MINERAIS INDUSTRIAIS - UMA MINA DE OPORTUNIDADES - Emílio Lobato EXPOSIBRAM 2007 AGENDA • Dados gerais sobre Grupo Magnesita • Definição e usos Minerais Industriais (MI) • Importância dos MI • Estatísticas Brasil • Estratégias para diferenciação/agregação de valor – Exemplos ilustrativos/“cases”: • Talco • Nanoclay • Comentários finais Grupo Magnesita SALVADOR-BA (terminal marítimo) BRUMADO-BA (3ª maior mina de magnesita do mundo) (grandes reservas de talco) BELO HORIZONTE-MG (headquartes e principais fábricas) RAMALLO - AR (planta de refratários) • Fundação 1940 • Nº Empresas 10 • Nº de Empregados ~ 11 mil • Receita Bruta (2006) R$ 1,2 Bi MAGNESITA - BAHIA Fornos de calcinação e sinterização - magnésia cáustica - briquetes (MgO) Usina de beneficiamento de talco Mina Pedra Preta – Magnesita (MgCO3) Terminal Marítimo de Aratu MAGNESITA – BAHIA GRUPO MAGNESITA Risa - refratários isolantes Rasa – Argentina Cerâmica São Caetano - refratários anti-ácidos, isolantes e microfibras Si-amorfa Ikera - contretos e massas refratárias PRINCIPAIS PRODUTOS Tijolos e Massas Refratárias Sínter Óxido de Magnésio Talco Argilas Cromita Agalmatolito Silexil, etc. MINERAIS INDUSTRIAIS: DEFINIÇÃO • Minerais Industriais são todas as rochas e minerais, inclusive os sintéticos, predominantemente não-metálicos, que, por suas propriedades físicas ou químicas, podem ser utilizados em processos industriais. • A revista Industrial Minerals lista, em seu index, mais de 50 espécies ou grupos minerais, incluindo os minerais metálicos com aplicações não-metalúrgicas. LISTA DE MINERAIS INDUSTRIAIS (não-metálicos) • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Minerais abrasivos Agregados Alumina/Bauxita Antimônio Amianto Argilas plásticas/”ball clay” Barita Bentonita/montmorillonita Minerais de berílio Boratos Bromo/Iodo Carbonato de cálcio Cimento Cromita Diamante Diatomita Dolomita Enxofre Feldspato Fluorita • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Grafita Gesso Óxido de ferro Caulim Minerai de Lítio Magnesita/MgO Manganês Mica Nitratos Olivina Perlita Fosfatos Potássio Pedra-pome Piritas Pirofilita Terras-raras Sal Sílica • • • • • Talco Vermiculita Wollastonita Zeólitas Zircônio e ainda... • • • • • Sílicas especiais Minerais e rochas de ocorrência regional Minerias modificados Resíduos inorgânicos Rochas ornamentais Minerais físicos vs. minerais químicos • Minerais físicos se diferenciam dos minerais químicos pelo fato de não perderem sua identidade química e mineralógica nos materiais onde são incorporados. • Os minerais físicos funcionais formam o grupo mais técnico dos minerais industriais – onde residem as maiores oportunidades de agregação de valor, mas por sua vez os maiores desafios de base tecnológica para adequação de produtos e para orientação sobre as aplicações aos consumidores finais. • Relação de minerais químicos: argilas diversas (plásticas e fundentes), filitos, feldspato, nefelina, quartzo, bentonita, outros. 