کاربرد کبالت در فولاد سازی

کبالت؛ مرکب آبی رنگ

نام کبالت Cobalt از واژه آلمانی Cobalt یا Kobold به معنی روح شیطان گرفته شده است. این نام را کارگران معدن به علت سمی و دردسرساز بودن این عنصر برای آن انتخاب کردند زیرا کبالت، سایر عناصر معدن را آلوده و کم عیار می کرد.

کبالت، سی و دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است و فراوانی نسبی کبالت در پوسته زمین 0/200 درصد است.کبالت از زمان های قدیم که مواد مرکب آن به صورت شیشه آبی رنگی تصور می شد، شناخته شده بود.

کبالت بین سال های 1768- 1694 از سوی George Brandt کشف شد. وی کبالت را به رنگ آبی در شیشه نشان داد که قبلا ناشی از بیسموتی بود و همراه با کبالت یافت شده بود. کانه های کبالت هزاران سال به عنوان عامل ایجاد رنگ آبی در شیشه سازی و سفالگری به کار می رفته است. سفال های با جلای آبی رنگ که در مقبره های مصری یافت شده و قدمت آنها به 2600 سال پیش از میلاد مسیح می رسد دارای کبالت هستند.

به طور نمونه، مهره های شیشه ای پارسی با قدمت 22500 سال پیش از میلاد مسیح نیز دارای کبالت هستند. گلدان های پورتلند موجود در موزه بریتانیا شواهدی دال بر استفاده از رنگدانه های کبالتی از سوی شیشه گران یونانی در آغاز دوران مسیح دارند. لئوناردو داوینچی از نخستین هنرمندانی بود که از این رنگ دانه برای نقاشی تابلوی «بانوی سنگ ها» استفاده کرد.

کبالت، به صورت فلز آزاد وجود ندارد و به شکل سنگ معدن یافت می شود. همچنین این ماده معدنی به تنهایی استخراج نمی شود و به عنوان محصول جانبی فعالیت های استخراج مس و نیکل به دست می آید. هرچند تا قرن بیستم از فلز کبالت به میزان کمی استفاده می شده، اما استفاده از کبالت به عنوان یک فلز به سال 1907 برمی گردد که در آن سال ها نیز یک سری آلیاژهای کبالت کروم به نام استلیت طراحی شدند. در سال 1930م مشاهده شد افزودن کبالت به آلیاژهای خاصی از آهن، نیکل و آلومینیوم، ویژگی آنها را به عنوان آهنربای دائم افزایش می دهد.

کاربردهای کبالت

کاربردهای کبالت به 2 گروه عمده متالورژیکی و غیرمتالورژیکی تقسیم می شوند. کاربردهای متالورژیکی این فلز شامل آلیاژهای پایه کبالت مقاوم به سایش، مقاوم به حرارت و مقاوم به خوردگی، استفاده از کبالت در سوپرآلیاژهای پایه نیکل، سوپرآلیاژهای پایه آهنی، کاربیدهای سمانته شده، مواد مغناطیسی، آلیاژهای انبساط پایین، فولادها و به میزان کمتر در آلیاژهای غیرآهنی و پوشش های کبالت است.

کاربردهای غیرمتالورژیکی کبالت شامل بکارگیری ترکیبات کبالت در مواد شیمیایی مانند رنگدانه ها، کاتالیزورها، خشک کننده ها و مواد چسبنده و کاربردهای الکتریکی مانند وسایل ضبط مغناطیسی کبالت دار و باتری ها است.

فولادهای ابزاری پرسرعت

کبالت، سختی گرم فولادهای ابزاری پرسرعت را بالا برده و در نتیجه، بازدهی برشکاری این ابزارها را هنگام عملیات، زمانی که دما بالا می رود، افزایش می دهد. کبالت به هر دو نوع فولادهای پرسرعت مولیبدن دار و تنگستن دار بین 5 تا 12درصد افزوده می شود.

