钢铁生产用压缩机的演变

1817 年重新安装的 Boulton 和 Watt 步行梁式蒸汽缸驱动空气鼓风机缸。

压缩机的历史可以追溯到数千年前，那时早期文明发现了人类肺部的力量。肺部能够呼出氧气，使生火做饭和取暖变得更加容易。大约在公元前5000年，冶金术诞生了，人们开始用金属制造工具、武器和宗教偶像。在金属工匠中，人们逐渐意识到，要将铜、金等液态矿物熔炼成坚硬的金属，就需要更多的空气来产生更旺的火。

最早的人造空气装置是吹管，埃及冶金学家用它来冶炼古墓中发现的贵金属。但是，随着金属冶炼需求的增加，人肺的局限性很快显现出来。即使在最健康的情况下，人肺也只能产生熔化金属所需气压的一小部分。此外，由于人体呼出的气体中含有二氧化碳，肺也不适合作为生火的燃料。显然，人们需要更强大、更精密的空气生产装置。

原始人力风箱

最早的压缩空气机械装置是为炼铁炼钢的高炉吹气。公元一世纪，中国出现了最早的原始冶炼炉，使用由动物膀胱制成的人力“风箱”将空气压入炉内。这种装置由一个柔性气囊组成，实现了压缩空气的生产。后来，人们发明了类似手风琴的风箱，展开时从一端吸入空气，挤压手柄时从另一端排出空气。最终，出现了由动物或人力驱动的轮子，配备简陋的曲柄和连杆装置，产生往复运动，从而推动风箱。

水力驱动的错视

公元八世纪，西班牙东北部加泰罗尼亚的一家小型锻造厂发现了一种名为“风嘴”（tuyere）的喷嘴，它能将空气从手动风箱吹入炉膛中的木炭和铁矿石层中，从而显著提高铁的产量。这种方法在接下来的两百年间迅速推广到整个欧洲。后来，人们使用一种名为“鼓风机”（trompe）的水柱式空气抽气器，将气压提高到约1.5磅/平方英寸（0.1巴），进一步加快了冶炼过程，提高了产量。

水车动力风箱

尽管期间有过一些细微的改进，但风箱的基本设计在长达三千年的时间里几乎没有改变。直到17世纪，发明家们才开始设计将鼓风机连接到水车上的方法。这种机制提供的持续气流使得冶炼炉被称为高炉，从此以后，技术开始飞速发展。当然，值得一提的是，风箱并没有消失——我们仍然可以在壁炉旁、手风琴、风琴和其他一些设备中找到它们。

1645 年左右，位于马萨诸塞州索加斯的北美第一座高炉的风箱复制品。

北美第一座投入使用的炼铁高炉于1645年在马萨诸塞州索格斯建成。如图1所示，其两个风箱由连接到过冲式水车的凸轮轴驱动往复运动。主轴上的凸轮使风箱放气，而配重则使风箱充气。配重由装满石头的木箱组成，安装在穿过铸造车间屋顶孔洞的两根活动梁上。

吹风浴缸

高炉的发展催生了对更强劲压缩空气的需求。1650年，德国物理学家奥托·冯·格里克设计了一种真空泵，可以将空气抽入狭小的腔室，使腔室保持真空状态。一个多世纪后，约翰·斯米顿提出了一个更具影响力的想法。他被普遍认为是世界上第一位专业工程师，并在1762年设计了一种由水车驱动的新型鼓风装置。水车上的偏心曲柄两侧各有一个往复运动的活塞杆和一个鼓风槽。鼓风槽内的活塞用皮革密封。木制鼓风槽呈方形或圆形，用外部钢箍固定在一起。当一个活塞上升压缩一个鼓风槽内的空气时，另一个活塞则在另一个鼓风槽内下降。每个鼓风槽的顶部都有一根出口管道，连接到一个始终处于压力下的公共混合箱。混合箱将压缩空气输送到通往炉膛风口的风管或鼓风干管。典型的鼓风槽直径为 72 英寸（1829 毫米），高度为 72 英寸（1829 毫米），产生 2 psig（0.14 巴）的压力。

蒸汽动力

1769年，蒸汽机首次被用作吹气桶的驱动装置。1776年，英国发明家约翰·威尔金森发明了一种大功率吹气装置，这成为现代压缩机式吹气机的雏形。

大型往复式蒸汽机鼓风机的研制成功，使得鼓风空气的流量和压力显著提高，这是高产高炉发展历程中的一个重要里程碑。早期的鼓风机采用步进梁式结构。如图2所示，1817年博尔顿-瓦特鼓风机的蒸汽缸活塞杆连接到横梁的一端，鼓风缸活塞杆连接到横梁的另一端，蒸汽缸的每一次冲程都带动鼓风缸的相应冲程。

19世纪，随着工业化席卷美国，高炉日益普及，数量和规模也随之增长。多家公司开始生产鼓风机压缩机。例如，19世纪90年代，爱德华·P·艾利斯公司（Edward P. Allis & Company）生产立式60英寸（1524毫米）行程的机器，其蒸汽缸直径为42英寸（1067毫米），空气缸直径为84英寸（2134毫米），如图3所示。这些巨型机器的进一步发展将在下一期中讨论。

19 世纪 90 年代，爱德华·P·艾利斯公司制造了行程为 60 英寸（1524 毫米）的立式发动机压缩机，其蒸汽缸直径为 42 英寸（1067 毫米），空气缸直径为 84 英寸（2134 毫米）。