کاربرد کبالت از خم رنگرزی تا فولاد سازی

حال در کنار این موضوع، کبالت به‌دلیل برخورداری از ویژگی‌های فیزیکی خاص همچون مقاوم بودن در برابر خوردگی در صنایع فلزی برای تولید فلزات مختلف ازجمله انواع فولادها استفاده می‌شود. این در حالی است که کبالت به‌عنوان یکی از موادمعدنی کمیاب در جهان بر اساس سیاست برخی کشورهای دارنده در انبارها گذاشته می‌شود. بر اساس آمار جهانی، کشورهای کنگو، کانادا، زامبیا، استرالیا، روسیه، کوبا، چین، برزیل، کالدونیای جدید، مراکش، اندونزی، افریقای جنوبی، اوگاندا و بوتسوانا مهم‌ترین تولیدکنندگان کبالت هستند. برای به‌دست آوردن اطلاعات بیشتر از این ماده معدنی، در ادامه گزارشی را که از سوی مدیریت آموزش، پژوهش و فناوری ایمیدرو ارائه شده می‌خوانید:

کبالت؛ مرکب آبی رنگ

نام کبالت Cobalt از واژه آلمانی Cobalt یا Kobold به معنی روح شیطان (Evil spirit) 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 می‌کرد. کبالت، سی و دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است و فراوانی نسبی کبالت در پوسته زمین ۰/۲۰۰ درصد است.کبالت از زمان‌های قدیم که مواد مرکب آن به‌صورت شیشه آبی‌رنگی تصور می‌شد، شناخته شده بود. کبالت بین سال‌های ۱۷۶۸- ۱۶۹۴ 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. کانه‌های کبالت هزاران سال به‌عنوان عامل ایجاد رنگ آبی در شیشه‌سازی و سفالگری به‌کار می‌رفته است. سفال‌های با جلای آبی‌رنگ که در مقبره‌های مصری یافت شده و قدمت آنها به ۲۶۰۰ سال پیش از میلاد مسیح می‌رسد دارای کبالت هستند. به طور نمونه، مهره‌های شیشه‌ای پارسی با قدمت ۲۲۵۰۰ سال پیش از میلاد مسیح نیز دارای کبالت هستند. گلدان‌های پورتلند موجود در موزه بریتانیا شواهدی دال بر استفاده از رنگدانه‌های کبالتی از سوی شیشه‌گران یونانی در آغاز دوران مسیح دارند. لئوناردو داوینچی از نخستین هنرمندانی بود که از این رنگ‌دانه برای نقاشی تابلوی «بانوی سنگ‌ها» استفاده کرد. کبالت، به‌صورت فلز آزاد وجود ندارد و به‌شکل سنگ معدن یافت می‌شود. همچنین این ماده معدنی به‌تنهایی استخراج نمی‌شود و به‌عنوان محصول جانبی فعالیت‌های استخراج مس و نیکل به‌دست می‌آید. هرچند تا قرن بیستم از فلز کبالت به میزان کمی استفاده می‌شده، اما استفاده از کبالت به‌عنوان یک فلز به سال ۱۹۰۷ برمی‌گردد که در آن سال‌ها نیز یک سری آلیاژهای کبالت کروم به نام استلیت طراحی شدند. در سال ۱۹۳۰م مشاهده شد افزودن کبالت به آلیاژهای خاصی از آهن، نیکل و آلومینیوم، ویژگی آنها را به‌عنوان آهنربای دائم افزایش می‌دهد.

