Kobalta metāls: Īpašības, Lietojums, un rūpnieciskā nozīme

1. Ievads

Kobalta saknes meklējamas 18. gadsimta sākumā, nosaukts no vācu valodas kobolds vai “goblins,” pamāj kalnraču neapmierinātībai, kad rūdas atteicās iegūt varu, bet izdala toksiskus tvaikus.

Šodien, kobalts ir neaizstājams mūsdienu tehnoloģijās: tas stabilizē litija jonu akumulatorus, nodrošina supersakausējumu noturību ārkārtējas temperatūras apstākļos, vada galvenos ķīmiskos katalizatorus, un piešķir keramikas un pigmentu ikonisko dziļo zilo nokrāsu.

2. Kas ir kobalts?

Kobalts ir ķīmiskais elements ar simbolu Co un atomskaitli 27.

Atrodas grupā 9 no periodiskās tabulas, tas ir grūti, sudrabaini pelēks, feromagnētiskais pārejas metāls.

Kā pārejas metāls, kobaltam ir dažādi oksidācijas stāvokļi un tas veido daudzus savienojumus, kas veicina tā plašo pielietojumu klāstu.

Dabā, kobalts nav atrodams tīrā veidā, bet galvenokārt saistīts ar niķeļa un vara rūdām.

Šī asociācija nozīmē, ka lielākā daļa kobalta ražošanas ir niķeļa un vara ieguves blakusprodukts.

Kongo Demokrātiskā Republika (KDR) ir pasaulē lielākais kobalta ražotājs, veido aptuveni 70% pasaules ražošanas apjomu pēdējos gados.

Citas lielākās kobalta ražotājvalstis ir Krievija, kurā ir ievērojamas kobalta rezerves, kas saistītas ar niķeļa-vara-platīna grupas metālu atradnēm, un Austrālija, pazīstama ar augstas kvalitātes kobaltu saturošām rūdām.

3. Fizisks & Kobalta ķīmiskās īpašības

Kobalts ir ciets, spīdīgs, sudrabaini pelēks pārejas metāls ar fizikālo un ķīmisko īpašību kopumu, kas ir pamatā tā daudzveidīgajam rūpnieciskajam lietojumam:

4. Kobalta ražošana un pārstrāde

Kobaltu galvenokārt iegūst kā blakusproduktu no vara-kobalta un niķeļa-kobalta rūdām.

Divas galvenās ieguves metodes, ko izmanto kobaltu saturošām rūdām, ir pazemes ieguve un atklātās raktuves.

Pazemes ieguvi parasti izmanto dziļākiem rūdas objektiem, piedāvājot labāku rūdas koncentrāciju, bet augstākas ekspluatācijas izmaksas.

Turpretī, raktuvju ieguve atklātās bedrēs ir vairāk piemērota virszemes atradnēm un parasti ir rentablāka liela mēroga ražošanai.

Kad rūda ir iegūta, tas iziet virkni metalurģijas procesi lai atdalītu un attīrītu kobalta saturu:

Pirometalurģija

Šī augstas temperatūras tehnika ietver:

• Kausēšana: Rūdu karsē ar reducētāju, lai atdalītu metālu no apkārtējā materiāla. Šo procesu parasti izmanto sulfīdu rūdām.
• Cepšana: Pārvērš metālu sulfīdus oksīdos, karsējot skābekļa klātbūtnē, atvieglojot atkopšanu turpmākajos posmos.

Hidrometalurģija

Selektīvāka un plaši izmantota metode kobalta ekstrakcijai, īpaši no laterīta un oksidētām rūdām. Galvenie soļi ietver:

• Sulfātu izskalošanās: Rūdu apstrādā ar sērskābi, lai izšķīdinātu kobaltu, kopā ar citiem vērtīgiem metāliem, piemēram, niķeli un varu.
• Nokrišņi: Ķīmiskos reaģentus izmanto, lai selektīvi atdalītu kobaltu no izskalojuma šķīduma, bieži ražo kobalta hidroksīdu vai sulfātu kā starpproduktus.

Rafinēšana

Rafinēšana ir būtiska, lai iegūtu augstas tīrības pakāpes kobaltu, kas piemērots rūpnieciskiem un tehnoloģiskiem lietojumiem:

• Šķīdinātāja ekstrakcija: Organiskos šķīdinātājus izmanto, lai selektīvi ekstrahētu kobalta jonus no ūdens fāzes, efektīvi noņem netīrumus, piemēram, dzelzi, mangāns, un vara.
• Elektrouzvarēšana: Pēdējais attīrīšanas posms, kur tiešā elektriskā strāva tiek novadīta caur kobaltu saturošu šķīdumu, lai nogulsnētu tīru kobalta metālu (99.8%–99,99%) uz katodiem.

