Металлургическими печами называются агрегаты, в которых посредством тепловой энергии производятся необходимые физико-химические превращения металлосодержащих материалов с целью извлечения, рафинирования, а также обработки металлов. Решающая роль тепловой энергии в печах объясняется тем, что большинство физических и химических превращений веществ протекает с поглощением тепловой энергии, а скорость этих превращений возрастает с повышением температуры. Кроме того, большое значение в металлургии имеет агрегатное состояние вещества и подвижность его элементарных частиц, так как все процессы совершаются легче и быстрее в жидких или газообразных фазах, т. е. при расплавлении или испарении вещества.
Источником тепловой энергии в печах являются разнообразное углеродистое топливо, электрическая энергия или технологические процессы, идущие с выделением тепла.
Значение печей в металлургии весьма велико, так как они являются основными рабочими агрегатами, основными орудиями металлургического производства. Мировое производство металлов осуществляется в настоящее время в основном пирометаллургическим способом, т. е. путем переработки рудного сырья и полупродуктов в различных металлургических печах.
Современная металлургическая печь — это крупный механизированный и автоматизированный агрегат, размеры которого достигают в длину до 250 м, в ширину до 15 м и в высоту до 30 м. В течение суток металлургическая печь перерабатывает от нескольких сотен до нескольких тысяч тонн исходного сырья и потребляет сотни тонн топлива или сотни тысяч киловатт-часов электроэнергии. Для обслуживания печей приходится сооружать большие склады, устройства по подготовке шихты, транспортное хозяйство, газоотводящую систему с устройствами для очистки газов и дымовыми трубами, воздуходувные станции и т. д.
Для сооружения рабочего пространства металлургических печей основными материалами являются огнеупорные, сохраняющие механическую прочность при температуре до 2000° С и выше, а также специальные жароупорные сплавы. Для фундаментов, каркаса и других элементов печей, не подвергающихся воздействию высокой температуры, применяются обычные строительные материалы — цемент, строительный кирпич, стальной прокат и т. п. Отдельные элементы печей делают водоохлаждаемыми. Развитие и совершенствование печной техники находится в прямой зависимости от качества и свойств материалов, применяющихся для сооружения печей, и в первую очередь от качества и свойств огнеупорных материалов, что, в свою очередь, определяется состоянием и развитием огнеупорной промышленности.
Работа современных печей цветной металлургии слагается из следующих основных процессов, протекающих в рабочем пространстве печей в тесной взаимной связи и взаимной обусловленности:
- физико-химических превращений материалов и продуктов (технологический процесс);
- горения топлива или преобразования электрической энергии в тепловую (энергетический процесс);
- движения газов и жидкостей (гидроаэромеханический процесс);
- движения твердых материалов (механический процесс);
- теплообмена — внутреннего и внешнего, происходящего в газовой, жидкой и твердой фазах (теплообменный процесс).
Из простого перечисления этих процессов видно, что работа металлургических печей — очень сложный комплекс разнообразных процессов, каждый из которых имеет свои собственные закономерности, изучаемые в соответствующих самостоятельных крупных отраслях науки. Так, например, закономерности технологических процессов излагаются в физической химий, теории металлургических процессов, металлургии отдельных металлов и т. д. Закономерности движения газов и жидкостей освещаются в литературе по механике газов и жидкостей, а закономерности теплообмена — в обширной литературе, специально посвященной этому важнейшему процессу.
История развития науки о печах слагается, во-первых, из научных работ и открытий, непосредственно связанных с печной техникой, во-вторых, работ и открытий в области гидроаэромеханики, теплопередачи, теории горения, физической химии, теории металлургических процессов и т. п.