کاربردهای کبالت

کاربردهای کبالت به ۲ گروه عمده متالورژیکی و غیرمتالورژیکی تقسیم می‌شوند. 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 (عمده‌ترین کاربرد کبالت)، سوپرآلیاژهای پایه آهنی، کاربیدهای سمانته شده، مواد مغناطیسی، آلیاژهای انبساط پایین، فولادها و به میزان کمتر در آلیاژهای غیرآهنی و پوشش‌های کبالت است. کاربردهای غیرمتالورژیکی کبالت شامل بکارگیری ترکیبات کبالت در مواد شیمیایی (مانند رنگدانه‌ها، کاتالیزورها، خشک‌کننده‌ها و مواد چسبنده) و کاربردهای الکتریکی (مانند وسایل ضبط مغناطیسی کبالت‌دار و باتری‌ها) 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 می‌رود، افزایش می‌دهد. کبالت به هر دو نوع فولادهای پرسرعت مولیبدن‌دار و تنگستن‌دار بین ۵ تا ۱۲درصد افزوده می‌شود.این عنصر در برخی فولادهای ابزاری کار گرم و سرد شده نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور نمونه، H۱۹، که یک فولاد ابزاری کار سرده شده است، بین ۴ تا ۴/۵۰درصد کبالت و فولاد پرکروم کار سرده شده D۵ بین ۲/۵۰ تا ۳/۵۰درصد کبالت دارد.
 

کاربردهای الکتریکی

باتری‌های قابل شارژ کبالت‌دار ازجمله کاربردهای این فلز هستند که به سرعت توسعه یافتند. این باتری‌ها در ابزارهای برقی، اسباب‌بازی‌ها، وسایل نقلیه الکتریکی، کامپیوترها، گوشی‌های موبایل، دوربین‌های عکاسی و فیلمبرداری و سایر دستگاه‌های برقی مشابه مورد استفاده قرار می‌گیرند. در باتری‌های نیکل- کادمیم و نیکل- هیدرید فلز، اکسید یا هیدروکسید کبالت پودری ریز به منظور بهبود عملکرد باتری اضافه می‌شود. همچنین در باتری‌های لیتیم- یونی، LiCoO۲ ۵درصد وزن کاتد را به خود اختصاص می‌دهد. سایر کاربردهای الکترونیکی کبالت عبارتند از نیمه‌هادی‌ها، مدارهای منسجم، کلکتورهای خورشیدی، حسگرهای گاز، ترانسفورماتورهای پیزوالکتریک، وریستورهای اکسید روی و مقاومت‌های گرمایی با ضریب حرارتی منفی.

معادن کبالت و نیکل در جهان

منطقه کاپربلت در زامبیا و جمهوری دموکراتیک کنگو بیش از یک‌سوم کل ذخایر جهانی کبالت و یک دهم ذخایر جهانی مس را به خود اختصاص می‌دهد. این ناحیه یک زنجیره کوهستانی ۵۰۰میلیون ساله است که در اثر برخورد دو تکه بزرگ از پوسته‌های قاره‌ای 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 به‌طور عمودی یا حتی وارونه قرار گرفته‌اند.حدود نیمی از کبالت اولیه در جهان از معادن کانه‌های نیکل و به‌عنوان محصول جانبی استحصال نیکل تولید می‌شود. نیمه دیگر تولید جهانی کبالت اولیه از معادن مس- کبالت کاپربلت که در کشورهای زامبیا و جمهوری دموکراتیک کنگو قرار دارند، به‌دست می‌آید. ناحیه کاپربلت، بیش از یک سوم ذخایر معدنی کبالت و یک دهم ذخایر معدنی مس در دنیا را به خود اختصاص می‌دهد. کشور جمهوری دموکراتیک کنگو بزرگ‌ترین استخراج‌کننده کبالت و چین، بزرگ‌ترین تصفیه‌کننده این فلز به شمار می‌آید. مقدار کمی کبالت، بین ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ تن در سال، از کانه‌های آرسنیک در مغرب تولید می‌شود. اصلی‌ترین ماده معدنی در این کانه اسکوترودیت، Co،Fe،Ni)Asx) است که x مقداری بین ۲ و ۳ دارد. علاوه بر تولید کبالت اولیه، مقدار قابل توجهی کبالت فلزی و ترکیبات آن از قراضه‌های بازیافتی به‌دست می‌آیند. تخمین زده شده که یک ترکیب کبالت‌دار یا آلیاژ کبالت به‌طور متوسط، ۸۰ درصد کبالت اولیه و ۲۰درصد کبالت بازیافتی دارد.تولید کبالت و بازاریابی آن به وضعیت و ثبات کشورهای افریقایی بستگی دارد. در مه ۱۹۷۸، 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 به‌طور متوسط از سال ۱۹۵۰م به بعد ۲/۸درصد رشد داشته است. چشم‌انداز عرضه کبالت به بازار جهانی به‌طور منطقی و معقولی رضایت‌بخش است، ذخایر این ماده معدنی زیادند اما تولید کبالت به معدنکاری کانه‌های کبالت‌دار دیگر فلزات ازجمله مس و نیکل بستگی دارد که آنها نیز متاثر از تصمیمات اقتصادی مواد معدنی دارای کبالت قرار می‌گیرند. با توجه به داده‌های سازمان زمین‌شناسی امریکا، در سال ۲۰۱۱ کنگو با ۳۴۰۰هزار تن، استرالیا با۱۴۰۰هزار تن و کوبا با۵۰۰هزار تن بیشترین ذخایر جهانی کبالت را به خود اختصاص می‌دهند.
 

