În cristalizarea substanțelor pure, atunci când condițiile de echilibru sunt menținute la interfața cristal — metal lichid, cristalul trebuie să crească într-o formă perfect fațetată, inerentă substanței, iar periodicitatea rețelei cristaline trebuie păstrată în fiecare punct al cristalului. Cristalizarea oțelului este însoțită de formarea dendritelor (greacă: dendron — lemn).
Formarea structurii dendritice a oțelului turnat a fost identificată pentru prima dată de D.K. Chernoff, care a presupus că cauza creșterii cristalelor dendritice sunt impuritățile care determină cristalizarea selectivă a oțelului. În acest sens, la început, scheletele cristaline se formează sub formă de axe primare, relativ sărace în conținut de impurități și, mai ales, de carbon. Din axele primare perpendicular încep să crească axele de ordinul al doilea, din care la rândul lor se dezvoltă perpendicular pe ele axele de ordinul al treilea etc. (Fig. 88). Acesta este, în termeni generali, mecanismul de formare a dendritelor. Cu cât dendritele cresc mai puțin constrânse, cu atât ele ating dimensiuni mai mari. Celebrul cristal Chernov, găsit în învelișul de contracție al unui lingou de 100 t, cântărește 3,45 kg și are 39 cm înălțime.
Formarea zonelor structurale în lingou, adică procesul de cristalizare a lingoului în ansamblul său, trebuie privită din punctul de vedere al cristalizării secvențiale propuse de D. K. Chernoff, luând în considerare următoarele. K. Chernov, ținând seama de ideile moderne privind mecanismul de apariție și creștere a cristalelor.
Atunci când metalul fierbinte este turnat într-o căptușeală rece, stratul de metal aflat în contact cu acesta se răcește rapid și începe formarea abundentă de nuclee, care interferează între ele în creșterea lor și, prin urmare, dimensiunea cristalelor din această zonă este mică și acestea sunt orientate diferit. Acesta este modul în care se formează zona de suprafață a cristalelor mici.
Pe măsură ce grosimea acestei zone crește și, de asemenea, datorită apariției unui gol de gaz între peretele turnătoriei și metalul solidificat, îndepărtarea căldurii din metalul solidificat se înrăutățește și intensitatea formării de noi nuclee scade brusc. O parte din cristalele orientate favorabil, adică cristalele a căror axă crește în direcția opusă îndepărtării căldurii (perpendicular pe suprafața turnătorului), beneficiază de o dezvoltare preferențială. Cristalele cu o orientare slabă a axelor principale în raport cu suprafața de îndepărtare a căldurii vor fi eliminate rapid. Prin urmare, odată cu creșterea distanței de la peretele căptușelii la adâncimea metalului, numărul de grăunțe pe unitatea de suprafață scade până când rămân doar cristalele orientate favorabil, formând o zonă de cristale columnare în timpul creșterii lor (fig. 89).
Datorită cristalizării selective, impuritățile se acumulează în fața frontului cristalelor columnare. Temperatura de topire a metalului din stratul limită scade, ceea ce reduce rata de formare a cristalelor columnare, iar la un moment dat creșterea acestora se oprește complet, adică procesul de cristalizare se oprește pentru o perioadă. Ramurile dendritelor sunt topite în unele locuri. Vârfurile topite ale cristalelor columnare sunt uneori clar vizibile pe șabloanele lingourilor. A. T. Gudtsov a subliniat posibilitatea unei astfel de opriri în procesul de cristalizare.
O oprire a procesului de cristalizare corespunde sfârșitului formării zonei cristalelor columnare. Continuarea cristalizării este însoțită de formarea de cristale echiaxate, care încep să crească fie pe suprafața cristalelor columnare, fie în volumul de metal lichid din zonele limită. În acest caz, centrele de cristalizare sunt incluziuni la temperaturi înalte. Înaintea frontului metalului solidificat există simultan cristale și metal lichid — așa-numita regiune bifazică. Lățimea acestei regiuni crește treptat pe măsură ce frontul de cristalizare înaintează spre centrul lingoului. O parte din cristalele din regiunea bifazică pot cădea pe fundul lingoului din cauza diferenței de densitate dintre metalul lichid și cel solid. Acest proces este foarte răspândit în momentul încetării creșterii cristalelor columnare.
Cristalele libere se scufundă în partea inferioară a lingoului, formând o regiune bifazică dezvoltată, care se solidifică în volume separate. Primele cristale libere, care apar aparent în momentul inițial al cristalizării lingoului, sunt cele mai bogate în incluziuni nemetalice la temperaturi înalte. Aceste cristale, acumulate în partea inferioară a lingoului, asigură inițial o bună nutriție, în urma căreia „conul de depunere” are o structură densă. Volumul de metal din partea centrală a lingoului de deasupra conului de depunere, unde se scufundă cristalele, se solidifică periodic, pe măsură ce cristalele solide se acumulează în ele.
În zona de contact dintre căptușeală și suprastructura profitabilă are loc o eliminare mai intensă a căldurii, ceea ce determină accelerarea solidificării metalului în această zonă în comparație cu orizonturile lingoului situate mai jos. Poziția avantajoasă a zonei în cauză din punctul de vedere al alimentării cu profit conduce la formarea unei structuri dense (pod), în timp ce zonele de lingouri situate mai jos sunt caracterizate de un număr mare de pori.
În funcție de compoziția chimică a oțelului, proprietățile sale termofizice, inclusiv conductivitatea termică, se modifică. Această circumstanță poate modifica condițiile de disipare a căldurii în timpul cristalizării lingourilor și poate afecta semnificativ dezvoltarea zonelor individuale ale lingourilor. De exemplu, în lingourile de oțeluri cu conținut ridicat de crom și nichel, zona de cristale columnare este foarte dezvoltată, iar uneori zona de cristale echiaxate nu este deloc vizibilă. Lingoul are o structură transcristalină dezvoltată.
Natura structurii lingourilor obținute din oțel, pretratate în vid, se modifică. Lingourile din oțel tratat în vid cristalizează mai repede decât lingourile din oțel obișnuit. Acest lucru se explică prin conductivitatea termică mai mare a oțelului tratat în vid, deoarece în acesta există mai puține gaze și nu se formează bule de gaz microscopice, care împiedică disiparea căldurii.
Lingourile mici, care cântăresc 1-2 tone, turnate din oțel turnat în vid, nu prezintă o zonă de cristale columnare, în schimb se formează cristale mici de echilibru. Lingourile mari, cu o greutate de 4-7 tone, se caracterizează printr-o structură uniformă cu un grad mult mai scăzut de eterogenitate chimică.
În general, lingourile din oțeluri formate în vid se caracterizează printr-o structură mai densă, o friabilitate axială mai puțin accentuată, o structură cristalină mai fină decât lingourile din oțeluri obișnuite. Motivul pentru calitatea îmbunătățită a lingourilor din oțeluri formate în vid constă în reducerea conținutului de gaze din acestea, în principal hidrogen.
