定向凝固技術是利用晶體生長方向與熱流方向平行且相反的自然規律，在模具中建立特定方向的溫度梯度，使熔融合金鉛板按照所需的晶體取向沿與熱流方向相反的方向凝固的鑄造工藝。定向凝固時，晶粒擇優生長方向平行于熱流方向的晶核沿單一方向穩定生長，不利取向的晶核生長受到抑制。定向凝固過程是使晶核按其擇優生長方向單向連續生長，從而獲得具有特殊擇優晶粒取向的均勻柱狀晶體結構。金屬的優選生長方向與其晶格結構有關。鉛等密排六方純金屬的優先生長方向一般是晶向，而合金的優先生長方向是晶向。

凝固理論基于查默斯等人的成分過冷理論和穆林斯等人的界面穩定性動力學理論(MS理論)。成分過冷理論能成功判斷低速生長條件下平面凝固無偏析，避免胞狀或枝晶生長。MS理論成功預言，隨著生長速率的增加，固液界面的形態將從平面界面*胞晶*枝晶、胞晶*帶狀結構*穩定平面界面變化。定向凝固的一般原理是:將熔融鉛板中的熱量嚴格導向單一方向并垂直于生長的固液界面，使金屬或合金以柱狀晶或單晶的形式生長。固液界面越穩定，凝固效果越好。

為了使防輻射鉛板晶體沿單一方向生長，凝固過程中固液界面宏觀上必須保持平坦。因此，在固液界面前沿應保持足夠高的溫度梯度，溫度梯度與晶體生長速率的比值GL/R應足夠大。獲得高質量定向組織的基本條件是保持界面前沿的高溫度梯度。在高溫度梯度下，可以適當提高凝固速度，而不會過度降低G L/R值。因此，人們常常用界面前沿的溫度梯度來表征定向凝固技術和定向凝固設備的發展。