钴：小金属 大用途
◎ 赵超
钴是一种银白色金属，具有铁磁性、延展性、耐高温、耐腐蚀。 因其具有良好的物理、化学和机械加工性能，广泛应用于机械制造、电子电器、航空航天、电池制造等行业。 是国家重要的战略资源，被誉为“工业味精”、“工业牙齿”。
钴元素简介
钴元素符号Co，原子序数27，相对原子量58.93，密度8.9g/cm3，硬度5.6，熔点1495℃，沸点2870℃，是一种银白色金属，具有铁磁性和延展性。 钴基合金和含钴合金在硬度、抗拉强度和机械加工性能方面与铁和镍相似，具有更好的耐热性、耐磨性和耐腐蚀性，在工业生产中得到广泛应用。 钴分布广泛。 铁、镍、铜和其他矿石中含有微量的钴。 天然水、土壤和植物中也发现了微量钴。 独立的钴矿物极为稀有，在地壳中含量仅为0.0023%。 钴是一种非常稀缺的小金属资源，也是重要的战略资源之一。
自然界中的钴
钴在自然界中主要以三种形式存在：一是含钴的独立矿物，如砷钴矿、钴铁矿、钴铁矿等矿物，其钴含量最高；二是含钴的独立矿物。 其次，它们“嵌入”在黄铁矿、钴等硫化物如磁黄铁矿的晶体结构中； 第三，以钴离子的形式吸附在某些矿物的表面，其中以第二种形式最为常见。 地球上已发现的含钴矿物约有100种。 主要钴矿物有：硫钴矿、纤维状柱锂矿、砷钴矿、砷钴矿、钴华等。
钴大多以伴生形式存在于其他金属矿床中，主要存在于砂岩铜矿床、岩浆铜镍矿床和红土型镍矿床中。 钴资源储量中，镍钴伴生占50%，铜钴伴生占44%，原生钴仅占6%。 据美国地质调查局（USGS）数据显示，2020年全球钴资源储量约为700万吨。 刚果民主共和国是第一大资源国，钴资源储量达360万吨，约占世界总储量的50%； 其次澳大利亚钴资源储量为140万吨，占比20%左右； 我国钴资源储量约为8万吨，仅占世界总储量的1.12%。
钴华
钴工业发展历史
德国和挪威是最早生产钴的两个国家。 早期，他们只生产少量钴，但没有大规模生产。 新喀里多尼亚于1874年开始开发钴矿，1903年至1909年，加拿大开始大量开发钴矿，使世界钴产量从1903年至1909年的16吨增加到1553吨。 1920年刚果民主共和国加丹加省铜钴矿开发后，其钴产量一直位居世界第一，赞比亚钴产量位居世界第二。 1933年，摩洛哥开始从事砷、钴矿的开发利用，成为世界第三大钴生产国。
我国钴的生产和利用起步较晚。 1954年，沉阳冶炼厂以锌钴渣为原料生产钴，拉开了我国钴生产的序幕。 该厂通过还原、溶解、氧化沉淀等工艺生产含钴30%～40%的氢氧化钴，再经焙烧、电炉熔炼、电解精炼得到金属钴。 1958年，地质学家在甘肃省金昌市发现了金川镍矿。 是我国三大多金属共生矿之一。 以镍矿为主，辅以钴、铜等，钴产量占全国总产量的70%以上。 已成为我国重要的钴生产基地。 虽然我国钴资源储量匮乏，但精炼钴产量却占全球市场的67%。 国内钴生产原料主要来自刚果民主共和国等国的钴精矿或钴矿中间产品。
钴在现代社会的应用
目前钴主要用于制造磁性材料、超级合金、航天器、电池材料等，在医疗行业也有广泛应用。
磁性材料是重要的功能材料，在电子工业和高科技制造领域发挥着非常重要的作用。 钴是一种只需磁化一次即可长期保持磁性的金属。 在热作用下失去磁性的温度称为居里点。 铁的居里点为769℃，而钴的居里点可达1150℃。 在相同环境下，含钴磁性材料能保持相对稳定的磁性，因此被广泛应用于高性能磁性材料的制造。 钴具有良好的耐高温性和耐腐蚀性，是制造优质合金的重要材料。 刀具钢中含有一定量的钴，可以显着提高其耐磨性和切削性能。 含钴50%以上的合金在1000℃时仍能保持原有的硬度。 它们是制造高温喷气发动机、航空涡轮发动机、蒸汽涡轮机的重要材料。 它们广泛应用于航空航天和国防现代化建设。
1979年，钴酸锂电池诞生，钴首次应用于充电电池领域。 由于其优异的安全性，被广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能可穿戴设备、储能设备和电动自行车等领域，从而开启了新时代。 近年来，随着新能源汽车产业的蓬勃发展，电池技术不断取得突破。 众所周知的三元锂电池广泛应用于新能源汽车领域，而钴是电池正极的核心材料之一。
