معدن الكوبالت: ملكيات, الاستخدامات, والأهمية الصناعية

1. مقدمة

يتتبع الكوبالت جذوره إلى أوائل القرن الثامن عشر, سميت من الألمانية كوبولد أو "عفريت,"إيماءة لإحباط عمال المناجم عندما رفضت أوريس إنتاج النحاس ولكنها أصدرت أبخرة سامة.

اليوم, الكوبالت لا غنى عنه في التكنولوجيا الحديثة: يثبت بطاريات الليثيوم - أيون, يمنح Superalloys مع مرونة درجات الحرارة الشديدة, يقود المحفزات الكيميائية الرئيسية, ويضفي اللون الأزرق العميق الأيقوني للسيراميك والأصباغ.

2. ما هو الكوبالت?

الكوبالت عنصر كيميائي مع رمز CO والرقم الذري 27.

تقع في المجموعة 9 من الجدول الدوري, إنه أمر صعب, الفضي الرمادي, المعادن الانتقالية المغنطيسية.

كمعدن انتقالي, يعرض الكوبالت مجموعة متنوعة من حالات الأكسدة ويشكل العديد من المركبات, التي تساهم في مجموعة واسعة من التطبيقات.

في الطبيعة, لم يتم العثور على الكوبالت في شكله النقي ولكن يرتبط بشكل أساسي بخامات النيكل والنحاس.

هذه الرابطة تعني أن معظم إنتاج الكوبالت هو منتج ثانوي لعمليات تعدين النيكل والنحاس.

جمهورية الكونغو الديمقراطية (DRC) هو أكبر منتج لكوبالت في العالم, محاسبة تقريبا 70% الإنتاج العالمي في السنوات الأخيرة.

وتشمل البلدان الرئيسية المنتجة للكوبالت روسيا, التي لديها احتياطيات كبيرة من الكوبالت المرتبطة برواسب المعادن مجموعة النيكل-البلاتين, وأستراليا, معروف بخامته عالية الجودة من الكوبالت.

3. بدني & الخصائص الكيميائية للكوبالت

الكوبالت صعب, لامع, المعدن الانتقالي الفضي الرمادي مع مجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية التي تدعم استخداماتها الصناعية المتنوعة:

4. إنتاج الكوبالت والتكرير

يتم استخراج الكوبالت بشكل أساسي كمنتج ثانوي من خامات النحاس والنيكل كوبالت.

تقنيان التعدين الرئيسيين المستخدمة لخامات الحاملة للكوبالت تعدين تحت الأرض و تعدين مفتوحة.

عادة ما يتم استخدام التعدين تحت الأرض لأجسام خام أعمق, تقديم تركيز خام أفضل ولكن ارتفاع تكاليف التشغيلية.

في المقابل, يعد التعدين المفتوح أكثر ملاءمة للودائع القريبة من السطح ، وهو عمومًا أكثر فعالية من حيث التكلفة للإنتاج على نطاق واسع.

بمجرد استخراج الخام, يخضع لسلسلة من العمليات المعدنية لفصل وتنقية محتوى الكوبالت:

pyrometallurgy

تتضمن هذه التقنية عالية الحرارة:

• صهر: يتم تسخين الخام مع عامل تقليل لفصل المعدن عن المواد المحيطة. هذه العملية شائعة الاستخدام لخامات الكبريتيد.
• تحميص: يحول كبريتيد المعادن إلى أكاسيد عن طريق التسخين في وجود الأكسجين, تمكين الاسترداد الأسهل في الخطوات اللاحقة.

الهيدرومتر

طريقة أكثر انتقائية واعتمادها على نطاق واسع لاستخراج الكوبالت, خاصة من خامات اللاتيت والأكسدة. الخطوات الرئيسية تشمل:

• الكبريتات رشيش: يتم التعامل مع الخام بحمض الكبريتيك لحل الكوبالت, جنبا إلى جنب مع المعادن القيم الأخرى مثل النيكل والنحاس.
• تساقط: يتم استخدام الكواشف الكيميائية لفصل الكوبالت بشكل انتقائي عن محلول Leach, غالبًا ما ينتج عن هيدروكسيد الكوبالت أو الكبريتات كوسيط.