1 - Amianto 2 - Areias Silicosas 3 - Argilas: Comum Caulim Bentonita 4 - Barita 5 - Bauxita, Cianita e correlatos 6 - Calcário, Dolomito e Cal 7 - Diamante 8 - Feldspato e Nefelina Sienito 9 - Fluorita 10 - Fosfato 11 - Grafita 12 - Ilmenita, Rutilo e Zirconita 13 - Magnesita 14 - Rochas Ornamentais 15 - Talco e Pirofilita K z z Lamas de Perfuração Ótica e Eletrônica Filtrantes Clarificantes Pigmentos Abrasivos Jóias / Decoração Fundentes Metalúrgicos Moldes de Fundição Peletização Cargas (Filler) Agricultura Indústria Química Refratários Vidros Cimento e Cal Cerâmica Construção Minerais Industriais vs. aplicações K K z z z K K z K K z z z z z K z z z z z z z z z z z z K z K z z K K z z z K K K z z z K z z Legenda: z USO IMPORTANTE K USO ADICIONAL USO OCASIONAL Fonte: Moreira, Marcos Donadello, "Aplicações dos Minerais e Rochas Industriais", SBG Núcleo BA-SE, 1994 z z Os minerais no nosso dia-a-dia • Ligar a luz - (fios de cobre, filamentos de W, sílica e feldspato da lâmpada) • Água – (tubulções de aço, ferro + carvão + calcário) • Espelho – (sílica e óxido de ferro) • Escovar os dentes (carbonato de cálcio, dióxido de titânio, hidróxido de magnésio, talco) • Cerâmcia do banheiro – argilas especiais cozidas • As casas: argila tijolo e telhado, calcário do cimento, cal para revestimento, titânio para a tinta, aço para estruturas, e outros. • Agricultura: fosfato, potássio, cálcio, nitrogênio ESTATÍSTICAS DO BRASIL • De acordo com a literatura, um país atinge sua maturidade industrial quando o valor da produção de não-metálicos supera o da produção de metálicos. Isto aconteceu nos EUA no início do século XX, na Espanha no começo dos anos 70 e na Austrália no final dos anos 80. Fonte: Hill, N. R. Industrial Minerals. Canada, 1993. Distribuição da produção de não-metálicos Materiais de construção Cargas e extensores Materiais de construção PAÍSES INDUSTRILIZADOS Fertilizantes e químicos Cargas e extensores PAÍSES EM DESENVOLVIMENTO Fertilizantes e químicos Fonte: Hill, N. R. Industrial Minerals. Canada, 1993. Distribuição da produção mineral brasileira - 2000 Metálicos 20% Não-metálicos Energéticos 16% 63% Cargas Construção civil Extensores 56% Químicos Fertilizantes 44% Gemas e diamantes 1% Fonte: DNPM. O Universo da Mineração Brasileira, 2000. Energéticos: carvão, petróleo, gás natural Metálicos: bauxita, Pb, Cu, Cr, Sn, Fe, Li, Mn, Nb, Ni, Au, Ag, Ti, Zn Não-metálicos: 50 minerais são listados Construção civil: areia e cascalho, brita, calcário, argilas Classificação das minas de minerais industriais do Brasil - 2000 2.000 1862 1.800 1654 208 metálicos 1.600 1.400 1246 1325 1.200 Total M.I. Total geral 1.000 800 600 372 400 200 0 ROM (t/ano) 34 448 89 A-B > 1.000.000 t Fonte: DNPM. O Universo da Mineração Brasileira, 2000. C-D-E-F 100.000 – 1.000.000 t G-H-I 10.000 – 100.000 t TOTAL REQUISITOS PARA A DIFERENCIAÇÃO OBJETIVO: AGREGAR VALOR PARA O COMPRADOR • Capacitação tecnológica da organização • Intimidade com o mercado • Cultura e estrutura organizacional direcionada para o mercado • Competência técnica para o binômio produto/aplicação • Tecnologia de processos • Recursos laboratoriais • Controle de processo • Cultura para a inovação • Sistema da Qualidade (ISO 9000/14000, SA 8000, GMP) MODELOS DE AGREGAÇÃO DE VALOR PARA MINERAIS INDUSTRIAIS • Modificação radical de propriedades dos minerais • Melhoria do desempenho • Especificações com tolerâncias mais fechadas • Segmentação de “grades” • Serviços/Customização • Garantia de qualidade/desempenho • Absorção de atividades do cliente • Informações diferenciadas • Soluções/Serviços técnicos • Aperfeiçoamento da logística de transporte • Embalagens diferenciadas • Novas tecnologias • Complementação de linhas • Mistura de Minerais/Aditivação Fonte: Ciminelli, FCO, 1996. AGREGAÇÃO DE VALOR PELA MODIFICAÇÃO DA SUPERFÍCIE Tratamento da mica, do caulim, da wollastonita, com agentes de acoplamento (titanatos e silanos) para o aumento da compatibilidade com polímeros e reforço mecânico. Tratamento do carbonato de cálcio com estearatos para o aumento da compatibilidade com polímeros e melhoria da dispersão. Modificação da bentonita. Agregados com controle e garantia de desempenho com o cimento pela reatividade (morfologia e granulometria). Uso de minerais aditivados para o aumento da resistência ao risco do plástico reforçado. E ainda… • modificação da estrutura cristalina • modificação da morfologia • modificação da finura Fonte: Ciminelli, FCO, 1996. EXEMPLO PRÁTICO 1 - TALCO - Gênese do talco em Brumado O talco explorado pela Magnesita S.A. é um produto de metamorfismo, envolvendo condições favoráveis à síntese de talco de alta pureza. Reação de talcificação: 3 MgCO3 + 4 SiO2 + H2O → 3 MgO.4SiO2.H2O+ 3 CO2 (magnesita) (talco) Magnesita Magnesita Talco Talco Mina Cabeceiras – Brumado/BA. 2006. Mina de talco Cabeceiras Brumado/BA ESTRUTURA CRISTALINA DO TALCO Fórmula química: [Si4](Mg3)O10(OH)2 hydrophilic hydrophobic a c b ESTRUTURA PROPRIEDADES INÉRCIA QUÍMICA APLICAÇÕES OLEOFOBICIDADE (adesão natural com PP) SUAVIDADE (untuosidade) MOHS = 1 LAMELARIDADE BRANCURA Talco na indústria de plásticos Painéis, pára-choques, laterais de portas, carcaças de eletrodomésticos, cestos de máquinas de lavar, filmes de polietileno e móveis de jardim. FUNÇÃO DO TALCO EM COMPÓSITOS VANTAGENS NO USO EM PLÁSTICOS • Aumento da rigidez (módulo de flexão) • Reforço planar ou lamelar das partículas de talco alinhadas no compósito evita que a resistência à tração seja sacrificada, como acontece com as demais cargas minerais não fibrosas • O talco reduz o coeficiente de expansão térmica e a contração de moldados • Redução da anisotropia mecânica • Aumento da temperatura de distorção pelo calor (HDT) • Aumento da resistência à corrosão e umidade • Aumento da estabilidade dimensional • A aderência a superfícies metálicas e tintas de impressão é aprimorada • Melhora da resistência ao risco • Aumento da capacidade de cristalização (nucleante) moldagem/injeção redução do ciclo de A IMPORTÂNCIA DO TALCO NO POLIPROPILENO Fonte: HOHENBERGER, W. Kunststoffe plast europe 7/96. Materiais usados em um carro típico 1.000 kg 1.300 kg 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 11,8% 17,4% Marea - 1.180 kg 10,4% materiais poliméricos 60,1 kg de PP 1998 aço alumínio Fonte: Kline & Company, Inc. 2008 polímeros vidro Fonte: Plásticos em Revista, maio 1998. outros materiais Peso Comp.PP (kg/auto) Evolução do Peso Médio de Compostos PP/Autoveículo 40 30 20 10 0 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 • Novas aplicações em compostos • Aumento do tamanho das peças • Aumento da densidade dos párachoques • Consolidação dos carros compactos Fonte: Borealis Pára-choque Zero-Gap Pára-choque “Zero Gap” Altíssima estabilidade dimensional Redução do CLTE Baixa contração Alta resistência ao choque, mesmo a baixas temperaturas Aumento de tamanho da peça Integração perfeita com a carroceria Painéis de instrumentos Painéis de Instrumentos Alto custo benefício Redução de peso da peças Alta resistência