钴也广泛应用于医疗领域。 放射性同位素钴60常被用作治疗癌症的放射源。 现阶段，钴60治疗机已成为我国肿瘤放疗的重要设备之一。 青霉素中添加适量的钴，可提高其药效。 钴还用于人工关节材料和牙科填充物。 此外，钴也是人体必需的微量元素之一。 成人体内约含1.1毫克，广泛分布于全身。 它是维生素B12的重要成分，可以帮助身体产生红细胞。 人体缺乏钴会导致食欲不振、恶性贫血、疲劳等症状。 当然，人体摄入过量的钴也会引起钴中毒，从而导致红细胞增多症、甲状腺增生、神经性耳聋等。
随着新能源汽车不断普及和电子产品产量持续增长，电池领域成为钴消费增长最快的领域。 2021年全球钴消费总量约为17.5万吨，其中电池行业占比66%，位居第一； 高温合金和硬质合金各占7%，位居第二； 聚酯纤维占4%，排名第三。
据安泰科统计，2021年我国钴消费量约为11.5万吨，其中电池行业占比87%，位居第一； 硬质合金占4%，排名第二； 陶瓷占3%，位居第一。 排名第三。 我国钴总消费量约占全球总消费量的66%，是名副其实的最大钴消费国。
金川镍矿矿区
钴资源利用前景
随着世界科学技术的进步，钴在现代工业体系中发挥着不可替代的作用。 美国和欧盟均已将钴列入影响国家和地区安全以及未来经济发展的关键矿物和材料清单。 我国也将钴列入战略矿产清单。 目前，根据各国新能源汽车发展规划，全球钴资源将面临供应短缺的风险。 尤其是我国是最大的消费国。 面对当前钴资源短缺的情况，为保证国内工业生产和国防建设的需要，我国钴矿需要有充足的资源保障，避免发展“卡壳”。 目前，自然资源部全面启动新一轮矿产勘查突破战略行动，聚焦稀缺、战略矿产，加强国内勘探开发，加大锂、钴、镍、油气等矿产勘查力度，全力保障国家能源安全。
随着钴回收技术的不断成熟，回收也成为钴供应的重要方式。 目前，不少资源回收企业从废旧电池中提取钴，一定程度上缓解了钴资源供应紧张的局面。 2018年，工信部等部委联合发布《新能源汽车动力电池回收利用管理暂行办法》，为废旧电池回收利用提供了政策支持和保障。钴和其他资源的开采。 理论上，如果所有消耗的含钴电池都能回收利用，到2030年全球每年仅需供应10万吨即可满足生产需求。然而，目前全球电池回收率仅为25%至50%，且仍有大量钴电池被回收利用。还有很大的改进空间。 为了更有效地回收资源，减少对自然环境的破坏，我们必须对垃圾进行分类，将废旧含钴电池放入电池回收箱。 这不仅可以避免环境污染，也可以保护国家战略。 为安全做出贡献。
（作者单位：中国地质调查局西安矿产资源调查中心）
从“恶魔”到“宝贝”
钴的英文名称为“”，源自德语“”，意思是“魔鬼、坏精灵”。 1733年，德国萨克森州一座银铜矿开采过程中，矿工们发现了一种看起来与银相似的矿石，他们用它来冶炼。 没想到，许多工人在这个过程中丧生。 当时，人们认为这是“魔鬼”在作怪。 由于这个历史原因，钴被赋予了“魔鬼”的名字。 后来，科学家发现这种银白色矿石的主要成分是亚砷酸钴（CoAsS）。 这种矿物在高温下会释放出含有砷的有毒气体。 这才是造成工人死亡的罪魁祸首。 从此，钴逐渐摆脱了“魔鬼”的罪名，但“魔鬼”这个名字仍沿用至今。
1753年，瑞典化学家勃兰特（G.）从钴砷矿石中分离出一种银灰色带有浅玫瑰色的金属，这是一种高纯度的钴。 因此，勃兰特被认为是钴的发现者。 1780年，瑞典化学家伯格曼（T.）在实验室提纯了较高纯度的钴，并鉴定其为金属元素。 1789年，法国著名化学家拉瓦锡首次将钴列入元素周期表。
事实上，钴在人类生活中的应用至少有 3000 年。 古罗马人和希腊人使用钴化合物制造深蓝色玻璃。 同期我国唐代三彩器物彩瓷上的蓝色，是以含钴矿物为着色颜料的。 在古埃及，图坦卡蒙法老的坟墓中发现了一块用钴化合物染成深蓝色的玻璃。
青花瓷是中国古代瓷器的经典代表。 元代景德镇出现了成熟的青花瓷。 到了明代，青花瓷成为瓷器的主流。 青花瓷上的“青花”是以钴料（含氧化钴）为原料，在瓷坯上绘制图案，然后覆盖透明釉，经高温烧成。
钴蓝是一种带有绿光的蓝色粉末，自19世纪以来逐渐成为蓝色颜料的重要成员。 由于其耐热、耐光、耐腐蚀以及鲜艳独特的色彩，深受欧洲后印象派画家的喜爱。 例如，梵高的著名油画《星夜》就是用钴蓝色绘制的蓝色夜空。