金属铝脱氧形成的大尺寸氧化铝夹杂物严重影响钢材质量，同时在浇注过程中造成水口堵塞，如何减轻氧化铝夹杂对炼钢生产和钢材质量的危害成为冶金工作者长期以来密切关注的问题之一。强化去除、钙处理改性以及细化尺寸是可能减轻氧化铝夹杂危害的几种主要技术。课题从细化氧化铝尺寸角度出发，考虑脱氧初期处于纳米尺度的亚稳脱氧产物的特殊热力学性质，采用第一性原理方法研究了脱氧反应形核问题，期望为脱氧过程中氧化铝夹杂的细化控制提供理论基础。首先，采用第一性原理方法计算了铝脱氧反应可能形成的氧化铝团簇、纳米Al2O3颗粒等亚稳相的热力学性质。用DMol3计算了团簇(Al2O3)n，n=1~10,15,30的结构及热力学性质，并由此得到炼钢温度下生成(Al2O3)n的Gibbs能变化(Δ θrG m)。结果表明：（1）(Al2O3)n的CP、H和S随T升高而增大；GV随T升高而减小，在400-500K范围内两两相交，说明团簇的稳定性再此范围内发生转变；（2）[Al]、[O]反应生成团簇、团簇形成宏观α-Al2O3的Δ G θrm呈逐级降低趋势；（3）(Al2O3)2的稳定性高于(Al2O3)1，而(Al2O3)n,n=3~10,15,30的稳定性相近，并均高于(Al2O3)2，团簇稳定性随n的变化规律不是简单的线性关系，说明一定条件下(Al2O3)n, n=3~10,15,30可能相互转化。利用CASTEP计算了纳米Al2O3颗粒的热力学性质，并以此得到[Al]、[O]反应生成纳米Al2O3的Δ G θrm。结果表明：（1）CV、H、Δ θrG m随颗粒尺寸增大而减小，FV、S随尺寸增大而增大；（2）当颗粒尺寸在2-15nm时，CV、H、FV、S以及Δ G θrm的尺寸效应明显；（3）当颗粒尺寸在50-100nm时，CV、H、FV、S及Δ G θrm和宏观α-Al2O3接近，此时尺寸效应对热力学的影响很小。第二，利用上述热力学规律探讨了铝脱氧的形核机制。钢液脱氧过程中，[Al]、[O]反应首先形成(Al2O3)n，而在团簇中可能经历(Al2O3)1转化为(Al2O3)2、(Al2O3)2转化为(Al2O3)n, n=3~10,15,30的潜在过程，然后，(Al2O3)n经进一步聚集转化为α-Al2O3晶核。利用团簇及纳米Al2O3的Δ G θrm得到log[mass%Al]~log[mass%O]关系，分析了Al脱氧后的过剩氧现象表明，熔体中存在的亚稳相可能是造成过剩氧的主要原因。以铁粉和氧化铁为原料，通过配比控制[O]含量，混匀、压块成型，采用高温管式炉进行熔炼脱氧试验。用扫描电镜观察了固体铁中夹杂物的成分、尺寸和形貌，结果显示：大部分氧化铝尺寸较小，约1-5μm；部分氧化铝周围包裹氧化铁，为加铝量不足的情况，外层氧化铁可能是在冷却过程中过剩氧与铁元素反应形成，初步说明在高温熔体或冷却过程中，过剩氧已聚集在已形成的氧化铝夹杂周围。