التكرير

التكرير ضروري للحصول على كوبالت عالية النقاء مناسبة للتطبيقات الصناعية والتكنولوجية:

• استخراج المذيب: يتم استخدام المذيبات العضوية لاستخراج أيونات الكوبالت بشكل انتقائي من المرحلة المائية, إزالة الشوائب بشكل فعال مثل الحديد, المنغنيز, والنحاس.
• electrowinning: خطوة التطهير النهائية, حيث يتم تمرير تيار كهربائي مباشر من خلال محلول يحتوي على الكوبالت لإيداع معدن الكوبالت النقي (99.8%-99.99 ٪) على الكاثودات.

5. درجات وأشكال الكوبالت

يتوفر الكوبالت في مجموعة من الدرجات التجارية والأشكال, كل مصمم خصيصًا لاستخدامات صناعية محددة اعتمادًا على النقاء المطلوب, الهيكل المادي, والتكوين الكيميائي.

تدعم هذه المتغيرات التطبيقات في تصنيع البطاريات, سبائك درجات الحرارة العالية, إلكترونيات, المحفزات, والمواد المغناطيسية.

فيما يلي انهيار الدرجات الأكثر شيوعًا وأشكال الكوبالت:

6. سبائك الكوبالت الرئيسية

خصائص الكوبالت الفريدة-مثل قوة درجات الحرارة العالية, مقاومة التآكل, الأداء المغناطيسي, وارتداء المقاومة - اجعلها عنصرًا أساسيًا في العديد من السبائك المتقدمة.

Superalloys القائمة على الكوبالت

• وصف: تم تصميم هذه السبائك لتحمل درجات الحرارة القصوى والبيئات المؤكسدة, جعلها مثالية لمحركات التوربينات ومكونات الطيران.
• التركيبات النموذجية: Co-Cr-W, co-ni-cr, و co - mo - ni سبائك.
• ملكيات:

• • قوة درجات الحرارة العالية (> 1000درجة مئوية)
  • أكسدة ممتازة ومقاومة للتآكل
  • أداء التعب الحراري الجيد

• التطبيقات:

• • شفرات توربينات المحرك النفاثة وشفرات
  • توربينات الغاز الصناعية
  • بطانات الاحتراق والدروع الحرارية

• مثال السبائك: هاينز 188, النجوم 21, Mar-M509

فولاذ عالي السرعة يحتوي على الكوبالت (الأحرار)

• وصف: يضاف الكوبالت إلى HSS لتحسين الصلابة الحمراء - السماح بالأدوات للحفاظ على الصلابة في درجات حرارة مرتفعة أثناء القطع.
• الصف النموذجي: M42 (8% شركة)
• ملكيات:

• • تعزيز الصلابة الساخنة وارتداء المقاومة
  • تحسين الاحتفاظ بحافة الحافة تحت الأحمال العالية

• التطبيقات:

• • أدوات القطع, التدريبات, المطاحن النهائية, بروكس
  • تكوين أدوات للمعادن والبلاستيك

• ملحوظة: أصبحت M42 HSS معيارًا في الآلات الدقيقة بسبب محتوى الكوبالت.

المغناطيس الدائم القائم على الكوبالت

• أنواع:

• • أنيكو (الألومنيوم - نيكل - كوبالت): قوة مغناطيسية عالية ومقاومة درجة الحرارة
  • الكوبالت الساماريوم (SMCO): مغناطيس الكوبالت النادر مع الاستقرار الممتاز ومقاومة التآكل

• ملكيات:

• • منتجات عالية الإكراه والطاقة
  • استقرار حراري ممتاز (ما يصل إلى 350-550 درجة مئوية ل SMCO)

• التطبيقات:

• • المحركات والمولدات
  • أجهزة استشعار الفضاء
  • التصوير الطبي (التصوير بالرنين المغناطيسي)

• أداء: عادةً ما تحتوي مغناطيسات SMCO على منتج طاقة يتراوح من 20 إلى 32 ميجو (ميجا غاوس الزائدة)

سبائك الكوبالت كروميوم (Co-Cr)

• وصف: السبائك المتوافقة حيويا مع ارتداء عالية ومقاومة للتآكل; يستخدم في كثير من الأحيان في تطبيقات الطب والأسنان.
• ملكيات:

• • غير مغناطيسية, قوة عالية
  • توافق حيوي ممتاز

• التطبيقات:

• • يزرع العظام (خَواصِر, الركبتين)
  • الأطراف الاصطناعية الأسنان
  • مكونات صمام القلب

