Metal kobaltowy: Właściwości, Używa, i znaczenie przemysłowe

1. Wstęp

Kobalt śledzi swoje korzenie na początku XVIII wieku, nazwany od niemieckiego Kobold lub „Goblin,„Skinienie na frustracje górników, gdy rudy odmówiły wyprodukowania miedzi, ale uwolniły toksyczne opary.

Dzisiaj, Kobalt jest niezbędny w nowoczesnej technologii: Stabilizuje baterie litowo -one, Endows Superalloys z ekstremalną odpornością na temperaturę, napędza kluczowe katalizatory chemiczne, i nadaje kultową głęboką niebieską ceramikę i pigmenty.

2. Co to jest kobalt?

Cobalt to element chemiczny o symbolu CO i numerze atomowym 27.

Znajduje się w grupie 9 układu okresowego, To trudne, Srebrzysty i szarej, Metal przejściowy ferromagnetyczny.

Jako metal przejściowy, kobalt wykazuje różne stany utleniania i tworzy liczne związki, które przyczyniają się do szerokiej gamy aplikacji.

W naturze, Kobalt nie znajduje się w czystej formie, ale jest głównie związany z rudami niklu i miedzi.

To powiązanie oznacza, że ​​większość produkcji kobaltu jest produktem ubocznym niklu i miedzi wydobywczych.

Demokratyczna Republika Konga (DRC) jest największym na świecie producentem kobaltu, rachunek za około 70% globalnej produkcji w ostatnich latach.

Inne główne kraje produkujące kobalt to Rosja, który ma znaczące rezerwy kobaltu związane z jego złożami metali grupy niklu-platyny, i Australia, znany z wysokiej jakości rud z kobaltem.

3. Fizyczny & Właściwości chemiczne kobaltu

Kobalt jest trudny, lśniący, Metal przejściowy srebra z apartamentem o cechach fizycznych i chemicznych, które leżą u podstaw ich różnorodnych zastosowań przemysłowych:

4. Produkcja i rafinacja kobaltu

Kobalt jest przede wszystkim wyodrębniony jako produkt uboczny z rud miedzianych i niklu-cobalt.

Dwie główne techniki wydobycia stosowane w rudach nośnych kobaltu są Minowanie podziemne I wydobycie otwartego.

Mining podziemny jest zwykle stosowany do głębszych ciał rudy, Oferowanie lepszej koncentracji rudy, ale wyższe koszty operacyjne.

Dla kontrastu, Wydobycie otwartego jest bardziej odpowiednie dla depozytów na powierzchni i jest ogólnie bardziej opłacalne dla produkcji na dużą skalę.

Po wydobyciu rudy, przechodzi serię Procesy metalurgiczne oddzielić i oczyścić treść kobaltu:

Pyrometallurgia

Ta technika wysokiej temperatury obejmuje:

• Wytapianie: Ruda jest podgrzewana środkiem redukującym do oddzielania metalu od otaczającego materiału. Proces ten jest powszechnie stosowany do rud siarczkowych.
• Prażenie: Przekształca siarczki metalowe w tlenki przez ogrzewanie w obecności tlenu, Umożliwianie łatwiejszego odzyskiwania w kolejnych krokach.

Hydrometallurgia

Bardziej selektywna i szeroko przyjęta metoda ekstrakcji kobaltu, zwłaszcza z rud laterytowych i utlenionych. Kluczowe kroki obejmują:

• Ługowanie siarczanu: Ruda jest traktowana kwasem siarkowym w celu rozpuszczenia kobaltu, wraz z innymi cennymi metaliami, takimi jak nikiel i miedź.
• Osad: Odczynniki chemiczne są używane do selektywnego oddzielenia kobaltu od roztworu ługowania, często wytwarzanie wodorotlenku kobaltu lub siarczanu jako pośrednich.

Rafinacja

Rafinacja jest niezbędna do uzyskania kobaltu o dużej czystości odpowiednich do zastosowań przemysłowych i technologicznych:

• Ekstrakcja rozpuszczalnika: Rozpuszczalniki organiczne są używane do selektywnego wydobywania jonów kobaltu z fazy wodnej, Skuteczne usuwanie zanieczyszczeń, takich jak żelazo, mangan, i miedź.
• Elektromodne: Ostateczny etap oczyszczania, gdzie bezpośredni prąd elektryczny jest przepuszczany przez roztwór zawierający kobalt w celu osadzenia czystego metalu kobaltowego (99.8%–99,99%) na katody.