کبالت؛ رنگدانه‌ای در سرامیک‌ها و شیشه‌ها

اکسیدهای کبالت کمپلکس در رنگ‌آمیزی و تزئین سرامیک‌ها و شیشه‌ها به‌کار می‌روند. رنگ‌هایی که از رنگدانه‌های کبالت‌دار به‌دست می‌آیند آبی تا سبز و بیشتر بر پایه اسپینل کبالت یا سیلیکات کبالت هستند. کبالت به‌صورت پوشش‌هایی برای رنگ‌های لعابی چینی‌ها، سرامیک و رنگدانه (کبالت آبی و کبالت سبز) در شیشه‌ها استفاده می‌شود. سده‌های متمادی است که برای ایجاد رنگ آبی در شیشه، سرامیک و لعاب از اکسید کبالت استفاده می‌کنند.

روند اقتصادی کبالت در جهان

براساس داده‌های USGS در بازه ۱۱ساله، بهای کبالت از ۱۱۷۰۰ دلار بر تن در سال ۲۰۰۰م به ۱۰۳۰۰ دلار بر تن در سال ۲۰۱۰م رسیده است. بیشترین نرخ افزایش بها در سال ۲۰۰۵م، ۱۱۸۰۰ دلار بر تن و کمترین نرخ بها ۷۵۸۰ دلار بر تن بوده است. در دوره ۱۹۷۷-۱۹۶۰، نرخ کبالت الگوی رشد متوسطی حدود ۲/۸درصد داشته است. نرخ متوسط تولیدکنندگان در سال ۱۹۶۰ و ۱۹۷۷ به ترتیب ۳/۳ و ۱۳ دلار در کیلوگرم بود. در ۷۹ - ۱۹۷۸، نرخ فلز به ۱۰۸ دلار در کیلوگرم رسید و از آن زمان کاهش یافت.

ذخایر کبالت در نقاط مختلف ایران

کبالت جزو کانی‌های فلزی به‌شمار می‌آید و چند محدوده معدنی در نقاط مختلف کشور وجود دارد. پیشینه فعالیت و استفاده از کبالت در ایران به زمان صفویان بازمی‌گردد و معدن کبالت لاجورد در قمصر کاشان نیز از نمونه ذخایری است که در این دوره مورد استفاده قرار می‌گرفته است؛ به این ترتیب که از آن برای ساخت رنگ آبی استفاده می‌کردند. همچنین نمونه‌های بارز کاربرد کبالت در کاشی و سرامیک را می‌توان در مسجد شیخ لطف‌الله، مسجد امام و عمارت عالی‌قاپو مشاهده کرد.براساس اطلاعات موجود، استان فارس نیز ذخیره کوچکی از این محصول دارد که از آن با نام «تیدر» یاد می‌کنند. همچنین در آذربایجان‌شرقی 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 هیچ‌گونه فعالیت معدنی در آنها نمی‌شود. 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.