Кобальтовый металл: Характеристики, Использование, и промышленное значение

1. Введение

Кобальт прослеживает свои корни до начала 18 -го века, Назван от немецкого Кобольд или «Гоблин,”Наклонение на разочарование шахтеров, когда руды отказались приносить медь, но выпущены токсичные пары.

Сегодня, Кобальт необходим в современных технологиях: он стабилизирует литий -ионные батареи, Околот суперсплавы с экстремальной устойчивостью, управляет ключевыми химическими катализаторами, и придает культовую темно -синюю керамику и пигменты.

2. Что такое кобальт?

Кобальт - это химический элемент с символом Co и атомным номером 27.

Расположен в группе 9 периодической таблицы, это тяжело, серебристо-серый, Ферромагнитный переходной металл.

Как переходный металл, Кобальт демонстрирует различные состояния окисления и образует многочисленные соединения, которые способствуют его широкому спектру приложений.

В природе, Кобальт не найден в чистой форме, но в основном связан с никельными и медными рудами.

Эта ассоциация означает, что большая часть производства кобальта является побочным продуктом операций по майнингу никеля и меди.

Демократическая Республика Конго (Доль) является крупнейшим в мире производителем кобальта, Учет примерно 70% глобального производства в последние годы.

Другие крупные страны, производящие кобальт, включают Россию, которые имеют значительные запасы кобальта, связанные с его никель-коппер-платиновыми группами металлов., и Австралия, известен своими высококачественными кобальтовыми рудами.

3. Физический & Химические свойства кобальта

Кобальт трудный, блестящий, Серебряный переходный металл с набором физических и химических характеристик, которые лежат в основе его разнообразного промышленного использования:

4. Производство кобальта и переработка

Кобальт в основном извлекается как побочный продукт из медного кобальта и никель-кобальтового руд..

Два основных метода добычи, используемых для кобальтовых руб. подземная добыча и добыча.

Подземная добыча обычно используется для более глубоких рудных тел, предлагая лучшую концентрацию руды, но более высокие эксплуатационные расходы.

В отличие, Горнодобывающая промышленность с открытой ножкой более подходит для ближних месторождений и, как правило, более рентабельно для крупномасштабного производства.

Как только руда извлечена, он подвергается серии Металлургические процессы разделить и очистить содержание кобальта:

Пирометаллургия

Эта высокотемпературная техника включает:

• Плавка: Руда нагревается с восстановительным агентом, чтобы отделить металл от окружающего материала. Этот процесс обычно используется для сульфидных руд.
• Обжарить: Превращает сульфиды металлов в оксиды путем нагрева в присутствии кислорода, обеспечение более легкого восстановления в последующих шагах.

Гидрометаллургия

Более избирательный и широко принятый метод для извлечения кобальта, особенно из латерита и окисленных руд. Ключевые шаги включают:

• Выщелачивание сульфата: Руда обрабатывается серной кислотой для растворения кобальта, наряду с другими ценными металлами, такими как никель и медь.
• Осадки: Химические реагенты используются для избирательного отделения кобальта от раствора выщелачивания, часто производит гидроксид кобальта или сульфат в качестве промежуточных продуктов.

Переработка

Рафинирование необходимо для получения высокочистого кобальта, подходящего для промышленного и технологического применения:

• Извлечение растворителя: Органические растворители используются для избирательного извлечения ионов кобальта из водной фазы, эффективно удаление примесей, таких как железо, марганец, и медь.
• Электровиннинг: Последний этап очистки, где прямой электрический ток проходит через кобальтосодержащий раствор для отложения чистого кобальтового металла (99.8%–99,99%) на катоды.

5. Кобальтовые оценки и формы

Кобальт доступен в ряде коммерческих оценок и форм, Каждый из них адаптирован для конкретного промышленного использования в зависимости от необходимой чистоты, физическая структура, и химический состав.

Эти варианты поддерживают применение в производстве аккумуляторов, Высокотемпературные сплавы, электроника, катализаторы, и магнитные материалы.

Ниже приведен разбивка наиболее распространенных оценок и форм кобальта:

6. Ключевые кобальтовые сплавы

Уникальные свойства Кобальта, такие как высокая температурная сила, коррозионная стойкость, магнитная производительность, и износостойчивость - сделайте это важным элементом в многочисленных продвинутых сплавах.