ao risco Excelente balanço rigidez / impacto Componente estrutural Sistema reciclável Nova geração de veículos de baixo peso Reduzindo o peso do veículo em 30% leva à redução da emissão de CO2 em 20%, o grande responsável pelo aquecimento glogal. O MERCADO AUTOMOTIVO A CADEIA DE VALORES DA INDÚSTRIA DE PLÁSTICOS RAW MATERIALS COMPOUNDERS PROCESSORS END-USERS Additive suppliers Concentrates Extrusion Automotive Resin suppliers Independent compounders Blow molders Construction Fillers/ reinforcements suppliers Integrated resin/ compounds suppliers Injection molders Electric/electronic Other processors Film/sheet Packaging Others TALCOS ULTRAFINOS MAGNESITA micronizador TALMAG GM-10 nanomill TALMAG GM-7 TALMAG GM-5 PICO AREA ESD (escala logarítimica) Tecnologia de ultra-micronização Princípio de funcionamento: Spiral jet mill -As válvulas de saída do ar comprimido têm determinado ângulo e, por isso, predominam as forças cisalhantes e que propiciam melhor delaminação (maior aspect ratio). O material é levado à zona de classificação (rotor de alta velocidade) onde o material fino é separado e o grosso retorna paraa moagem ou é rejeitado. Tecnologia de ultra-micronização: desempenho 40 % Talc in PP(homo) 4000 Modulus [N/mm2] 3875 3750 3625 3500 Magnesita‘s technology Other technologies ~ 22% 3375 Feed 3250 3125 3000 1 2 3 4 5 6 7 8 910 Top Cut [µm] – D98 20 30 40 50 Maximizar aspect ratio PROBLEMA ASSOCIADO AOS TALCOS ULTRAFINOS • talcos ultrafinos têm densidade aparente solta situada na faixa 100 - 200 kg/m3, significando uma grande quantidade de ar “aprisionada” no produto Ar contido(%) = 1 – densidade aparente solta x 100 densidade absoluta Mineral Densidade Tamanho de partículas Densidade Teor de ar Morfologia Aspect ratio absoluta (microns) solta (g/cm3) (%) (g/cm3) D50 D98 Carbonato de cálcio moído precipitado granular acicular baixo médio 2,7 2,7 5 2 20 7 0,58 0,53 78,5 80,4 Talco lamelar médio 2,8 1,3 0,8 12 6 0,15 0,1 94,6 96,4 Mica lamelar alto 2,8 15 44 0,26 90,7 Wolastonita acicular alto alto 2,9 24 8 140 30 0,4 0,2 86,2 93,1 Fonte: Hawley, G. Compaction of fillers, flame ratardants and other additives to improve flowability and accelarate compounding rate. PROBLEMA ASSOCIADO AOS TALCOS ULTRAFINOS A baixa finura e a conseqüente presença de ar gera alguns problemas: • durante o transporte, uma massa menor é acondicionada em cada carregamento/caminhão; • no consumidor final, uma área maior é necessária para estocagem; • o manuseio dos bags gera grande quantidade de pó; • os big-bags não são estáveis e correm o risco de tombar; • redução na taxa de fluxo de calor para o polímero; • a dosagem é dificultada em função do volume de ar preso no talco e, consequentemente, a produtividade da extrusora é drasticamente reduzida SOLUÇÃO: COMPACTAÇÃO a compactação é apresentada como uma possível solução 200 kg/m3 compactação 900 kg/m3 Talcos compactados - vantagens • possibilitam economia/otimização no frete e no espaço necessário para estocagem • eliminam os problemas de alimentação nas extrusoras, sem prejudicar a dispersão: - permitem a incorporação de altas concentrações de talco e aumento de produtividade da extrusora - possibilitam uma dosagem mais exata e constante - reduzem os riscos de inlcusão de ar na resina - dispersão do talco é facilitada o que melhora a resistência