和Al2O3晶粒致密化共同作用的結(jié)果，當(dāng)溫度低于1600℃時，Al2O3晶粒致密化對還原反應(yīng)的進(jìn)一步深入有明顯的抑制作用，即還原反應(yīng)動力學(xué)上受到限制。雖然表面的部分莫來石與H2發(fā)生還原反應(yīng)，但由于形成的 Al2O3晶粒之間結(jié)合較為緊密，H2向骨料內(nèi)部的擴(kuò)散受到抑制，最終骨料內(nèi)部的莫來石還原程度較弱甚至未被還原。
