فلز کبالت: خواص, استفاده می کند, و اهمیت صنعتی

1. مقدمه

کبالت ریشه های خود را تا اوایل قرن 18 میلادی ردیابی می کند, از آلمانی نامگذاری شده است کابلد یا "گابلین,"هنگامی که سنگ معدن از تولید مس خودداری کرد اما بخارات سمی را آزاد کرد ، سر و صدا از ناامیدی های معدنچیان.

امروز, کبالت در فناوری مدرن ضروری است: باتری های لیتیوم ion را تثبیت می کند, Superalloys با مقاومت شدید دمای, کاتالیزورهای کلیدی شیمیایی را هدایت می کند, و رنگ آبی عمیق سرامیک و رنگدانه ها را نشان می دهد.

2. کبالت چیست?

کبالت یک عنصر شیمیایی با CO نماد و تعداد اتمی است 27.

واقع در گروه 9 از جدول تناوبی, این سخت است, خاکستری نقره ای, فلز انتقال فرومغناطیسی.

به عنوان یک فلز انتقال, کبالت انواع مختلفی از اکسیداسیون را به نمایش می گذارد و ترکیبات بی شماری را تشکیل می دهد, که به طیف گسترده ای از برنامه های آن کمک می کند.

در طبیعت, کبالت به شکل خالص آن یافت نمی شود اما عمدتاً با سنگهای نیکل و مس همراه است.

این انجمن به این معنی است که بیشتر تولید کبالت محصول جانبی عملیات معدن نیکل و مس است.

جمهوری دموکراتیک کنگو (دلهره) بزرگترین تولید کننده کبالت در جهان است, حسابداری تقریباً 70% تولید جهانی در سالهای اخیر.

سایر کشورهای مهم تولیدکننده کبالت شامل روسیه است, که دارای ذخایر کبالت قابل توجهی در ارتباط با رسوبات فلزی گروه نیکل-پلاتین آن است, و استرالیا, معروف به سنگ معدن کبالت با کیفیت بالا.

3. فیزیکی & خصوصیات شیمیایی کبالت

کبالت سخت است, براق, نقره ای - فلز انتقال خاکستری با مجموعه ای از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی که زیربنای استفاده های متنوع صنعتی آن است:

4. تولید کبالت و پالایش

کبالت در درجه اول به عنوان یک محصول جانبی از سنگهای مس و نیکل کبالت استخراج می شود.

دو روش اصلی استخراج معادن مورد استفاده برای سنگ معدن کبالت معدن زیرزمینی و معدنکاری باز.

معدن زیرزمینی به طور معمول برای اجسام سنگ معدن عمیق تر استفاده می شود, ارائه غلظت سنگ معدن بهتر اما هزینه های عملیاتی بالاتر.

در مقابل, استخراج معادن باز برای سپرده های نزدیک به سطح مناسب تر است و به طور کلی برای تولید در مقیاس بزرگ مقرون به صرفه تر است.

پس از استخراج سنگ معدن, این یک سری از فرایندهای فلزی برای جدا کردن و تصفیه محتوای کبالت:

پرهیزگی

این تکنیک درجه حرارت بالا شامل می شود:

• ذوب شدن: سنگ معدن با یک ماده کاهش دهنده برای جدا کردن فلز از مواد اطراف گرم می شود. این فرآیند معمولاً برای سنگ معدن سولفید استفاده می شود.
• برشته کردن: سولفیدهای فلزی را با گرم شدن در حضور اکسیژن به اکسیدها تبدیل می کند, امکان بهبود آسانتر در مراحل بعدی.

هیدرومتری

روشی انتخابی تر و به طور گسترده اتخاذ شده برای استخراج کبالت, مخصوصاً از سنگ معدن لتید و اکسیده شده. مراحل کلیدی شامل:

• شستشوی سولفات: سنگ معدن با اسید سولفوریک درمان می شود تا کبالت را حل کند, همراه با سایر فلزات ارزشمند مانند نیکل و مس.
• بارش: از معرفهای شیمیایی برای جدا کردن انتخابی کبالت از محلول شستشو استفاده می شود, غالباً هیدروکسید کبالت یا سولفات را به عنوان واسطه تولید می کند.