5. Kobalta pakāpes un formas

Kobalts ir pieejams dažādās komerciālās kategorijās un formās, katrs ir pielāgots īpašiem rūpnieciskiem lietojumiem atkarībā no nepieciešamās tīrības pakāpes, fiziskā struktūra, un ķīmiskais sastāvs.

Šie varianti atbalsta lietojumus akumulatoru ražošanā, augstas temperatūras sakausējumi, elektronika, katalizatori, un magnētiskie materiāli.

Tālāk ir sniegts visbiežāk sastopamo kobalta šķirņu un formu sadalījums:

6. Galvenie kobalta sakausējumi

Kobalta unikālās īpašības, piemēram, izturība augstā temperatūrā, izturība pret koroziju, magnētiskā veiktspēja, un nodilumizturība — padariet to par būtisku elementu daudzos progresīvos sakausējumos.

Supersakausējumi uz kobalta bāzes

• Apraksts: Šie sakausējumi ir izstrādāti, lai izturētu ekstremālās temperatūras un oksidatīvo vidi, padarot tos ideāli piemērotus turbīnu dzinējiem un kosmosa komponentiem.
• Tipiski kompozīcijas: Co-cr-w, Co-Ni-cr, un Co–Mo–Ni sakausējumi.
• Īpašības:

• • Augstas temperatūras spēks (> 1000° C)
  • Lieliska oksidācijas un korozijas izturība
  • Laba termiskā noguruma veiktspēja

• Pieteikumi:

• • Reaktīvo dzinēju turbīnu lāpstiņas un lāpstiņas
  • Rūpnieciskās gāzes turbīnas
  • Degšanas uzlikas un siltuma vairogi

• Sakausējumu piemērs: Heinss 188, Stelīts 21, MAR-M509

Kobaltu saturoši ātrgaitas tēraudi (HSS)

• Apraksts: Kobalts tiek pievienots HSS, lai uzlabotu sarkano cietību — ļaujot instrumentiem saglabāt cietību paaugstinātā temperatūrā griešanas laikā.
• Tipiska pakāpe: M42 (8% Co)
• Īpašības:

• • Uzlabota karstuma cietība un nodilumizturība
  • Uzlabota griešanas malu noturība pie lielām slodzēm

• Pieteikumi:

• • Griešanas rīki, urbis, Beigu dzirnavas, aizskaras
  • Metāla un plastmasas formēšanas instrumenti

• Piezīme: M42 HSS ir kļuvis par precīzās apstrādes standartu, pateicoties tā kobalta saturam.

Pastāvīgie magnēti uz kobalta bāzes

• Veidi:

• • Alnico (Alumīnijs-niķelis-kobalts): Augsta magnētiskā izturība un temperatūras izturība
  • Samarija kobalts (SmCo): Retzemju kobalta magnēts ar izcilu stabilitāti un izturību pret koroziju

• Īpašības:

• • Augsts koercivitātes un enerģijas produkts
  • Lieliska termiskā stabilitāte (līdz 350–550°C SmCo)

• Pieteikumi:

• • Motori un ģeneratori
  • Kosmosa sensori
  • Medicīniskā attēlveidošana (MRI)

• Sniegums: SmCo magnētu enerģijas produkts parasti ir 20–32 MGOe (Mega Gauss Oersteds)

Kobalta-hroma sakausējumi (Līdzstrādnieks)

• Apraksts: Bioloģiski saderīgi sakausējumi ar augstu nodilumizturību un koroziju; bieži izmanto medicīnā un zobārstniecībā.
• Īpašības:

• • Nemagnētisks, lielas izturības
  • Lieliska bioloģiskā saderība

• Pieteikumi:

• • Ortopēdiskie implanti (gurni, ceļgaliem)
  • Zobu protezēšana
  • Sirds vārstuļu sastāvdaļas

• Sakausējumu piemērs: ASTM F75 (cast Co-Cr-Mo), ASTM F799 (kalts Co-Cr-Mo)

Cietie sakausējumi (Piem., Stelīts)