این عنصر در برخی فولادهای ابزاری کار گرم و سرد شده نیز مورد استفاده قرار می گیرد. به طور نمونه، H19، که یک فولاد ابزاری کار سرده شده است، بین 4 تا 4/50درصد کبالت و فولاد پرکروم کار سرده شده D5 بین 2/50 تا 3/50درصد کبالت دارد.

کاربردهای الکتریکی

باتری های قابل شارژ کبالت دار ازجمله کاربردهای این فلز هستند که به سرعت توسعه یافتند. این باتری ها در ابزارهای برقی، اسباب بازی ها، وسایل نقلیه الکتریکی، کامپیوترها، گوشی های موبایل، دوربین های عکاسی و فیلمبرداری و سایر دستگاه های برقی مشابه مورد استفاده قرار می گیرند.

در باتری های نیکل- کادمیم و نیکل- هیدرید فلز، اکسید یا هیدروکسید کبالت پودری ریز به منظور بهبود عملکرد باتری اضافه می شود. همچنین در باتری های لیتیم- یونی، LiCoO2 5درصد وزن کاتد را به خود اختصاص می دهد.

سایر کاربردهای الکترونیکی کبالت عبارتند از نیمه هادی ها، مدارهای منسجم، کلکتورهای خورشیدی، حسگرهای گاز، ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک، وریستورهای اکسید روی و مقاومت های گرمایی با ضریب حرارتی منفی.

معادن کبالت و نیکل در جهان

منطقه کاپربلت در زامبیا و جمهوری دموکراتیک کنگو بیش از یک سوم کل ذخایر جهانی کبالت و یک دهم ذخایر جهانی مس را به خود اختصاص می دهد. این ناحیه یک زنجیره کوهستانی 500میلیون ساله است که در اثر برخورد دو تکه بزرگ از پوسته های قاره ای به وجود آمده است. این برخورد عامل بروز حرکات تکتونیک نیز بوده و سبب تا شدن قابل توجه ذخایر شده است.

در برخی نقاط، ذخایر به طور عمودی یا حتی وارونه قرار گرفته اند.حدود نیمی از کبالت اولیه در جهان از معادن کانه های نیکل و به عنوان محصول جانبی استحصال نیکل تولید می شود. نیمه دیگر تولید جهانی کبالت اولیه از معادن مس- کبالت کاپربلت که در کشورهای زامبیا و جمهوری دموکراتیک کنگو قرار دارند، به دست می آید. ناحیه کاپربلت، بیش از یک سوم ذخایر معدنی کبالت و یک دهم ذخایر معدنی مس در دنیا را به خود اختصاص می دهد. کشور جمهوری دموکراتیک کنگو بزرگ ترین استخراج کننده کبالت و چین، بزرگ ترین تصفیه کننده این فلز به شمار می آید.

مقدار کمی کبالت، بین 1000 تا 2000 تن در سال، از کانه های آرسنیک در مغرب تولید می شود. اصلی ترین ماده معدنی در این کانه اسکوترودیت، Asx است که x مقداری بین 2 و 3 دارد. علاوه بر تولید کبالت اولیه، مقدار قابل توجهی کبالت فلزی و ترکیبات آن از قراضه های بازیافتی به دست می آیند.

تخمین زده شده که یک ترکیب کبالت دار یا آلیاژ کبالت به طور متوسط، 80 درصد کبالت اولیه و 20درصد کبالت بازیافتی دارد.تولید کبالت و بازاریابی آن به وضعیت و ثبات کشورهای افریقایی بستگی دارد. در مه 1978، توازن اقتصادی به دلیل حمله ایالت شابای زئیر از سوی ارتش کاتانگا بهم ریخت که به کاهش تولید کبالت و افزایش شدید نرخ منجر شد.

