L'evoluzione dei compressori per la produzione di ferro e acciaio

Cilindro soffiante ad aria azionato da un cilindro a vapore a trave mobile Boulton e Watt del 1817, ricostruito.

La storia dei compressori risale a migliaia di anni fa, quando le prime civiltà scoprirono il potere dei polmoni umani. Grazie alla loro capacità di espirare ossigeno, i polmoni facilitavano l'accensione di fuochi per cucinare e riscaldarsi. Intorno al 5000 a.C., nacque la scienza della metallurgia, con la creazione di utensili, armi e idoli religiosi in metallo. Tra i fabbri, divenne evidente che era necessaria più aria per fuochi più caldi, per trasformare minerali liquefatti come rame e oro in metalli duri.

Il primo dispositivo ad aria artificiale fu la cerbottana, che i metallurgisti egiziani utilizzavano per la produzione di metalli preziosi rinvenuti in antiche tombe. Tuttavia, alla luce delle esigenze legate alla produzione di metalli, i limiti del polmone umano divennero evidenti. Nelle sue condizioni ottimali, il polmone umano è in grado di produrre solo una frazione della pressione dell'aria necessaria per fondere il metallo. Inoltre, i polmoni si rivelarono una fonte inadatta per alimentare il fuoco a causa dell'elevata quantità di anidride carbonica presente nell'aria espirata dagli esseri umani. Chiaramente, per la produzione di aria era necessario qualcosa di più potente ed elaborato .

Mantici primitivi alimentati dall'uomo

Il primissimo sviluppo di dispositivi meccanici per la compressione dell'aria fu il soffiaggio di aria negli altiforni per la produzione di ferro e acciaio. Le prime fonderie primitive apparvero in Cina nel I secolo d.C. utilizzando "mantici" azionati dall'uomo, realizzati con vesciche animali, per forzare l'aria nei forni. Costituito da un sacco flessibile, il dispositivo rese possibile la produzione di aria compressa. Successivamente, furono sviluppati mantici a fisarmonica, che aspiravano l'aria da un lato quando erano estesi, e poi la spingevano fuori dall'altra estremità quando le maniglie venivano premute insieme. Infine, apparvero ruote azionate da animali o dall'uomo, dotate di rudimentali meccanismi a manovella e biella che creavano il moto alternativo necessario per spingere il mantice.

Trompe-l'oeil ad acqua

Nell'VIII secolo, una piccola fucina in Catalogna, nel nord-est della Spagna, scoprì i vantaggi dell'utilizzo di un ugello, noto come tuyere, per soffiare aria da un mantice azionato manualmente negli strati di carbone e minerale di ferro di un focolare. Ciò aumentò notevolmente la quantità di ferro prodotta e, nei successivi 200 anni, la sua diffusione fu estesa in tutta Europa. Utilizzando un aspiratore d'aria a colonna d'acqua, noto come trompe, la pressione dell'aria fu aumentata a circa 1,5 psig (0,1 bar), il che accelerò il processo di fusione e aumentò ulteriormente la produzione.

Soffietti azionati da ruota idraulica

Nonostante piccoli miglioramenti qua e là, il design di base del mantice rimase invariato per ben tre millenni. Solo nel XVII secolo gli inventori iniziarono a progettare soluzioni per collegare la macchina soffiatrice a una ruota idraulica. Il flusso d'aria continuo fornito da questo meccanismo portò le fonderie a essere chiamate altiforni e, da quel momento in poi, la tecnologia iniziò a progredire molto più rapidamente. Vale la pena notare, naturalmente, che i mantice non sono scomparsi: si trovano ancora nei caminetti, nelle fisarmoniche, negli organi a pompa e in altri dispositivi.

Riproduzione del mantice del primo altoforno nordamericano a Saugas, Massachusetts, c. 1645.

Il primo altoforno nordamericano operativo fu quello di Saugus, nel Massachusetts, nel 1645. I suoi due soffietti, mostrati nella ricostruzione della versione originale in Fig. 1, erano azionati in modo alternato da un albero a camme collegato a una ruota idraulica a sbalzo. I soffietti venivano sgonfiati dalle camme sull'albero principale e gonfiati da contrappesi costituiti da scatole di legno riempite di pietre e montate su due travi mobili che si estendevano attraverso i fori nel tetto della sala di colata.

Vasche da bagno

Lo sviluppo degli altiforni rese necessaria una forma più potente di aria compressa. Nel 1650, il fisico tedesco Otto Von Guericke progettò una pompa a vuoto in grado di aspirare aria attraverso minuscole camere, lasciando i compartimenti privi di aria. Più di un secolo dopo, John Smeaton concepì un'idea ancora più influente. Era generalmente ritenuto il primo ingegnere professionista al mondo e, nel 1762, progettò un nuovo tipo di dispositivo di soffiaggio azionato da ruote idrauliche. Una manovella eccentrica su una ruota idraulica aveva un'asta di pistone a movimento alternativo e una vasca di soffiaggio su ciascun lato. Il pistone all'interno della vasca era dotato di cuoio per formare una guarnizione. Le vasche di soffiaggio in legno erano quadrate o rotonde e tenute insieme da cerchi esterni in acciaio. Mentre un pistone saliva per comprimere l'aria in una vasca, l'altro pistone scendeva nell'altra vasca. Alla sommità di ogni vasca si trovava un tubo di scarico collegato a una camera di miscelazione comune, sempre sotto pressione. La camera di miscelazione alimentava l'aria compressa a un condotto dell'aria o a una condotta principale di soffiaggio che conduceva alle ugelliere del forno. Una tipica vasca di soffiaggio aveva un diametro di 72 pollici (1829 mm) e un'altezza di 72 pollici (1829 mm) e produceva una pressione di 2 psig (0,14 bar).

Potenza del vapore

Nel 1769, una macchina a vapore fu utilizzata per la prima volta come propulsore per le vasche di soffiaggio. A questa macchina fece seguito, nel 1776, l'inventore inglese John Wilkinson, che creò un'unità di sabbiatura ad alta potenza che avrebbe costituito il precursore delle moderne macchine a compressore .

Lo sviluppo di grandi compressori soffianti per macchine a vapore alternative, che fornivano maggiori volumi di aria compressa a una pressione significativamente più elevata, rappresentò un passo fondamentale nell'evoluzione degli altiforni ad alta produzione. I primi motori erano del tipo a trave mobile. Come mostrato in Fig. 2, la biella del cilindro del vapore della macchina soffiante Boulton e Watt del 1817, ricostruita, era collegata a un'estremità di una trave di sostegno. La biella del cilindro soffiante era collegata all'altra estremità della trave e ogni corsa del cilindro del vapore forniva una corsa corrispondente del cilindro soffiante.

Con l'industrializzazione degli Stati Uniti nel XIX secolo, gli altiforni divennero sempre più comuni, crescendo in numero e dimensioni. Diverse aziende iniziarono a produrre motori-compressori soffianti . Ad esempio, negli anni Novanta dell'Ottocento, la Edward P. Allis & Company costruiva macchine verticali con corsa di 1524 mm (60 pollici) con cilindri a vapore di 1067 mm (42 pollici) di diametro e cilindri ad aria di 2134 mm (84 pollici) di diametro, come mostrato in Fig. 3. L'ulteriore evoluzione di queste enormi macchine sarà discussa nel prossimo numero.

Negli anni 1890, la Edward P. Allis & Company costruiva motori-compressori verticali con corsa di 60 pollici (1524 mm) e cilindri a vapore con diametro di 42 pollici (1067 mm) e cilindri ad aria con diametro di 84 pollici (2134 mm).