پالایش

پالایش برای به دست آوردن کبالت با خلوص بالا مناسب برای کاربردهای صنعتی و فناوری ضروری است:

• استخراج حلال: از حلالهای آلی برای استخراج انتخابی یونهای کبالت از مرحله آبی استفاده می شود, از بین بردن ناخالصی مانند آهن, منگنز, و مس.
• برق: مرحله تصفیه نهایی, جایی که یک جریان الکتریکی مستقیم از طریق یک محلول حاوی کبالت برای رسوب فلز کبالت خالص منتقل می شود (99.8%–99.99 ٪) روی کاتدها.

5. نمرات و فرم های کبالت

کبالت در طیف وسیعی از نمرات و فرم های تجاری موجود است, بسته به خلوص مورد نیاز ، هر یک متناسب برای مصارف خاص صنعتی, ساخت فیزیکی, و ترکیب شیمیایی.

این انواع برنامه ها در ساخت باتری پشتیبانی می کنند, آلیاژهای درجه حرارت بالا, الکترونیک, کاتالیزور, و مواد مغناطیسی.

در زیر تجزیه و تحلیل رایج ترین نمرات و اشکال کبالت آورده شده است:

6. آلیاژهای کبالت کلیدی

خصوصیات منحصر به فرد کبالت-مانند قدرت درجه حرارت بالا, مقاومت در برابر خوردگی, عملکرد مغناطیسی, و مقاومت در برابر سایش - آن را به یک عنصر اساسی در آلیاژهای پیشرفته بیشمار تبدیل کنید.

Superalloys مبتنی بر کبالت

• توضیحات: این آلیاژها برای مقاومت در برابر دمای شدید و محیط های اکسیداتیو طراحی شده اند, آنها را برای موتورهای توربین و اجزای هوافضا ایده آل می کند.
• ترکیبات معمولی: با هم همکاری, همکار, و آلیاژهای CO - MO - NI.
• خواص:

• • استحکام در دمای بالا (> 1000درجه سانتی گراد)
  • اکسیداسیون عالی و مقاومت در برابر خوردگی
  • عملکرد خستگی حرارتی خوب

• برنامه های کاربردی:

• • تیغه های توربین موتور جت و ون
  • توربین های گازی صنعتی
  • آستر احتراق و سپرهای گرما

• به عنوان مثال آلیاژها: هینز 188, استلایت ها 21, MAR509

فولادهای پر سرعت حاوی کبالت (HSS)

• توضیحات: کبالت برای بهبود سختی قرمز به HSS اضافه می شود..
• درجه معمولی: M42 (8% شرکت)
• خواص:

• • سختی گرم و مقاومت در برابر سایش
  • حفظ لبه برش بهبود یافته در بارهای زیاد

• برنامه های کاربردی:

• • ابزار برش, مته ها, آسیاب های پایانی, گودال
  • تشکیل ابزاری برای فلز و پلاستیک

• توجه داشته باشید: M42 HSS به دلیل محتوای کبالت خود به یک استاندارد در ماشینکاری دقیق تبدیل شده است.

آهنرباهای دائمی مبتنی بر کبالت

• انواع:

• • النیکو (آلومینیوم -نیکل): مقاومت مغناطیسی بالا و مقاومت دما
  • کبالت ساماریوم (باکره): آهنربای کبالت خاک نادر با ثبات و مقاومت در برابر خوردگی عالی

• خواص:

• • اجبار بالا و محصول انرژی
  • ثبات حرارتی عالی (حداکثر 350-550 درجه سانتیگراد برای SMCO)

• برنامه های کاربردی:

• • موتورها و ژنراتورها
  • سنسورهای هوافضا
  • تصویربرداری پزشکی (ام آر آی)

• عملکرد: آهنرباهای SMCO به طور معمول دارای یک محصول انرژی 20-32 MGOE هستند (مگا گاوس بیش از حد)

آلیاژهای کبالت-کروم (با هم همکاری)

• توضیحات: آلیاژهای زیست سازگار با مقاومت بالا و مقاومت در برابر خوردگی; اغلب در کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی استفاده می شود.
• خواص:

• • غیر مغناطیسی, استحکام بالا
  • زیست سازگاری عالی

• برنامه های کاربردی:

• • ایمپلنت های ارتوپدی (باسن, زانو)
  • پروتزهای دندانپزشکی
  • اجزای دریچه قلب

• به عنوان مثال آلیاژها: ASTM F75 (بازیگران بازیگران), ASTM F799 (همکار فرفورژه)

آلیاژهای سخت (به عنوان مثال, استلایت ها)