• مثال السبائك: ASTM F75 (CAST CO-CR-MO), ASTM F799 (مشترك مشارك في CR-MO)

سبائك الصلبة (على سبيل المثال, النجوم)

• وصف: سبائك الكوبالت المقاومة للارتداء تستخدم كطلاءات سطحية لتمديد الأداة أو جزء من عمرها.
• ملكيات:

• • مقاومة استثنائية للتآكل, تآكل, ومزعج
  • يحتفظ صلابة تصل إلى 900 درجة مئوية

• التطبيقات:

• • صمام مقاعد, قطع الشفرات, أدوات التعدين
  • مكونات المحرك في بيئات الارتداد العالي

طاولة: درجات سبيكة الكوبالت الشائعة

7. التطبيقات الصناعية للكوبالت

يلعب الكوبالت دورًا حيويًا عبر مجموعة واسعة من القطاعات الصناعية بسبب مادي فريد, كيميائية, والخصائص المغناطيسية.

قدرتها على تحمل درجات الحرارة العالية, مقاومة التآكل, وتعزيز أداء المواد الأخرى يجعل الكوبالت لا غنى عنه في كل من الصناعات التقليدية والتقليدية.

تخزين الطاقة والبطاريات

• الاستخدام الأساسي: بطاريات ليثيوم أيون
• وظيفة: يستخدم الكوبالت في كاثودات بطاريات الليثيوم أيون-وخاصة في الكوبالت المنغنيز النيكل (NMC) و نيكل الكوبالت الألومنيوم (NCA) الكيمياء.
• فوائد:

• • يحسن كثافة الطاقة وعمر البطارية
  • يعزز الاستقرار الحراري والهيكلي

• نظرة السوق:

• • زيادة 60% للطلب الكوبالت مدفوعًا بقطاع البطارية.
  • استخدام الكوبالت لكل مركبة كهربائية (eV) تتراوح البطارية من 4 ل 14 كجم, اعتمادا على الكيمياء.

محركات الفضاء والتوربينات

• الاستخدام الأساسي: Superalloys القائمة على الكوبالت
• وظيفة: يتم استخدام superalloys التي تحتوي على الكوبالت في مكونات المحرك النفاث, توربينات الغاز, ومحركات الصواريخ.
• فوائد:

• • يحافظ على مقاومة القوة والتآكل في درجات حرارة عالية (فوق 1000 درجة مئوية)
  • يقاوم التعب المؤكسد والحراري

• المكونات الرئيسية:

• • شفرات التوربينات, دوارات, غرف الاحتراق

أدوات القطع والمواد المقاومة للبلى

• الاستخدام الأساسي: كربيد الأسمنت والفولاذ عالي السرعة
• وظيفة: يعد الكوبالت بمثابة موثق في كربيدز الأسمنت ويعزز الصلابة في الفولاذ عالي السرعة.
• فوائد:

• • يحسن صلابة الأداة ومقاومة التشوه تحت الحرارة
  • يمتد عمر الأداة في ظل ظروف القطع عالية السرعة أو عالية الضغط

• أمثلة:

• • بتات الحفر, المطاحن النهائية, يموت ختم, أدوات التعدين

المحفزات في الصناعات الكيميائية والبترولية

• الاستخدام الأساسي: المحفزات لتوليف وتكرير
• أنواع التطبيقات الحفزية:

• • توليف Fischer-Tropsch: ينتج الهيدروكربونات السائلة من Syngas (شارك + H₂)
  • hydrodesulfurization (HDS): يزيل الكبريت من الزيت الخام لإنتاج وقود نظيفة

• فوائد:

• • الكفاءة الحفزية العالية والمتانة تحت بيئات كيميائية قاسية

الأجهزة الطبية والطبية الحيوية

• الاستخدام الأساسي: سبائك الكوبالت كروميوم
• وظيفة: تستخدم للزرع, الأطراف الاصطناعية, والأدوات الجراحية بسبب توافقها الحيوي الممتاز.
• أمثلة:

• • الوركين الاصطناعي والركبتين
  • الدعامات, زراعة الأسنان

• قضية خاصة:

• • الكوبالت 60 (Co-60): نظير مشع يستخدم في العلاج الإشعاعي للسرطان وتعقيم المعدات الطبية

المغناطيسات والالكترونيات الدائمة

• أنواع:

• • مغناطيس أنيكو: تستخدم في المحركات الكهربائية, أجهزة الاستشعار, والقيثارات الكهربائية
  • الكوبالت الساماريوم (SMCO): مغناطيسات أرضية نادرة مع إكراه كبير والاستقرار

• فوائد:

• • الأداء المغناطيسي المستقر في درجات حرارة عالية
  • مقاومة التآكل في البيئات القاسية

• التطبيقات:

• • أدوات الفضاء, آلات التصوير بالرنين المغناطيسي, الروبوتات, معدات الصوت

أصباغ, زجاج, والسيراميك

• مركبات الكوبالت المستخدمة:

• • أكسيد الكوبالت (co₃o₄) و ألومينات الكوبالت (الفحم)

• وظيفة:

• • تستخدم لإنتاج الكوبالت الأزرق, مستقر, صبغة نابضة بالحياة

• التطبيقات:

• • السيراميك الفني, زجاج السيارات, البلاط المعماري
  • تطبيقات زجاجية عالية التقنية بسبب خصائص امتصاص الأشعة فوق البنفسجية

8. أمان, التعامل, وعلم السموم من الكوبالت

في حين أن الكوبالت لا غنى عنها في العديد من التقنيات الحديثة, إنه يطرح العديد من الصحة, أمان, والمخاطر البيئية إذا لم تتم إدارتها بشكل صحيح.

فهم ملفها السمي, حدود التعرض, وممارسات المناولة الآمنة ضرورية للصناعات التي تستخدم الكوبالت في التعدين, تصنيع, والمعالجة.

حدود التعرض المهني

الهيئات التنظيمية مثل OSHA, نيوش, وقد وضعت ACGIH حدود التعرض لضمان ظروف عمل آمنة:

الآثار الصحية للتعرض للكوبالت

يمكن للكوبالت أن يدخل الجسم عن طريق الاستنشاق, الابتلاع, أو ملامسة الجلد.

تعتمد شدة الآثار الصحية على شكل الكوبالت (معدني, أملاح قابلة للذوبان, أو النظائر المشعة) ومدة التعرض.

على المدى القصير (بَصِير) الآثار:

• تهيج الجهاز التنفسي: السعال, الصفير
• طفح جلدي أو التهاب الجلد من التلامس
• تهيج العين

على المدى الطويل (مزمن) الآثار:

• الرئة الكوبالت: مرض الرئة الخلالي من استنشاق غبار/أبخرة الكوبالت
• اعتلال عضلة القلب (تلف العضلات في القلب) مع التعرض المنهجي العالي
• الاستجابات التحسسية والربو
• تأثيرات سمية عصبية محتملة مع تعرض جرعة عالية طويلة

سرطان:

• الوكالة الدولية للبحث عن السرطان (IARC) يصنف مركبات الكوبالت والكوبالت المجموعة 2 ب: "ربما مسرطنة للبشر" بناءً على أدلة بشرية محدودة ودراسات حيوانية كافية.

الكوبالت المشعة (الكوبالت 60)

الكوبالت 60 (⁶⁰co) هو نظير إشعاعي اصطناعي يستخدم في:

• علاج إشعاعي (علاج السرطان)
• تعقيم المعدات الطبية
• التصوير الشعاعي الصناعي

المخاطر:

• تنبعث من أشعة غاما عالية الطاقة
• يمكن أن يسبب حروق الإشعاع, تلف الحمض النووي, وزيادة خطر الإصابة بالسرطان إذا سوء المعاملة
• يجب تخزينها ونقلها بموجب إرشادات تنظيمية صارمة (على سبيل المثال, التدريع الرصاص, حاويات آمنة)

أفضل الممارسات لسلامة الكوبالت

9. مقارنة مع العناصر ذات الصلة

يشارك الكوبالت عدة خصائص مع العناصر المجاورة في الجدول الدوري, بشكل خاص الحديد (الحديد), النيكل (في), والمنجنيز (من).

تساعد مقارنة الكوبالت مع هذه العناصر على تسليط الضوء على خصائصها ومزاياها الفريدة في التطبيقات الصناعية المختلفة.

10. خاتمة

الكوبالت هو معدن حاسم معروف بنقطة الانصهار العالية, مقاومة التآكل, والخصائص المغناطيسية.

يلعب دورًا رئيسيًا في Superalloys, المغناطيس الدائم, وبطاريات ليثيوم أيون, مما يجعلها حيوية للفضاء, الطاقة النظيفة, والصناعات الإلكترونيات.