Под тепловой работой понимают совокупность всех тепловых процессов, совершающихся в печи. Основными из них являются обеспечение подвода в плавильное пространство печи требуемого количества тепла (получаемого главным образом в результате сжигания топлива) и передача его материалам мартеновской плавки. От интенсивности передачи тепла твердой шихте или жидкой ванне зависит скорость нагрева и плавления шихтовых материалов и качество работы мартеновской печи в целом.
Большая часть различных мер (совершенствование конструкции головок и печи в целом, организация факела и режима завалки и т. д.) направлена на то, чтобы создать условия, при которых максимум подведенного тепла в печь передавался бы непосредственно металлу.
Как известно, чем выше разность температур между теплообменными поверхностями, тем больше тепла передается нагреваемому телу в единицу времени. Следовательно, для ускорения плавки необходимо стремиться поддерживать максимальную разность температур между поверхностью твердой шихты или жидкой ванны и температурой печи.
В настоящее время, благодаря применению топлива высокой теплоты сгорания, а также вследствие высокого подогрева газа и воздуха, обогащения воздуха кислородом и т. д. можно получить температуру в печи до 2000° и выше почти в течение всей плавки. Однако по условию службы огнеупоров температура их внутренней поверхности не может превышать определенное значение (динас –1680°, хромомагнезит – 1750 – 1800°), что ограничивает температурный уровень печи и, следовательно, интенсивность теплообмена.
Вследствие высоких температур в рабочем пространстве печи (выше 1700°) основную роль в передаче тепла играет излучение (более 90% от всего тепла, получаемого ванной, передается излучением).
Если принять, что все тепло металлу (ванне) передается только излучением и считать, что поверхность металла имеет какую-то среднюю температуру Тм, то теплообмен между поверхностью металла и рабочим пространством печи в целом (пламенем и внутренней поверхностью стен и свода) может быть выражен уравнением
ккал/час,
где 
– тепловой поток, передаваемый металлу, ккал/час;
– приведенная степень черноты пламени, кладки, металла;
– 4,96 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, ккал/м2 час. град4;
– температура печи, °К;
– температура поверхности металла, °К;
– поверхность металла (ванны), м2.
Из этого уравнения следует, что величина зависит не только от разности температур, но и от величины поверхности теплообмена и приведенной степени черноты, в частности от степени черноты пламени .
Следовательно, передача тепла металлу может быть увеличена не только за счет повышения разности температур печи и металла, но и за счет увеличения степени черноты пламени (степени черноты поверхности металла, шлака и кладки достаточно высоки 0,7 – 0,95 и в отличие от черноты пламени практически не поддаются регулированию), а также и поверхности металла .
Кроме того, из уравнения видно, что чем ниже температура поверхности металла , тем больше величина . Температура же поверхности металла 
при прочих равных условиях зависит главным образом от свойства металла отводить тепло, переданное на его поверхность, во внутренние слои, т. е. от его теплопроводности.
Если теплопроводность металла низкая, то температура его поверхности быстро повышается, что соответственно вызывает уменьшение 
. И наоборот, высокая теплопроводность металла обеспечивает быстрый отвод тепла во внутренние слои. При этом температура поверхности металла будет более низкой по сравнению с первым случаем и, следовательно, количество тепла, переданное металлу за тот же промежуток времени, будет значительно больше.
Таким образом, на скорость нагрева и, следовательно, на длительность плавки влияют не только условия внешнего теплообмена, но в значительной мере и условия передачи тепла внутри нагреваемого материала.
Степень влияния отдельных факторов на скорость нагрева сильно меняется по ходу плавки, поэтому для обеспечения высокопроизводительной и экономичной работы мартеновской печи необходимо знать особенности теплообмена в каждый период плавки.
Длительность одной плавки по организационно-технологическим и теплотехническим признакам разбивается на следующие периоды:
1) заправку;
2) завалку;
3) прогрев (если печь работает на жидком чугуне, то этот период отсутствует);
4) плавление (включая время заливки чугуна при работе на жидком чугуне);
5) доводку.
Период заправки печи
Его назначение – устранить нарушения в кладке подины, вызванные механическими и физико-химическими воздействиями на нее шихтовых материалов предыдущей плавки. В этот период печь работает как бы в холостую, так как металла в ней нет, и тепло расходуется только на поддержание ее рабочей температуры. Основная задача этого периода с теплотехнической точки зрения предотвратить охлаждения кладки печи, особенно пода, так как это приводит к удлинению плавки.
Для уменьшения охлаждения кладки печи в этот период необходимо использовать все возможности для сокращения длительности заправки, а также свести до минимума подсосы холодного воздуха в печь.
Тепловую нагрузку в этот период следует поддерживать на 15 – 20% выше тепловой нагрузки холостого хода.
Период завалки
Это время, необходимое для завалки твердой шихты в печь. Этот период характеризуется наиболее благоприятными условиями для передачи тепла шихте.
К ним относятся: низкая температура и большая поверхность твердой шихты; возможность проникновения горячих газов в толщу слоя шихты, т. е. возможность развития конвективного теплообмена (до 15%); отсутствие опасности поджога свода и т. д.
Низкая температура кладки и высокая способность шихты поглощать тепло позволяют держать максимально возможные тепловые нагрузки в этот период.
Однако, несмотря на эти благоприятные условия, многое зависит и от организации режима и порядка завалки шихтовых материалов. Так, например, металлическую часть шихты, характеризуемую высокой теплопроводностью, следует загружать поверх сыпучих материалов – известняка и руды. Если сделать наоборот, то вследствие малой теплопроводности сыпучих материалов их поверхность быстро нагревается до высокой температуры, что вызывает резкое уменьшение количества тепла, передаваемого шихте.
Поэтому практикой установлен строгий порядок и режим завалки шихтовых материалов, обеспечивающий высокие тепловые потоки на шихту не только в период завалки, но и в последующие периоды плавки.
Период нагрева
Этот период необходим, чтобы поднять температуру шихты до значения, несколько превышающего температуру плавления чугуна. Если чугун заливать на непрогретую шихту, то относительно холодная шихта охладит его до температуры ниже температуры его плавления, что приведет к так называемому «закозлению» шихты. Образующаяся корка твердой шихты ухудшит передачу тепла во внутренние слои ванны, это вызовет удлинение плавки. Недопустим также и перегрев шихты. Заливка чугуна на сильно перегретую шихту вызывает бурную реакцию выгорания примесей, что может привести к выбросу металла из печи.
Условия теплообмена с точки зрения температуры кладки в этот период близки к условиям периода завалки. Поэтому тепловую нагрузку, как и в завалку, надо поддерживать на максимальном уровне.