ao impacto - melhoram o fluxo de calor para o polímero • eliminam/reduzem a geração de pó Importância do talco peletizado: aumento significativo de produtividade +300% +240% Tecnologia de peletização Outros usos do talco polimento de cereais (arroz) tintas cerâmica borracha balas & chicletes sabões tratamento de água papel e celulose CURIOSIDADES... EXEMPLO PRÁTICO 2 - NANOCLAY - Definição • Nanoclays são argilominerais do grupo dos Filosilicatos que naturalmente possuem uma de suas dimensões na escala nanométrica (espessura); • O mineral mais estudado no mundo é a montmorillonita (mmt) que é uma argila do grupo das Esmectitas. A mmt é um dos principais constituintes da bentonita. Estrutura cristalina da montmorillonita 9.6Å ≈ 1 nm (10-9m) Plano basal carregado com cargas negativas Tetraedro-T Octaedro-O Tetraedro-T Interlayer region Processo de produção centrifugues raw clay stock slurrying $ sand tanks for organic components reaction tanks product silos $$$$$ milling drying filter press Mecanismo de tratamento superficial: química do surfactante surfactante (heteropolar) NH3+ Cabeça polar Cadeia de carbonos hidrofóbica Menos hidrofóbico C6 – C18 Mais hidrofóbico Mecanismo de tratamento superficial surfactante Argila hidrofílica Argila hidrofobizada Na+ MUITO MAIS COMPATÍVEL COM POLÍMEROS APOLARES Engenharia da química da superfície HT Determinação da morfologia dos nanocompósitos X-RAY TEM intercalated Dubois, P. et al. Materials Science and Engineering, 28, 2000, 1-63. exfoliated Propriedades de nanocompositos de nylon-6 Propriedades Nanocomposite (5%wt. argila) Nylon-6 Módulo de tensão (GPa) 2.1 (+91%) 1.1 Resistência a tração (MPa) 107 (+55%) 69 HDT (oC) 145 (+223%) 65 Resistência ao impacto (kJ/m2) 2.8 (+22%) 2.3 Absorção de água (%) 0.51 (-41%) 0.87 6.3x10-5 (-52%) 13x10-5 CTE (expansão térmica) Uso nanoclay em filmes CO2 d Caminho para uma molécula de gás: d’ clay matrix O2 L W d’ = d + d.L.V f/2.W d: espessura do filme L: diâmetro da lamela W: espessura da lamela Vf: fração volumétrica da argila Tortuosity factor τ = d’/d ’ = 1 + L.V f/2.W Nielsen, L. E. J. Macromol. Sci. (Chem.), A1(5), 1967, 929-942. Uso nanoclay como anti-chama Without nanoclay 5% nanoclay GRAU DE COMPLEXIDADE E DE DIVERSIDADE DOS MINERAIS INDUSTRIAIS PROPRIEDADES FÍSICAS E QUÍMICAS IMPUREZAS E MINERAIS ASSOCIADOS VOLUMES DE PRODUÇÃO COMPETITIVIDADE MINERAIS IDUSTRIAIS MULTI-MARCAS E GRADES PREÇOS MULTI-USOS TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO ESPECIFICAÇÕES ORIGEM E MODO DE OCORRÊNCIA PERFIL DA DEMANDA DISTÂNCIA DO MERCADO Referência recomendada. A Tecnologia como chave de sucesso no negócio. Ciminelli R., Brasil Mineral, no 204, 2002. Comentários finais • Minerais industriais têm muito espaço para crescer no Brasil/América Latina • Mercados mais exigentes novas soluções e novos produtos são demandados. Oportunidades agregar valor • Mercado bastante dinâmico e diverso. Não há rotina • Processo de aprendizado contínuo. Buscar conhecimento todo o tempo • Há uma mina de opotunidades para aqueles que já trabalham ou vão ainda trabalhar com os MI. AGRADECIMENTOS • Magnesita S.A. • Todos presentes MINERAIS INDUSTRIAIS - UMA MINA DE OPORTUNIDADES Emílio Lobato EXPOSIBRAM 2007 AGREGAÇÃO DE VALOR PELA MODIFICAÇÃO DA ESRUTURA CRISTALINA A calcinação do caulim eleva a brancura, o poder