La temperaturi apropiate de punctul de topire, în metalele lichide se creează complexe de atomi dispuse similar structurii cristalelor. Totuși, această ordine poate fi într-un volum neglijabil; pe măsură ce ne îndepărtăm de un atom, ordinea se pierde, adică există ordine apropiată și nu ordine îndepărtată. În metalul supraîncălzit, aceste complexe de ordine apropiată pot fi germeni de cristal.
Atunci când oțelul lichid intră în contact cu pereții reci ai căptușelii, se creează o supraîncălzire locală și nuclee cristaline în numeroase centre pe baza complexelor de ordine apropiată, cresc cristalele. Datorită răcirii intensive și creșterii rapide a cristalelor, se creează un strat superficial subțire de cristale mici echiaxate cu grosimea de 5-15 mm. Acest strat reprezintă prima zonă (fig. 135).
Atunci când se formează prima zonă, pereții căptușelii sunt încălziți, îndepărtarea ulterioară a căldurii este încetinită deoarece crusta lingoului creează o rezistență suplimentară la transferul de căldură. Datorită acestor circumstanțe, rata de cristalizare este brusc redusă și se desfășoară cu un număr semnificativ redus de centre de cristalizare. Se creează astfel o condiție pentru formarea unei zone de cristale columnare, care se dezvoltă de-a lungul liniei de absorbție a căldurii, adică perpendicular pe peretele turnătoriei. Întinderea zonei depinde de temperatura și compoziția chimică a oțelului.
În cazul lingourilor mari, turnate în butoaie, care se extind în sus, cu parametri care determină o localizare înaltă a centrului termic, poate apărea o zonă de cristale columnare deflectate spre centrul termic (practic spre partea superioară a lingourilor).
Odată cu încălzirea pereților turnătorului, creșterea grosimii metalului solidificat și formarea unui spațiu între pereții turnătorului și lingou, cristalizarea direcțională încetează. Partea rămasă din topitură cristalizează mai lent, dar cu un număr mai mare de centre de cristalizare, al căror rol este îndeplinit de incluziunile nemetalice deplasate în stratul rezidual de metal. Aceste condiții creează o zonă de cristale dezorientate, care devin mai puțin adânci pe măsură ce se apropie de axa lingoului.
Viteza de cristalizare a lingourilor este determinată de temperatura metalului turnat, de temperatura turnătorului și de geometria lingourilor și este guvernată aproximativ de ecuația Field ξ = k √τ, unde ξ este grosimea stratului cristalizat, cm; τ este timpul, min; k este un coeficient empiric de aproximativ 2,5- 2,8 cm/min.
Cu toate acestea, trebuie presupus că ecuațiile rădăcinii pătrate trebuie să fie diferite pentru zona cristalului columnar și pentru zona volumului interior. Rata inițială de cristalizare (formarea primei zone de cristalizare) este foarte mare, apoi scade și devine minimă în momentul în care se oprește creșterea cristalelor columnare.
