В мартеновской печи металлическая шихта (чугун и стальной лом) подвергается окислительному действию печных газов и окислов железа, вводимых вместе с ломом (в виде ржавчины) и в виде железной руды. Окисление примесей здесь протекает так же, как при производстве стали в конвертерах, но значительно медленнее. Объясняется это тем, что в мартеновской ванне окислительные процессы под действием печных газов идут только на поверхности ванны, а взаимодействие кислорода с металлом протекает через шлак, располагающийся на поверхности металла.
Непосредственное окисление железа и других элементов металлической шихты газообразным кислородом происходит лишь в период плавления. Шлак, образующийся на поверхности металла, затрудняет непосредственное окисление металла, но хорошо обеспечивает передачу кислорода в системе газ — шлак — жидкий металл.
В мартеновской печи взаимодействуют газы, шлак и металл. В газовом потоке, помимо кислорода, содержатся также водяной пар и углекислый газ, которые при высоких температурах рабочего пространства диссоциируют, отдавая свой кислород металлу.
Переносчиками кислорода из газовой фазы к металлу служат окислы железа. Взаимодействие шлака с газами приводит к превращению FeO в Fe304 и Fe203, которые, диффундируя через шлак к металлу и реагируя с жидким железом на границе шлак —металл, восстанавливаются до FeO. Закись железа расходуется на окисление примесей, содержащихся в жидком металле, но частично возвращается в верхние слои шлака, где вновь окисляется. Окислительная способность печи характеризуется количеством кислорода, поступающего из газовой фазы в металл в течение одного часа.
Значение шлака в мартеновском процессе исключительно велико, так как он не только служит источником питания металлической ванны кислородом, но и обеспечивает соответствующую скорость теплопередачи от газов к металлу и очищает металл от вредных примесей серы и фосфора. Поэтому, изменяя состав шлака, можно регулировать физико-химический процесс выплавки стали в печи. Наиболее сильное влияние на свойства шлака оказывают окислы: СаО и Si02. Преобладание в шлаке СаО делает его основным, a Si02 — кислым.
Источником теплоты при мартеновском процессе в отличие от конвертерных процессов служит сжигание газообразного (смеси природного, коксового и колошникового (доменного), генераторного и других газов) или жидкого котельного топлива (мазут). Газообразное топливо и воздух для его сгорания употребляются в нагретом (в регенеративных насадках) состоянии. Это обеспечивает получение в мартеновских печах высоких температур (1650— 1700°). Такие высокие температуры необходимы для выплавки стали из скрапа и из других шихтовых материалов. В современных печах расход тепла колеблется в пределах от 700 до 1500 ккал на 1 кг выплавляемой стали.
Емкость современных мартеновских печей колеблется в очень широких пределах — от 20 до 600 г. Средняя емкость печей составляет приблизительно 100—150 т.