de cobertura como extensor de TiO2 e a resistência elétrica em ambiente úmido. O tratamento térmico modifica a reatividade e a polaridade das superfícies de alguns minerais. A calcinação de argila é usada para a formação de mulita para refratários e cerâmica. Usinas satélites de fábricas de papel produzem CaCO3 a partir dos subprodutos CaO e CO2. A dopagem é usada para o aumento da velocidade de sinterização e da densidade do produto. Fonte: Ciminelli, FCO, 1996. AGREGAÇÃO DE VALOR PELA MODIFICAÇÃO DA MORFOLOGIA Fibras de basalto fundido para isolamento térmico e acústico e reforço mecânico de compósitos. Através da moagem. Ex.: (i) Mica com alta razão de aspecto; (ii) Carbonato de Cálcio moído a seco ou a úmido; (iii) Talcos de gênese distinta. Morfologia diferenciada através do controle da precipitação. Grafita granular vs. “flake”. Grau de abrasividade determinada pela morfologia. Controle e garantia da Razão de Aspecto da Mica, do Talco e da Wollastonita. Fonte: Ciminelli, FCO, 1996. AGREGAÇÃO DE VALOR PELA MODIFICAÇÃO DA FINURA Redução do “top-cut” das cargas e reforços minerais para o aumento da resistência ao impacto do plástico carregado. Micronização e classificação de cargas minerais abaixo de 5 micra para o aumento do brilho da superfície de polímeros. Ajuste da distribuição granulométrica da areia para um “grading” ótimo para concreto. Redução de finos para a diminuição da absorção da resina em tintas. Granulação de minerais para o aumento da palatabilidade para o gado. Pelotização para facilidade de manuseio (ex. caulim para papel). Fonte: Ciminelli, FCO, 1996. Check-list das propriedades primárias que afetam o desempenho industrial (fatores de funcionalidade) • • PERFORMANCE DESEJADA PELO MERCADO MARKETING DE DESEMPENHO • • • • • • • Estrutura cristalina Química da superfície – polaridade/compatibilidade com o meio – Carga de superfície – Capacidade de troca iônica – Capacidade de adsorção Textura e outros parâmetros – Morfologia das partículas – Tamanho dos cristais – Rugosidade – porosidade Pureza – Micro-impurezas da rede – Micro-impurezas livres – Minerais acessórios principais Área superficial específica Grau de aglomeração Brancura/cor Comportamento reológico Outras propriedades específicas de cada aplicação Agregação de valor pela modificação das propriedades minerais A caracterização completa das propriedades de um mineral industrial é um instrumento fundamental para: • (i) a previsão de seu desempenho no processamento e na aplicação industrial • (ii) para a identificação de propriedades a serem modificadas e agregação de valor e • (iii) para a identificação das tecnologias a serem utilizadas. Exfoliated nanocomposite nanoclay platelet polystyrene chains Dr. Giannelis research group. Cornell University SISTEMA DE SECAGEM A etapa de secagem dos pellets representa um estágio crítico para obtenção de pellets porosos e que irão dispersar prontamente dentro da extrusora. MELHOR DISPERSÃO, MELHORES PROPRIEDADES Futura planta de moagem ultrafina de talco Redução consumo de energia em até 30% Maior eficiência de moagem devido ao circuito fechado de moagem-classificação Fácil ajuste da granulometria pela regulagem da velocidade do rotor Final Product-Silo Switchboard Válvula para ejeção de produtos grosseiros Feed - Bin Roots Blower Compressor PMT-Spiral Jetmill