5. Klasy i formy kobaltu

Cobalt jest dostępny w różnych klasach i formach, każdy dostosowany do określonych zastosowań przemysłowych w zależności od wymaganej czystości, Struktura fizyczna, i skład chemiczny.

Te warianty obsługują aplikacje w produkcji baterii, stopy w wysokiej temperaturze, elektronika, katalizatory, i materiały magnetyczne.

Poniżej znajduje się rozkład najczęstszych gatunków i form kobaltu:

6. Kluczowe stopy kobaltu

Unikalne właściwości kobaltu-takie jak siła wysokiej temperatury, odporność na korozję, wydajność magnetyczna, i odporność na zużycie - pozyskaj niezbędny element w wielu zaawansowanych stopach.

Superalloys oparte na kobalcie

• Opis: Te stopy są zaprojektowane tak, aby wytrzymać ekstremalne temperatury i środowiska oksydacyjne, czyniąc je idealnymi do silników turbinowych i komponentów lotniczych.
• Typowe kompozycje: CO-CR-W, CO-NI-CR, i CO - mo - nice.
• Właściwości:

• • Wytrzymałość w wysokiej temperaturze (> 1000°C)
  • Doskonałe utlenianie i odporność na korozję
  • Dobra wydajność zmęczenia termicznego

• Aplikacje:

• • Ostrza i łopatki turbiny silnika odrzutowego
  • Przemysłowe turbiny gazowe
  • Wkładki spalania i tarcze cieplne

• Przykładowe stopy: Haynes 188, Stellity 21, MAR-M509

Szybkie stale zawierające kobalt (HSS)

• Opis: Kobalt jest dodawany do HSS w celu poprawy twardości czerwonej - narzędzia do utrzymania twardości w podwyższonych temperaturach podczas cięcia.
• Typowa ocena: M42 (8% Współ)
• Właściwości:

• • Zwiększona gorąca twardość i odporność na zużycie
  • Ulepszona retencja najnowocześniejsza przy wysokich obciążeniach

• Aplikacje:

• • Narzędzia tnące, ćwiczenia, młyny końcowe, Broaches
  • Formowanie narzędzi do metalu i plastiku

• Notatka: M42 HSS stał się standardem w precyzyjnej obróbce ze względu na treść kobaltu.

Magnesy stałe oparte na kobalcie

• Typy:

• • Alnico (Aluminium - Nickel - Cobalt): Wysoka wytrzymałość magnetyczna i odporność na temperaturę
  • Samarium Cobalt (Smco): Rare Earth Cobalt Magnet o doskonałej stabilności i odporności na korozję

• Właściwości:

• • Wysoka przymus i produkt energetyczny
  • Doskonała stabilność termiczna (do 350–550 ° C dla SMCO)

• Aplikacje:

• • Silniki i generatory
  • Czujniki lotnicze
  • Obrazowanie medyczne (MRI)

• Wydajność: Magnesy SMCO zwykle mają produkt energetyczny 20–32 MGOE (Mega Gauss Oversom)

Stopy kobalt-chromowe (CO-CR)

• Opis: Stopy biokompatybilne o wysokim zużyciu i odporności na korozję; Często stosowane w zastosowaniach medycznych i dentystycznych.
• Właściwości:

• • Niemagnetyczne, wysoka wytrzymałość
  • Doskonała biokompatybilność

• Aplikacje:

• • Implanty ortopedyczne (biodra, kolana)
  • Protetyka dentystyczna
  • Składniki zastawki serca

• Przykładowe stopy: ASTM F75 (Cast CO-CR-Mo), ASTM F799 (kutego ko-c-mo)

Hardfacing Stophs (np., Stellity)

• Opis: Odporne na zużycie stopy kobaltu stosowane jako powłoki powierzchniowe w celu przedłużenia narzędzia lub części żywotności.
• Właściwości:

• • Wyjątkowy odporność na ścieranie, erozja, i irytujące
  • Zachowuje twardość do 900 ° C

• Aplikacje:

• • Zawór siedzenia, cięcie ostrzy, Narzędzia wydobywcze
  • Komponenty silnika w środowiskach o wysokiej noszeniu

Tabela: Wspólne stopnie stopu kobaltu

7. Zastosowania przemysłowe kobaltu

Kobalt odgrywa istotną rolę w szerokiej gamie sektorów przemysłowych ze względu na unikalny fizyczny, chemiczny, i właściwości magnetyczne.