• توضیحات: آلیاژهای کبالت مقاوم در برابر سایش به عنوان پوشش سطحی برای گسترش ابزار یا بخشی از عمر استفاده می شود.
• خواص:

• • مقاومت استثنایی در برابر سایش, فرسایش, و خفن
  • سختی را تا 900 درجه سانتیگراد حفظ می کند

• برنامه های کاربردی:

• • دریچه صندلی ها, پره های برش, ابزارهای معادن
  • اجزای موتور در محیط های با لباس بالا

جدول: نمرات آلیاژ کبالت مشترک

7. کاربردهای صنعتی کبالت

کبالت به دلیل فیزیکی منحصر به فرد خود نقش مهمی در طیف گسترده ای از بخش های صنعتی ایفا می کند, شیمیایی, و خصوصیات مغناطیسی.

توانایی مقاومت در برابر درجه حرارت بالا, مقاومت در برابر خوردگی, و افزایش عملکرد سایر مواد باعث می شود کبالت در صنایع پیشرفته و سنتی ضروری باشد.

ذخیره انرژی و باتری

• استفاده اصلی: باتری های لیتیوم یون
• تابع: کبالت در کاتدهای باتری های لیتیوم یون استفاده می شود-به ویژه در کبالت منگنز نیکل (NMC) و آلومینیوم نیکل کبالت (NCA) شیمی.
• مزایا:

• • تراکم انرژی و عمر باتری را بهبود می بخشد
  • ثبات حرارتی و ساختاری را افزایش می دهد

• بینش بازار:

• • تمام شد 60% تقاضای کبالت توسط بخش باتری هدایت می شود.
  • مصرف کبالت در هر وسیله نقلیه الکتریکی (عید) محدوده باتری از 4 به 14 کلوت, بستگی به شیمی دارد.

موتورهای هوافضا و توربین

• استفاده اصلی: Superalloys مبتنی بر کبالت
• تابع: Superalloys حاوی کبالت در اجزای موتور جت استفاده می شود, توربین های گازی, و موتور موشک.
• مزایا:

• • مقاومت و مقاومت در برابر خوردگی را در دماهای بالا حفظ می کند (بالاتر از 1000 درجه سانتیگراد)
  • در برابر خستگی اکسیداتیو و حرارتی مقاومت می کند

• اجزای کلیدی:

• • پره های توربین, وانت, محفظه های احتراق

ابزار برش و مواد مقاوم در برابر سایش

• استفاده اصلی: کاربیدهای سیمانی و فولادهای پر سرعت
• تابع: کبالت به عنوان چسب در کاربیدهای سیمانی خدمت می کند و سختی در فولاد پر سرعت را تقویت می کند.
• مزایا:

• • سختی و مقاومت در برابر تغییر شکل در گرما را بهبود می بخشد
  • عمر ابزار را در شرایط برش پر سرعت یا فشار بالا گسترش می دهد

• نمونه ها:

• • بیت های مته, آسیاب های پایانی, مهر زدن می میرد, ابزارهای معادن

کاتالیزور در صنایع شیمیایی و نفتی

• استفاده اصلی: کاتالیزور برای سنتز و پالایش
• انواع برنامه های کاتالیزوری:

• • سنتز فیشر-تروسش: هیدروکربن های مایع از Syngas تولید می کند (هم + حصار)
  • هیدرودایزاسیون (HDS): برای تولید سوخت های تمیز ، گوگرد را از روغن خام خارج می کند

• مزایا:

• • راندمان کاتالیزوری بالا و دوام در محیط های شیمیایی خشن

وسایل پزشکی و پزشکی

• استفاده اصلی: آلیاژهای کبالت-کروم
• تابع: برای ایمپلنت استفاده می شود, پروتز, و ابزارهای جراحی به دلیل سازگاری عالی آنها.
• نمونه ها:

• • باسن و زانوهای مصنوعی
  • استنت, ایمپلنت های دندانی

• مورد خاص:

• • کبالت -60 (60): ایزوتوپ رادیواکتیو که در رادیوتراپی سرطان و عقیم سازی تجهیزات پزشکی استفاده می شود

آهنرباهای دائمی و الکترونیک

• انواع:

• • آهنرباهای آلنیکو: در موتورهای الکتریکی استفاده می شود, حسگرها, و گیتارهای برقی
  • کبالت ساماریوم (باکره): آهنرباهای خاکی نادر با فشار زیاد و پایداری

