耐火材料在還原性窯爐服役環(huán)境下，還原性氣體會通過氣孔進(jìn)入耐火材料內(nèi)部，與鋁硅系耐火材料中的部分組分以及氧化鐵等雜質(zhì)發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)而引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，影響服役性能，因此，對鋁硅系耐火材料的主要化學(xué)成分進(jìn)行還原氣氛下的化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)模擬計(jì)算，能夠明確不同組分在還原氣氛下的穩(wěn)定性情況，指導(dǎo)耐材選取。
熱力學(xué)模擬的的主要對象包括 Al2O3、Fe2O3、SiO2、A3S2、MgO、CaO、TiO2、CA6等；主要?dú)夥諚l件包括純氫氣氛以及兩種還原性的爐內(nèi)氣氛。
下表所示為鋁硅系耐火材料典型組分以及雜質(zhì)成分在500℃ ~1500℃的溫度區(qū)間內(nèi)與 H2/CO 還原氣體之間可能發(fā)生的潛在化學(xué)反應(yīng)，使用Reaction 模塊對上述潛在反應(yīng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出在模擬溫度區(qū)間內(nèi)，典型組分中的 Al2O3、CaO、CA6、MgO 與 H2/CO 還原氣體之間發(fā)生反應(yīng)的ΔG 始終大于0，反應(yīng)不易發(fā)生，說明這些組分在 H2/CO還原氣氛條件下能夠保持較高的穩(wěn)定性。
除了表中所能發(fā)生的潛在反應(yīng)外，在還原氣氛條件下，少量的雜質(zhì) Fe2O3會與鋁硅系耐火材料中的主要組分發(fā)生如式 3-1 至 3-3 的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而影響材料的性能。
Al2O3+Fe2O3+H2---FeAl2O4+H2O （3-1）
SiO2+Fe2O3+H2---Fe2SiO4+H2O （3-2）
Al6Si2O13+Fe2O3+H2---Fe2SiO4+FeAl2O3+H2O （3-3）
鋁硅系耐火材料主要成分在純氫以及 H2/CO 混合氣氛下的熱力學(xué)平衡，經(jīng)過計(jì)算和分析可以得到以下結(jié)論：
（1）在 500℃~1500℃的溫度區(qū)間內(nèi)，純氫氣氛條件下，鋁硅系耐火材料的主要成分均可被還原為單質(zhì)和低價(jià)化合物。而在混合氣氛條件下，鋁硅系耐火材料的主要成分中的Al2O3、MgO、CaO和CA6等組分幾乎不會被還原，而A3S2、SiO2、TiO2、Fe2O3等組分會較容易被還原。
（2）在常壓及高壓下，各組分被氫氣還原的反應(yīng)均可以發(fā)生。在500℃~1500℃的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，還原反應(yīng)更容易發(fā)生，還原反應(yīng)平衡正向移動。
（3）熱力學(xué)模擬計(jì)算結(jié)果表明，各氧化物組分在氫氣環(huán)境下的抗還原穩(wěn)定性排序?yàn)?/span> MgO>CaO>Al2O3≈CA6>A3S2≈SiO2>TiO2>Fe2O3。
（4）鋁硅系材料發(fā)生莫來石分解和鐵、鈦化合物的還原反應(yīng)可能導(dǎo)致材料的 微觀結(jié)構(gòu)和物理性能的大幅度變化。Fe2O3極易被還原，應(yīng)控制其在材料當(dāng)中的含量。