Jego zdolność do wytrzymania wysokich temperatur, odporność na korozję, a zwiększenie wydajności innych materiałów sprawia, że ​​kobalt jest niezbędny zarówno w branżach zaawansowanych, jak i tradycyjnych.

Magazynowanie energii i baterie

• Podstawowe użycie: Akumulatory litowo-jonowe
• Funkcjonować: Kobalt jest stosowany w katodach akumulatorów litowo-jonowych-zwłaszcza w Nickel Mangan Cobalt (NMC) I Aluminium kobaltowe nikiel (NCA) Chemistries.
• Korzyści:

• • Poprawia gęstość energii i żywotność baterii
  • Zwiększa stabilność termiczną i strukturalną

• Wgląd rynkowy:

• • Nad 60% zapotrzebowania na kobalt jest napędzany przez sektor baterii.
  • Zastosowanie kobaltu na pojazd elektryczny (Ev) Zakresy akumulatora 4 Do 14 kg, w zależności od chemii.

Silniki lotnicze i turbinowe

• Podstawowe użycie: Superalloys oparte na kobalcie
• Funkcjonować: Superalloys zawierające kobalt są używane w elementach silnika odrzutowego, Turbiny gazowe, i silniki rakietowe.
• Korzyści:

• • Utrzymuje wytrzymałość i odporność na korozję w wysokich temperaturach (powyżej 1000 ° C.)
  • Wytrzymuje zmęczenie oksydacyjne i termiczne

• Kluczowe komponenty:

• • Ostrza turbiny, łopatki, komory spalania

Narzędzia tnące i materiały odporne na zużycie

• Podstawowe użycie: Cementowane węgliki i szybkie stali
• Funkcjonować: Kobalt służy jako spoiwo w cementowanych węglikach i zwiększa twardość w stali szybkiej.
• Korzyści:

• • Poprawia wytrzymałość narzędzi i odporność na deformację w cieple
  • Rozszerza żywotność narzędzia w warunkach cięcia o dużej prędkości lub pod wysokim ciśnieniem

• Przykłady:

• • Wiertnica, młyny końcowe, Stampowanie umiera, Narzędzia wydobywcze

Katalizatory w przemyśle chemicznym i ropy naftowym

• Podstawowe użycie: Katalizatory syntezy i rafinacji
• Rodzaje zastosowań katalitycznych:

• • Synteza Fischer-Tropsch: Wytwarza ciekłe węglowodory z syngat (WSPÓŁ + H₂)
  • HydrodoSulfuriation (HDS): Usuwa siarkę z ropy naftowej, aby produkować czyste paliwa

• Korzyści:

• • Wysoka wydajność katalityczna i trwałość w trudnych środowiskach chemicznych

Urządzenia medyczne i biomedyczne

• Podstawowe użycie: Stopy kobalt-chromowe
• Funkcjonować: Używane do implantów, protetyka, i instrumenty chirurgiczne ze względu na ich doskonałą biokompatybilność.
• Przykłady:

• • Sztuczne biodra i kolana
  • Stenty, implanty dentystyczne

• Specjalny przypadek:

• • Cobalt-60 (CO-60): Radioaktywny izotop stosowany w radioterapii raka i sterylizacji sprzętu medycznego

Stałe magnesy i elektronika

• Typy:

• • Magnesy Alnico: Używane w silnikach elektrycznych, czujniki, i gitary elektryczne
  • Samarium Cobalt (Smco): Magnesy ziem rzadkich o wysokiej przymusu i stabilności

• Korzyści:

• • Stabilna wydajność magnetyczna w wysokich temperaturach
  • Odporność na korozję w trudnych środowiskach

• Aplikacje:

• • Instrumenty lotnicze, Maszyny do MRI, robotyka, Sprzęt audio

Pigmenty, Szkło, i ceramika

• Zastosowane związki kobaltu:

• • Tlenek kobaltu (Co₃o₄) I Aluminian kobaltu (Coal₂o₄)

• Funkcjonować:

• • Używane do produkcji Kobalt niebieski, stabilny, żywy pigment

• Aplikacje:

• • Ceramika artystyczna, szkło samochodowe, Płytki architektoniczne
  • Zastosowania szkła zaawansowanych technologicznie z powodu właściwości Absorbing UV

8. Bezpieczeństwo, Obsługiwanie, i toksykologia kobaltu

Podczas gdy kobalt jest niezbędny w wielu nowoczesnych technologiach, Stwarza kilka zdrowia, bezpieczeństwo, oraz ryzyko środowiskowe, jeśli nie jest odpowiednio zarządzane.

Zrozumienie jego profilu toksykologicznego, Limity ekspozycji, a bezpieczne praktyki obsługi są niezbędne dla branż wykorzystujących kobalt w górnictwie, produkcja, i przetwarzanie.

Limity narażenia zawodowego

Organy regulacyjne, takie jak OSHA, Niosh, a ACGIH ustaliły limity narażenia, aby zapewnić bezpieczne warunki pracy:

Wpływ narażenia na kobalt na zdrowie

Kobalt może wejść do ciała poprzez inhalację, przyjmowanie pokarmu, lub kontakt skóry.

Ciężkość skutków zdrowotnych zależy od postaci kobaltu (metaliczny, rozpuszczalne sole, lub izotopy radioaktywne) i czas ekspozycji.

Krótkoterminowe (Ostry) Ruchomości:

• Podrażnienie oddechowe: kaszel, świszczący
• Wysypki skórne lub zapalenie skóry z kontaktu
• Podrażnienie oka

Długofalowy (Chroniczny) Ruchomości:

• Płuca kobaltowe: śródmiąższowa choroba płuc z wdychania pyłu/oparów kobaltowych
• Kardiomiopatia (uszkodzenie mięśni sercowych) z wysoką ekspozycją systemową
• Reakcje alergiczne i astma
• Możliwe skutki neurotoksyczne z przedłużoną ekspozycją na wysokie dawki

Rakotwórczość:

• Międzynarodowa Agencja Badań nad rakiem (IARC) klasyfikuje związki kobaltu i kobaltu Grupa 2b: „Prawdopodobnie rakotwórcze dla ludzi” w oparciu o ograniczone ludzkie dowody i wystarczające badania na zwierzętach.

Radioaktywny kobalt (Cobalt-60)

Cobalt-60 (⁶⁰co) jest syntetycznym radioaktywnym izotopem używanym w:

• Radioterapia (Leczenie raka)
• Sterylizacja sprzętu medycznego
• Radiografia przemysłowa

Zagrożenia:

• Emituje wysokoenergetyczne promienie gamma
• Może powodować oparzenia promieniowania, Uszkodzenie DNA, i zwiększone ryzyko raka w przypadku niewłaściwego
• Musi być przechowywany i transportowany zgodnie z ścisłymi wytycznymi regulacyjnymi (np., Ołów ołowiu, bezpieczne pojemniki)

Najlepsze praktyki bezpieczeństwa kobaltu

9. Porównanie z powiązanymi elementami

Cobalt ma kilka cech z sąsiednimi elementami w stoliku okresowym, szczególnie żelazo (Fe), nikiel (W), i mangan (Mn).

Porównanie kobaltu z tymi elementami pomaga podkreślić jego unikalne właściwości i zalety w różnych zastosowaniach przemysłowych.

10. Wniosek

Cobalt jest kluczowym metalem znanym z wysokiej temperatury topnienia, odporność na korozję, i właściwości magnetyczne.

Odgrywa kluczową rolę w Superalloys, stałe magnesy, i akumulatory litowo-jonowe, czyniąc to niezbędne dla lotu, Czysta energia, i przemysł elektroniczny.