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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
BRUMADO-BA (3ª maior mina de magnesita do mundo)(grandes reservas de talco)
BELO HORIZONTE-MG (headquartes e principais fábricas)
SALVADOR-BA (terminal marítimo)
RAMALLO - AR (planta de refratários)
• Fundação 1940
• Nº Empresas 10
• Nº de Empregados ~ 11 mil
• Receita Bruta (2006) R$ 1,2 Bi
Mina Pedra Preta – Magnesita (MgCO3)Fornos de calcinação e sinterização- magnésia cáustica- briquetes (MgO)
Terminal Marítimo de Aratu
MAGNESITA - BAHIA
Usina de beneficiamento de talco
MAGNESITA – BAHIA
Risa - refratários isolantes Rasa – Argentina
Cerâmica São Caetano - refratáriosanti-ácidos, isolantes e microfibrasSi-amorfa
Ikera - contretos e massas refratárias
GRUPO MAGNESITA
Tijolos e Massas RefratáriasSínterÓxido de MagnésioTalcoArgilasCromitaAgalmatolitoSilexil, etc.
PRINCIPAIS PRODUTOS
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.
• Talco• Vermiculita• Wollastonita• Zeólitas• Zircônio
• 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
• 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
LISTA DE MINERAIS INDUSTRIAIS (não-metálicos)
• Sílicas especiais• Minerais e rochas de
ocorrência regional• Minerias modificados• Resíduos inorgânicos• Rochas ornamentais
e ainda...
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.
Minerais Industriais vs. aplicações
Con
stru
ção
Cer
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s
Filtr
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s
Ótic
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Elet
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ca
Lam
as d
e Pe
rfur
ação
1 - Amianto 2 - Areias Silicosas3 - Argilas: Comum Caulim Bentonita4 - Barita5 - Bauxita, Cianita e correlatos6 - Calcário, Dolomito e Cal7 - Diamante8 - Feldspato e Nefelina Sienito9 - Fluorita10 - Fosfato11 - Grafita12 - Ilmenita, Rutilo e Zirconita13 - Magnesita14 - Rochas Ornamentais15 - Talco e Pirofilita
Legenda: USO IMPORTANTE USO ADICIONAL USO OCASIONAL
Fonte: Moreira, Marcos Donadello, "Aplicações dos Minerais e Rochas Industriais", SBG Núcleo BA-SE, 1994
Os minerais no nosso dia-a-dia
• Ligar a luz - (fios de cobre, filamentos de W, sílica e feldspatoda 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 pararevestimento, 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 maturidadeindustrial quando o valor da produção de não-metálicos superao da produção de metálicos. Isto aconteceu nos EUA no iníciodo século XX, na Espanha no começo dos anos 70 e naAustrália no final dos anos 80.
Fonte: Hill, N. R. Industrial Minerals. Canada, 1993.
Distribuição da produção de não-metálicos
Materiais de construção
Cargase extensores
Fertilizantesequímicos
PAÍSES INDUSTRILIZADOS
Materiais de construção
Cargase extensores
Fertilizantese químicos
PAÍSES EM DESENVOLVIMENTO
Fonte: Hill, N. R. Industrial Minerals. Canada, 1993.
Distribuição da produção mineral brasileira - 2000
Construção civil56%
CargasExtensoresQuímicos
Fertilizantes44%
Energéticos63%
Não-metálicos16%
Metálicos20%
Gemas e diamantes1%
Energéticos: carvão, petróleo, gás naturalMetálicos: bauxita, Pb, Cu, Cr, Sn, Fe, Li, Mn, Nb, Ni, Au, Ag, Ti, ZnNão-metálicos: 50 minerais são listadosConstrução civil: areia e cascalho, brita, calcário, argilas
Fonte: DNPM. O Universo da Mineração Brasileira, 2000.
Classificação das minas de minerais industriais do Brasil - 2000
34 89
372448
1246 1325
1654
1862
0
200
400
600
800
1.000
1.200
1.400
1.600
1.800
2.000
A-B C-D-E-F G-H-I TOTAL
Total M.I.Total geral
208 metálicos
Fonte: DNPM. O Universo da Mineração Brasileira, 2000.
> 1.000.000 t 100.000 –1.000.000 t
10.000 –100.000 t
ROM(t/ano)
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 aumentoda 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.
• modificação da estrutura cristalina• modificação da morfologia• modificação da finura
E ainda…
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.
3 MgCO3 + 4 SiO2 + H2O → 3 MgO.4SiO2.H2O+ 3 CO2(magnesita) (talco)
Reação de talcificação:
Magnesita Magnesita
TalcoTalco
Mina de talcoCabeceirasBrumado/BA
Min
a C
abec
eira
s –
Bru
mad
o/B
A. 2
006.
Fórmula química: [Si4](Mg3)O10(OH)2
a b
c
hydrophobic
hydr
ophi
licESTRUTURA CRISTALINA DO TALCO
ESTRUTURA PROPRIEDADES APLICAÇÕES
LAMELARIDADE
SUAVIDADE(untuosidade)
MOHS = 1
BRANCURA
INÉRCIA QUÍMICA OLEOFOBICIDADE(adesão natural com PP)
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.
• 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 mineraisnão 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) redução do ciclo de moldagem/injeção
VANTAGENS NO USO EM PLÁSTICOS
FUNÇÃO DO TALCO EM COMPÓSITOS
A IMPORTÂNCIA DO TALCO NO POLIPROPILENO
Fonte: HOHENBERGER, W. Kunststoffe plast europe 7/96.