• مزایا:

• • عملکرد مغناطیسی پایدار در دماهای بالا
  • مقاومت در برابر خوردگی در محیط های سخت

• برنامه های کاربردی:

• • ابزارهای هوافضا, دستگاه های ام آر آی, رباتیک, تجهیزات صوتی

رنگ, شیشه ای, و سرامیک

• ترکیبات کبالت مورد استفاده:

• • اکسید کبالت (Co₃o₄) و کبالت آلومینات (ذغال سنگ)

• تابع:

• • برای تولید استفاده می شود کبالت آبی, پایدار, رنگدانه پر جنب و جوش

• برنامه های کاربردی:

• • سرامیک هنری, لیوان, کاشی های معماری
  • کاربردهای شیشه ای با تکنولوژی بالا به دلیل خاصیت جذب اشعه ماوراء بنفش

8. ایمنی, دست زدن, و سم شناسی کبالت

در حالی که کبالت در بسیاری از فن آوری های مدرن ضروری است, این چندین سلامتی را مطرح می کند, ایمنی, و خطرات زیست محیطی اگر به درستی مدیریت نشود.

درک مشخصات سم شناسی آن, محدودیت های قرار گرفتن در معرض, و شیوه های حمل و نقل ایمن برای صنایع استفاده از کبالت در معدن ضروری است, تولید, و پردازش.

محدودیت در معرض شغلی

نهادهای نظارتی مانند OSHA, نیوش, و ACGIH محدودیت های قرار گرفتن در معرض را برای اطمینان از شرایط کار ایمن تعیین کرده است:

اثرات سلامتی قرار گرفتن در معرض کبالت

کبالت می تواند از طریق استنشاق وارد بدن شود, مصرف, یا تماس با پوست.

شدت اثرات سلامتی به شکل کبالت بستگی دارد (فلزی, نمکهای محلول, یا ایزوتوپهای رادیواکتیو) و مدت زمان قرار گرفتن در معرض.

کوتاه مدت (حاد) اثرات:

• تحریک تنفسی: سرفه, خس خس
• بثورات پوستی یا درماتیت از تماس
• تحریک چشم

بلند مدت (مزمن) اثرات:

• کبالت ریه: بیماری ریه بینابینی از استنشاق گرد و غبار/دود کبالت
• کاردیومیوپاتی (آسیب عضله قلب) با قرار گرفتن در معرض سیستمیک بالا
• پاسخ های آلرژیک و آسم
• اثرات عصبی احتمالی با قرار گرفتن در معرض طولانی مدت با دوز بالا

سلطه:

• آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (شخص IARC) ترکیبات کبالت و کبالت را به عنوان طبقه بندی می کند گروه 2B: "احتمالاً سرطان زا برای انسان" بر اساس شواهد محدود انسانی و مطالعات کافی حیوانات.

کبالت رادیواکتیو (کبالت -60)

کبالت -60 (⁶⁰co) ایزوتوپ رادیواکتیو مصنوعی است که در آن استفاده می شود:

• پرتو درمانی (درمان سرطان)
• عقیم سازی تجهیزات پزشکی
• رادیوگرافی صنعتی

خطرات:

• پرتوهای گاما با انرژی بالا را منتشر می کند
• می تواند باعث سوختگی تابش شود, آسیب DNA, و در صورت سوءاستفاده خطر ابتلا به سرطان را افزایش می دهد
• باید تحت دستورالعمل های نظارتی دقیق ذخیره و حمل شود (به عنوان مثال, محافظ سرب, ظروف ایمن)

بهترین روشها برای ایمنی کبالت

9. مقایسه با عناصر مرتبط

کبالت در جدول تناوبی چندین ویژگی با عناصر همسایه به اشتراک می گذارد, مخصوصاً آهن (Fe), نیکل (در), و منگنز (منگنز).

مقایسه کبالت با این عناصر به برجسته کردن خصوصیات و مزایای منحصر به فرد آن در کاربردهای مختلف صنعتی کمک می کند.

10. نتیجه گیری

کبالت یک فلز مهم است که به دلیل ذوب بالای آن شناخته شده است, مقاومت در برابر خوردگی, و خصوصیات مغناطیسی.

این نقش اساسی در SuperAlloys دارد, آهنرباهای دائمی, و باتری های لیتیوم یون, آن را برای هوافضا حیاتی می کند, انرژی پاک, و صنایع الکترونیکی.