• Apraksts: Nodilumizturīgi kobalta sakausējumi, ko izmanto kā virsmas pārklājumus, lai pagarinātu instrumentu vai detaļu kalpošanas laiku.
• Īpašības:

• • Izcila izturība pret nodilumu, erozija, un žēlums
  • Saglabā cietību līdz 900°C

• Pieteikumi:

• • Vārsts sēdekļi, griešanas asmeņi, kalnrūpniecības instrumenti
  • Dzinēja sastāvdaļas augsta nodiluma vidēs

Tabula: parastās kobalta sakausējumu kategorijas

7. Kobalta rūpnieciskie pielietojumi

Kobaltam ir būtiska loma daudzās rūpniecības nozarēs tā unikālās fizikālās īpašības dēļ, ķīmisks, un magnētiskās īpašības.

Tās spēja izturēt augstu temperatūru, pretoties korozijai, un uzlabot citu materiālu veiktspēju padara kobaltu neaizstājamu gan augsto tehnoloģiju, gan tradicionālajās nozarēs.

Enerģijas uzglabāšana un baterijas

• Primārā izmantošana: Litija jonu akumulatori
• Darbība: Kobaltu izmanto litija jonu akumulatoru katodos, jo īpaši Niķelis Mangāna Kobalts (NMC) un Niķeļa kobalta alumīnijs (NCA) ķīmijas.
• Pabalsti:

• • Uzlabo enerģijas blīvumu un akumulatora darbības laiku
  • Uzlabo termisko un strukturālo stabilitāti

• Tirgus ieskats:

• • Beigās 60% kobalta pieprasījumu nosaka akumulatoru sektors.
  • Kobalta patēriņš vienam elektriskajam transportlīdzeklim (EV) akumulators svārstās no 4 līdz 14 kg, atkarībā no ķīmijas.

Aviācijas un turbīnu dzinēji

• Primārā izmantošana: Supersakausējumi uz kobalta bāzes
• Darbība: Kobaltu saturoši supersakausējumi tiek izmantoti reaktīvo dzinēju sastāvdaļās, gāzes turbīnas, un raķešu dzinēji.
• Pabalsti:

• • Saglabā izturību un izturību pret koroziju augstās temperatūrās (virs 1000°C)
  • Iztur oksidatīvo un termisko nogurumu

• Galvenās sastāvdaļas:

• • Turbīnu asmeņi, lāpstiņas, sadedzināšanas kameras

Griešanas instrumenti un nodilumizturīgi materiāli

• Primārā izmantošana: Cementēti karbīdi un ātrgaitas tēraudi
• Darbība: Kobalts kalpo kā saistviela cementētajos karbīdos un palielina ātrgaitas tērauda cietību.
• Pabalsti:

• • Uzlabo instrumenta stingrību un izturību pret deformāciju karstuma ietekmē
  • Pagarina instrumenta kalpošanas laiku liela ātruma vai augsta spiediena griešanas apstākļos

• Piemēri:

• • Urbji, Beigu dzirnavas, štancēšanas presformas, kalnrūpniecības instrumenti

Katalizatori ķīmiskajā un naftas rūpniecībā

• Primārā izmantošana: Katalizatori sintēzei un rafinēšanai
• Katalītisko pielietojumu veidi:

• • Fišera-Tropša sintēze: No sintēzes gāzes ražo šķidros ogļūdeņražus (CO + H₂)
  • Hidrodesulfurizācija (HDS): Atdala sēru no jēlnaftas, lai iegūtu tīru degvielu

• Pabalsti:

• • Augsta katalītiskā efektivitāte un izturība skarbā ķīmiskā vidē

Medicīnas un biomedicīnas ierīces

• Primārā izmantošana: Kobalta-hroma sakausējumi
• Darbība: Izmanto implantiem, protezēšana, un ķirurģiskie instrumenti to lieliskās bioloģiskās saderības dēļ.
• Piemēri:

• • Mākslīgie gurni un ceļi
  • Stenti, zobu implanti

• Īpašs gadījums:

• • Kobalts-60 (Co-60): Radioaktīvs izotops, ko izmanto vēža staru terapijā un medicīnas iekārtu sterilizācijā

Pastāvīgie magnēti un elektronika

• Veidi:

• • Alnico magnēti: Izmanto elektromotoros, sensori, un elektriskās ģitāras
  • Samarija kobalts (SmCo): Retzemju magnēti ar augstu koercivitāti un stabilitāti

