定向凝固技术是利用晶体生长方向与热流方向平行且相反的自然规律，在模具中建立特定方向的温度梯度，使熔融合金铅板按照所需的晶体取向沿与热流方向相反的方向凝固的铸造工艺。定向凝固时，晶粒择优生长方向平行于热流方向的晶核沿单一方向稳定生长，不利取向的晶核生长受到抑制。定向凝固过程是使晶核按其择优生长方向单向连续生长，从而获得具有特殊择优晶粒取向的均匀柱状晶体结构。金属的优选生长方向与其晶格结构有关。铅等密排六方纯金属的优先生长方向一般是晶向，而合金的优先生长方向是晶向。

凝固理论基于查默斯等人的成分过冷理论和穆林斯等人的界面稳定性动力学理论(MS理论)。成分过冷理论能成功判断低速生长条件下平面凝固无偏析，避免胞状或枝晶生长。MS理论成功预言，随着生长速率的增加，固液界面的形态将从平面界面*胞晶*枝晶、胞晶*带状结构*稳定平面界面变化。定向凝固的一般原理是:将熔融铅板中的热量严格导向单一方向并垂直于生长的固液界面，使金属或合金以柱状晶或单晶的形式生长。固液界面越稳定，凝固效果越好。

为了使防辐射铅板晶体沿单一方向生长，凝固过程中固液界面宏观上必须保持平坦。因此，在固液界面前沿应保持足够高的温度梯度，温度梯度与晶体生长速率的比值GL/R应足够大。获得高质量定向组织的基本条件是保持界面前沿的高温度梯度。在高温度梯度下，可以适当提高凝固速度，而不会过度降低G L/R值。因此，人们常常用界面前沿的温度梯度来表征定向凝固技术和定向凝固设备的发展。