Cuptoarele metalurgice sunt unități în care transformările fizice și chimice necesare ale materialelor care conțin metale sunt efectuate cu ajutorul energiei termice în vederea extragerii, rafinării și prelucrării metalelor. Rolul decisiv al energiei termice în cuptoare se explică prin faptul că majoritatea transformărilor fizice și chimice ale substanțelor au loc prin absorbția de energie termică, iar viteza acestor transformări crește odată cu creșterea temperaturii. În plus, starea de agregare a substanței și mobilitatea particulelor sale elementare sunt foarte importante în metalurgie, deoarece toate procesele se desfășoară mai ușor și mai rapid în faza lichidă sau gazoasă, adică atunci când substanța este topită sau vaporizată.
Sursa de energie termică a cuptoarelor este o varietate de combustibili carbonici, energie electrică sau procese tehnologice care produc căldură.
Importanța cuptoarelor în metalurgie este foarte mare, deoarece acestea sunt principalele unități de lucru, principalele instrumente de producție metalurgică. În prezent, producția mondială de metale se realizează în principal prin metoda pirometalurgică, adică prin prelucrarea materiilor prime minerale și a intermediarilor în diferite cuptoare metalurgice.
Un cuptor metalurgic modern este o mare unitate mecanizată și automatizată, ale cărei dimensiuni ajung până la 250 m lungime, 15 m lățime și 30 m înălțime. Pe parcursul unei zile, un furnal metalurgic prelucrează de la câteva sute la câteva mii de tone de materii prime și consumă sute de tone de combustibil sau sute de mii de kilowați-oră de energie electrică. Pentru deservirea cuptoarelor, trebuie construite depozite mari, instalații de pregătire a încărcăturii, instalații de transport, un sistem de evacuare a gazelor cu dispozitive de curățare a gazelor și coșuri de fum, stații de suflare etc.
Principalele materiale utilizate pentru construcția spațiului de lucru al cuptoarelor metalurgice sunt materialele refractare care își păstrează rezistența mecanică la temperaturi de până la 2000°C și peste, precum și aliajele speciale rezistente la căldură. Pentru fundații, cadre și alte elemente ale cuptoarelor, care nu sunt expuse la temperaturi ridicate, se folosesc materiale de construcție obișnuite — ciment, cărămizi de construcție, oțel laminat etc. Elementele separate ale cuptoarelor sunt răcite cu apă. Dezvoltarea și îmbunătățirea tehnologiei cuptoarelor depind în mod direct de calitatea și proprietățile materialelor utilizate pentru construcția cuptoarelor și, în primul rând, de calitatea și proprietățile materialelor refractare, care, la rândul lor, sunt determinate de starea și dezvoltarea industriei refractare.
Funcționarea cuptoarelor moderne de metalurgie neferoasă constă în următoarele procese principale care au loc în spațiul de lucru al cuptoarelor în strânsă legătură și dependență reciprocă:
- transformări fizice și chimice ale materialelor și produselor (proces tehnologic);
- arderea combustibilului sau transformarea energiei electrice în energie termică (proces energetic)
- mișcarea gazelor și a lichidelor (proces hidroaeromecanic)
- mișcarea materialelor solide (proces mecanic);
- schimbul de căldură — intern și extern, care are loc în faze gazoase, lichide și solide (proces de schimb de căldură).
Dintr-o simplă enumerare a acestor procese reiese clar că funcționarea cuptoarelor metalurgice este un set foarte complex de procese diverse, fiecare dintre acestea având propriile regularități, studiate în ramurile majore independente corespunzătoare ale științei. Astfel, de exemplu, regularitățile proceselor tehnologice sunt menționate în chimia fizică, teoria proceselor metalurgice, metalurgia anumitor metale etc. Regularitățile mișcării gazelor și lichidelor sunt tratate în literatura de specialitate privind mecanica gazelor și lichidelor, iar regularitățile schimbului de căldură sunt tratate în vasta literatură special dedicată acestui proces foarte important.
Istoria dezvoltării științei cuptoarelor constă, în primul rând, în lucrări științifice și descoperiri legate direct de tehnologia cuptoarelor și, în al doilea rând, în lucrări și descoperiri în domeniul hidroaeromecanicii, transferului de căldură, teoriei combustiei, chimiei fizice, teoriei proceselor metalurgice etc.
