氫氣侵蝕的機制包括氫氣滲透、氫氣在耐火材料中的擴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。