بستگی عرضه کبالت جهانی به تولیدکنندگان افریقا بسیار شدید است. تولید کبالت کشورهای غربی به طور متوسط از سال 1950م به بعد 2/8درصد رشد داشته است. چشم انداز عرضه کبالت به بازار جهانی به طور منطقی و معقولی رضایت بخش است، ذخایر این ماده معدنی زیادند اما تولید کبالت به معدنکاری کانه های کبالت دار دیگر فلزات ازجمله مس و نیکل بستگی دارد که آنها نیز متاثر از تصمیمات اقتصادی مواد معدنی دارای کبالت قرار می گیرند.

با توجه به داده های سازمان زمین شناسی امریکا، در سال 2011 کنگو با 3400هزار تن، استرالیا با1400هزار تن و کوبا با500هزار تن بیشترین ذخایر جهانی کبالت را به خود اختصاص می دهند.

کبالت؛ رنگدانه ای در سرامیک ها و شیشه ها

اکسیدهای کبالت کمپلکس در رنگ آمیزی و تزئین سرامیک ها و شیشه ها به کار می روند. رنگ هایی که از رنگدانه های کبالت دار به دست می آیند آبی تا سبز و بیشتر بر پایه اسپینل کبالت یا سیلیکات کبالت هستند.

کبالت به صورت پوشش هایی برای رنگ های لعابی چینی ها، سرامیک و رنگدانه (کبالت آبی و کبالت سبز) در شیشه ها استفاده می شود. سده های متمادی است که برای ایجاد رنگ آبی در شیشه، سرامیک و لعاب از اکسید کبالت استفاده می کنند.

روند اقتصادی کبالت در جهان

براساس داده های USGS در بازه 11ساله، بهای کبالت از 11700 دلار بر تن در سال 2000م به 10300 دلار بر تن در سال 2010م رسیده است. بیشترین نرخ افزایش بها در سال 2005م، 11800 دلار بر تن و کمترین نرخ بها 7580 دلار بر تن بوده است.

در دوره 1977-1960، نرخ کبالت الگوی رشد متوسطی حدود 2/8درصد داشته است. نرخ متوسط تولیدکنندگان در سال 1960 و 1977 به ترتیب 3/3 و 13 دلار در کیلوگرم بود. در 79 - 1978، نرخ فلز به 108 دلار در کیلوگرم رسید و از آن زمان کاهش یافت.

ذخایر کبالت در نقاط مختلف ایران

کبالت جزو کانی های فلزی به شمار می آید و چند محدوده معدنی در نقاط مختلف کشور وجود دارد. پیشینه فعالیت و استفاده از کبالت در ایران به زمان صفویان بازمی گردد و معدن کبالت لاجورد در قمصر کاشان نیز از نمونه ذخایری است که در این دوره مورد استفاده قرار می گرفته است؛ به این ترتیب که از آن برای ساخت رنگ آبی استفاده می کردند.

همچنین نمونه های بارز کاربرد کبالت در کاشی و سرامیک را می توان در مسجد شیخ لطف الله، مسجد امام و عمارت عالی قاپو مشاهده کرد.براساس اطلاعات موجود، استان فارس نیز ذخیره کوچکی از این محصول دارد که از آن با نام «تیدر» یاد می کنند. همچنین در آذربایجان شرقی معدن «بایچه باغ» از دیگر ذخایر کبالت کشور است.

در ایران در مرکزی بین «مس کنی» و «تالمسی» نیز ذخایری از کبالت دیده شده و این درحالی است که اکنون این معادن به شکل متروکه در آمده و هیچ گونه فعالیت معدنی در آنها نمی شود. در معدن «تیدر» و همچنین معدن لاجورد در کنار آهن، ذخایری از این کانی یافت شده است. همچنین محدوده دیگری از این کانی در «فرومد» سبزوار قرار دارد. البته باید توجه کرد در تمامی این معادن میزان ذخایر کبالت چندان بالا نبوده و ذخایر این کانی در کشور رقم پایینی را به خود اختصاص داده است.