• Pabalsti:

• • Stabila magnētiskā veiktspēja augstā temperatūrā
  • Izturība pret koroziju skarbos apstākļos

• Pieteikumi:

• • Aviācijas un kosmosa instrumenti, MRI aparāti, robotika, audio aparatūra

Pigmenti, Stikls, un Keramika

• Izmantotie kobalta savienojumi:

• • Kobalta oksīds (Co₃O4) un kobalta alumināts (CoAl₂O4)

• Darbība:

• • Izmanto, lai ražotu kobalta zils, stallis, dinamisks pigments

• Pieteikumi:

• • Mākslinieciskā keramika, automobiļu stikls, arhitektūras flīzes
  • Augsto tehnoloģiju stikla pielietojumi, pateicoties UV absorbējošām īpašībām

8. Drošība, Apstrāde, un kobalta toksikoloģija

Lai gan kobalts ir neaizstājams daudzās mūsdienu tehnoloģijās, tas rada vairākas veselības, drošība, un vides riskiem, ja tie netiek pareizi pārvaldīti.

Izpratne par tā toksikoloģisko profilu, iedarbības ierobežojumi, un drošas apstrādes prakse ir būtiska nozarēm, kuras izmanto kobaltu ieguves rūpniecībā, ražošana, un apstrāde.

Arodekspozīcijas ierobežojumi

Regulatīvās iestādes, piemēram, OSHA, NIOSH, un ACGIH ir noteikuši iedarbības robežvērtības, lai nodrošinātu drošus darba apstākļus:

Kobalta iedarbības ietekme uz veselību

Kobalts var iekļūt organismā ieelpojot, norīšana, vai saskarē ar ādu.

Ietekmes uz veselību smagums ir atkarīgs no kobalta formas (metālisks, šķīstošie sāļi, vai radioaktīvie izotopi) un iedarbības ilgums.

Īstermiņa (Akūts) Efekti:

• Elpošanas ceļu kairinājums: klepus, sēkšana
• Ādas izsitumi vai dermatīts no saskares
• Acu kairinājums

Ilgtermiņa (Hronisks) Efekti:

• Kobalta plaušas: intersticiāla plaušu slimība, ko izraisa kobalta putekļu/tvaiku ieelpošana
• Kardiomiopātija (sirds muskuļa bojājumi) ar augstu sistēmisku iedarbību
• Alerģiskas reakcijas un astma
• Iespējama neirotoksiska iedarbība, ilgstoši lietojot lielas devas

Kancerogenitāte:

• Starptautiskā vēža izpētes aģentūra (IARC) klasificē kobaltu un kobalta savienojumus kā 2B grupa: "iespējams, kancerogēns cilvēkiem", pamatojoties uz ierobežotiem pierādījumiem par cilvēkiem un pietiekamiem pētījumiem ar dzīvniekiem.

Radioaktīvais kobalts (Kobalts-60)

Kobalts-60 (⁶⁰Co) ir sintētisks radioaktīvs izotops, ko izmanto:

• Radiācijas terapija (vēža ārstēšana)
• Medicīnisko iekārtu sterilizācija
• Rūpnieciskā radiogrāfija

Apdraudējums:

• Izstaro augstas enerģijas gamma starus
• Var izraisīt radiācijas apdegumus, DNS bojājumi, un palielināts vēža risks, ja tas tiek nepareizi apstrādāts
• Jāuzglabā un jāpārvadā saskaņā ar stingrām reglamentējošām vadlīnijām (Piem., svina ekranējums, droši konteineri)

Kobalta drošības paraugprakse

9. Salīdzinājums ar saistītajiem elementiem

Kobaltam ir vairākas kopīgas īpašības ar blakus esošajiem elementiem periodiskajā tabulā, īpaši dzelzs (Fe), niķelis (Iekšā), un mangāns (Nojaukšanās).

Kobalta salīdzināšana ar šiem elementiem palīdz izcelt tā unikālās īpašības un priekšrocības dažādos rūpnieciskos lietojumos.

10. Secinājums

Kobalts ir būtisks metāls, kas pazīstams ar savu augsto kušanas temperatūru, izturība pret koroziju, un magnētiskās īpašības.

Tam ir galvenā loma supersakausējumos, pastāvīgie magnēti, un litija jonu akumulatori, padarot to vitāli svarīgu aviācijai, tīra enerģija, un elektronikas rūpniecībā.