При температуре, близкой к точке плавления, в жидких металлах создаются комплексы атомов, сходно расположенных со структурой кристаллов. Однако этот порядок может быть в ничтожно малом объеме; при отдалении от какого-то атома порядок теряется, т. е. существует ближний и отсутствует дальний порядок. В переохлажденном металле эти комплексы ближнего порядка могут быть кристаллическими зародышами.
При соприкосновении жидкой стали с холодными стенками изложницы создается местное переохлаждение и в многочисленных центрах на основе комплексов ближнего порядка создаются
кристаллические зародыши, растут кристаллы. Благодаря интенсивному охлаждению, быстрому росту кристаллов создается тонкий поверхностный слой мелких равноосных кристаллов толщиной 5—15 мм. Этот слой представляет первую зону (рис. 135).
При образовании первой зоны стенки изложницы прогреваются, последующий теплоотвод замедляется, потому что корка слитка создает дополнительное сопротивление теплопереносу. Благодаря этим обстоятельствам, скорость кристаллизации резко снижается и протекает при значительно уменьшенном числе центров кристаллизации. Это создает условие формирования зоны столбчатых кристаллов, которые растут по линии теплоотвода, т. е. перпендикулярно стенке изложницы. Протяженность зоны зависит от температуры и химического состава стали.
В больших слитках, отлитых в изложницы, расширяющиеся кверху, с параметрами, определяющими высокое расположение теплового центра, может выделиться зона столбчатых кристаллов, отклоненных к тепловому центру (практически к головной части слитка).
С разогревом стенок изложницы, увеличением толщины затвердевшего металла и образованием зазора между стенками изложницы и слитком направленная кристаллизация останавливается. Оставшаяся часть расплава кристаллизуется замедленно, но при большем числе центров кристаллизации, роль которых выполняют неметаллические включения, вытесненные в остаточный слой металла. Эти условия создают зону дезориентированных кристаллов, которые становятся мельче по мере приближения к оси слитка.
Скорость кристаллизации слитка определяется температурой разливаемого металла, температурой изложницы, геометрией слитка и приблизительно подчиняется уравнению Филда ξ = k√τ, где ξ — толщина закристаллизовавшегося слоя, см; τ — время, мин; k — эмпирический коэффициент около 2,5— 2,8 см/мин.
Следует, однако, предположить, что уравнения квадратного корня должны быть различные для зоны столбчатых кристаллов и зоны внутреннего объема. Начальная скорость кристаллизации (образования первой зоны кристаллизации) очень высокая, затем она уменьшается и становится минимальной к моменту прекращения роста столбчатых кристаллов.