На основе кобальта суперсплавы

• Описание: Эти сплавы предназначены для выдержания экстремальных температур и окислительной среды, Сделать их идеальными для турбинных двигателей и аэрокосмических компонентов.
• Типичные композиции: Co-C-W, Co-ni-cr, и co - mo - ni сплавы.
• Характеристики:

• • Высокотемпературная прочность (> 1000°С)
  • Отличное окисление и коррозионная стойкость
  • Хорошая тепловая утомляемость

• Приложения:

• • Клетки и лопасти турбины реактивных двигателей
  • Промышленные газовые турбины
  • Сжигание сжигания и тепловые щиты

• Примеры сплавов: Хейнс 188, Стеллиты 21, MAR-M509

Кобальтосодержащие высокоскоростные стали (HSS)

• Описание: Кобальт добавляется в HSS для улучшения красной твердости - предоставление инструментов для поддержания твердости при повышенных температурах при резке.
• Типичный класс: M42 (8% Ко)
• Характеристики:

• • Повышенная горячая твердость и износостойкость
  • Улучшенное удержание передовых кромков при высоких нагрузках

• Приложения:

• • Режущие инструменты, сверла, концевые фрезы, расщепления
  • Формирование инструментов для металла и пластика

• Примечание: M42 HSS стал стандартом в точной обработке из -за содержания кобальта.

Постоянные магниты на основе кобальта

• Типы:

• • Алнико (Алюминиевая - никель -кобальт): Высокая магнитная прочность и температурная стойкость
  • Самарий кобальт (SMCO): Редкоземельный кобальтовый магнит с превосходной стабильностью и коррозионной стойкостью

• Характеристики:

• • Высокая коэртивность и энергетический продукт
  • Отличная тепловая стабильность (до 350–550 ° C для SMCO)

• Приложения:

• • Двигатели и генераторы
  • Аэрокосмические датчики
  • Медицинская визуализация (МРТ)

• Производительность: Магниты SMCO обычно имеют энергетический продукт 20–32 MGOE (Мега Гаусс переос)

Кобальт-хромий сплавы (Коль-)

• Описание: Биосовместимые сплавы с высоким износом и коррозионной стойкостью; часто используется в медицинских и стоматологических приложениях.
• Характеристики:

• • Немагнитный, высокая прочность
  • Отличная биосовместимость

• Приложения:

• • Ортопедические имплантаты (бедра, колени)
  • Зубная протеза
  • Компоненты сердечного клапана

• Примеры сплавов: ASTM F75 (Cast Co-C-Mo), ASTM F799 (Ковато co-cr-mo)

Сплавы с твердыми изделиями (например, Стеллиты)

• Описание: Износостойкие сплавы кобальта, используемые в качестве поверхностных покрытий для продления инструмента или срока службы деталей.
• Характеристики:

• • Исключительное сопротивление истиранию, эрозия, и раздражает
  • Сохраняет твердость до 900 ° C

• Приложения:

• • Клапан сиденья, Режущие лезвия, Инструменты добычи
  • Компоненты двигателя в средах с высокой ногой

Стол: Обычные оценки сплавов кобальта

7. Промышленное применение кобальта

Кобальт играет жизненно важную роль в широком спектре промышленных секторов из -за его уникального физического, химический, и магнитные свойства.

Его способность выдерживать высокие температуры, сопротивляться коррозии, и повышение производительности других материалов делает кобальт незаменимым как в высокотехнологичных, так и в традиционных отраслях..

Хранение энергии и батареи

• Первичное использование: Литий-ионные батареи
• Функция: Кобальт используется в катодах литий-ионных батарей, особенно в Никель марганцевой кобальт (NMC) и Никель кобальт алюминий (Няня) химии.
• Преимущества:

• • Улучшает плотность энергии и срок службы батареи
  • Повышает тепловую и структурную стабильность

• Рыночное понимание:

• • Над 60% спроса на кобальт обусловлен аккумуляторным сектором.
  • Использование кобальта на электромобиль (Эвихт) Батарея колеблется от 4 к 14 кг, в зависимости от химии.

Аэрокосмические и турбинные двигатели

• Первичное использование: На основе кобальта суперсплавы
• Функция: Суперсплавы, содержащие кобальт, используются в компонентах реактивного двигателя, газовые турбины, и ракетные двигатели.
• Преимущества:

• • Поддерживает силу и коррозионную стойкость при высоких температурах (выше 1000 ° C.)
  • Выдерживает окислительную и термическую усталость

• Ключевые компоненты:

• • Лопатки турбины, лопасти, камеры сжигания

Режущие инструменты и износостойкие материалы

• Первичное использование: Цементированные карбиды и высокоскоростные стали
• Функция: Кобальт служит связующим в цементированных карбидах и повышает твердость в высокоскоростной стали.
• Преимущества:

• • Улучшает жесткость инструмента и сопротивление деформации при нагревании
  • Продолжает срок службы инструмента в условиях высокоскоростного или высокого давления

• Примеры:

• • Буровые биты, концевые фрезы, штамповка умирает, Инструменты добычи

Катализаторы в химической и нефтяной промышленности

• Первичное использование: Катализаторы синтеза и переработки
• Типы каталитических применений:

• • Фишер-Тропш Синтез: Производит жидкие углеводороды из Syngas (Сопутствующий + H₂.)
  • Гидродсульфуризация (HDS.): Удаляет серу из сырой нефти для производства чистого топлива

• Преимущества:

• • Высокая каталитическая эффективность и долговечность в суровых химических средах

Медицинские и биомедицинские устройства

• Первичное использование: Кобальт-хромий сплавы
• Функция: Используется для имплантатов, протезирование, и хирургические инструменты из -за их превосходной биосовместимости.
• Примеры:

• • Искусственные бедра и колени
  • Стент, зубные имплантаты

• Специальный случай:

• • Кобальт-60 (CO-60): Радиоактивный изотоп, используемый при лучевой терапии рака и стерилизации медицинского оборудования

Постоянные магниты и электроника

• Типы:

• • Алнико Магниты: Используется в электродвигателях, датчики, и электрогитары
  • Самарий кобальт (SMCO): Редкоземельные магниты с высокой коэртивностью и стабильностью

• Преимущества:

• • Стабильные магнитные характеристики при высоких температурах
  • Коррозионная стойкость в суровых условиях

• Приложения:

• • Аэрокосмические инструменты, Аппараты МРТ, робототехника, аудио оборудование

Пигменты, Стекло, и керамика

• Кобальтовые соединения используются:

• • Оксид кобальта (Co₃o₄) и кобальт алюминат (Уголь)

• Функция:

• • Используется для производства кобальт синий, конюшня, Яркий пигмент

• Приложения:

• • Художественная керамика, Автомобильное стекло, Архитектурные плитки
  • Высокотехнологичные стеклянные применения из-за ультрафиолетовых свойств

8. Безопасность, Умение обращаться, и токсикология кобальта

В то время как кобальт необходим во многих современных технологиях, это создает несколько здоровья, безопасность, и экологические риски, если не управляются должным образом.

Понимание его токсикологического профиля, пределы экспозиции, и безопасная практика обработки необходима для отраслей, используя кобальт в добыче, производство, и обработка.

Пределы профессиональной экспозиции

Регулирующие органы, такие как OSHA, Ниош, и ACGIH установили пределы воздействия для обеспечения безопасных условий труда:

Последствия воздействия на здоровье кобальта

Кобальт может войти в тело с помощью вдыхания, проглатывание, или контакт с кожей.

Тяжесть воздействия на здоровье зависит от формы кобальта (металлик, Растворимые соли, или радиоактивные изотопы) и продолжительность воздействия.

Короткий срок (Острый) Эффекты:

• Респираторное раздражение: кашель, хрипил
• Кожная сыпь или дерматит от контакта
• Раздражение глаз

Долгосрочный (Хронический) Эффекты:

• Кобальтовое легкое: Интерстициальная болезнь легких от вдыхания кобальтовой пыли/паров
• Кардиомиопатия (повреждение сердечных мышц) с высоким системным воздействием
• Аллергические реакции и астма
• Возможные нейротоксические эффекты с длительным воздействием высокой дозы

Канцерогенность:

• Международное агентство по исследованиям рака (IARC) классифицирует соединения кобальта и кобальта как Группа 2b: «Возможно канцерогенный для людей», основанный на ограниченном человеческом доказательстве и достаточных исследованиях на животных.

Радиоактивный кобальт (Кобальт-60)

Кобальт-60 (⁶⁰co) является синтетическим радиоактивным изотопом, используемым в:

• Лучевая терапия (лечение рака)
• Стерилизация медицинского оборудования
• Промышленная рентгенография

Опасности:

• Излучает высокоэнергетические гамма-лучи
• Может вызвать радиационные ожоги, Повреждение ДНК, и повышенный риск рака, если он неправильно образован
• Должен храниться и транспортироваться в соответствии с строгими нормативными руководящими принципами (например, Ведущее экранирование, безопасные контейнеры)

Лучшие методы безопасности кобальта

9. Сравнение с соответствующими элементами

Кобальт разделяет несколько характеристик с соседними элементами в периодической таблице, особенно железо (Фе), никель (В), и марганец (Мин.).

Сравнение кобальта с этими элементами помогает подчеркнуть его уникальные свойства и преимущества в различных промышленных приложениях.

10. Заключение

Кобальт - это важный металл, известный своей высокой точкой плавления, коррозионная стойкость, и магнитные свойства.

Это играет ключевую роль в суперплабелях, Постоянные магниты, и литий-ионные батареи, Делая это жизненно важным для аэрокосмической промышленности, чистая энергия, и электронная промышленность.