Materiais usados em um carro típico
Fonte: Kline & Company, Inc.
aço alumínio polímeros vidro outros materiais
1.300 kg 1.000 kg
0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%
100%
1998 2008
11,8% 17,4%
Marea - 1.180 kg10,4% materiaispoliméricos60,1 kg de PP
Fonte: Plásticos em Revista,maio 1998.
Evolução do Peso Médio de Compostos PP/Autoveículo
0
10
20
30
40
1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003
Pes
o P
eso
Com
pC
omp .
PP
(kg/
auto
).P
P (k
g/au
to)
• Novas aplicações em compostos
• Aumento da densidade dos pára-choques
• Aumento do tamanho das peças
• Consolidação dos carros compactos
Fonte: Fonte: BorealisBorealis
Pára-choque Zero-GapPára-choque “Zero Gap”
Altíssima estabilidade dimensionalAltíssima estabilidade dimensionalRedução do CLTERedução do CLTEBaixa contraçãoBaixa contraçãoAlta resistência ao choque, mesmo a baixas temperaturasAlta resistência ao choque, mesmo a baixas temperaturasAumento de tamanho da peça Aumento de tamanho da peça Integração perfeita com a carroceriaIntegração perfeita com a carroceria
Painéis de instrumentos
Painéis de Instrumentos Alto custo benefício Redução de peso da peçasAlta resistência ao riscoExcelente balanço rigidez / impactoComponente estruturalSistema reciclável
Nova geração de veículos de baixo peso
Reduzindo o peso do veículo em 30% leva à redução da emissãode CO2 em 20%, o grande responsável pelo aquecimento glogal.
O MERCADO AUTOMOTIVO
A CADEIA DE VALORES DA INDÚSTRIADE PLÁSTICOS
RAW MATERIALS
COMPOUNDERS PROCESSORS END-USERS
Additive suppliers
Fillers/reinforcements
suppliers
Resin suppliers
Concentrates
Integrated resin/compounds
suppliers
Independent compounders
Extrusion
Injection molders
Blow molders
Other processors
Automotive
Electric/electronic
Construction
Film/sheet
Others
Packaging
TALCOS ULTRAFINOS MAGNESITA
micronizadornanomill
PICO AREA
ESD (escala logarítimica)
TALMAG GM-10
TALMAG GM-7
TALMAG GM-5
Tecnologia de ultra-micronização
Princípio de funcionamento: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
1 2 3 4 5 6 7 8 910 20 30 40 503000
3125
3250
3375
3500
3625
3750
3875
4000
40 % Talc in PP(homo)
Mod
ulus
[N/m
m2]
Top Cut [µm] – D98
Magnesita‘stechnologyOther technologiesFeed
~ 22%
Maximizaraspect ratio
PROBLEMA ASSOCIADO AOS TALCOS ULTRAFINOS
• talcos ultrafinos têm densidade aparente solta situada na faixa100 - 200 kg/m3, significando uma grande quantidade de ar “aprisionada”no produto
Ar contido(%) = 1 – densidade aparente solta x 100 densidade absoluta
Mineral Morfologia Aspect ratioDensidade absoluta (g/cm3)
Densidade solta (g/cm3)
Teor de ar (%)
D50 D98Carbonato de cálciomoído granular baixo 2,7 5 20 0,58 78,5precipitado acicular médio 2,7 2 7 0,53 80,4
Talco lamelar médio 2,8 1,3 12 0,15 94,60,8 6 0,1 96,4
Mica lamelar alto 2,8 15 44 0,26 90,7
Wolastonita acicular alto 2,9 24 140 0,4 86,2alto 8 30 0,2 93,1
Tamanho de partículas (microns)
Fonte: Hawley, G. Compaction of fillers, flame ratardants and other additives to improve flowability and accelaratecompounding rate.
A baixa finura e a conseqüente presença de ar gera alguns problemas:
• durante o transporte, uma massa menor é acondicionada em cadacarregamento/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 drasticamentereduzida
PROBLEMA ASSOCIADO AOS TALCOS ULTRAFINOS
a compactação é apresentada como uma possível solução
200 kg/m3 900 kg/m3compactação
SOLUÇÃO: COMPACTAÇÃO
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
+240%+300%
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 naturalmentepossuem uma de suas dimensões naescala nanométrica (espessura);
• O mineral mais estudado no mundo é a montmorillonita (mmt) que é uma argilado grupo das Esmectitas. A mmt é um dos principais constituintes da bentonita.
Estrutura cristalina da montmorillonita
Tetraedro-T
Octaedro-O
Interlayer region
Tetraedro-T
9.6Å
≈ 1
nm
(10-9
m)
Plano basal carregado com cargas negativas
Processo de produção
dryingmilling
product silos
sand
tanks for organic components
filter press
reaction tanks
slurrying
centrifuguesraw clay stock
$
$$$$$
Mecanismo de tratamento superficial: química do surfactante
NH3+
surfactante (heteropolar)
Cadeia de carbonos hidrofóbica
Cabeça polar
C6 – C18Menos hidrofóbico Mais hidrofóbico
Mecanismo de tratamento superficial
surfactante Argilahidrofílica
Argilahidrofobizada
Na+
MUITO MAIS COMPATÍVEL COM POLÍMEROS APOLARES
Engenharia da química da superfície
HTHT
Determinação da morfologia dos nanocompósitos
X-RAY
TEMintercalated
exfoliated
Dubois, P. et al. Materials Science and Engineering, 28, 2000, 1-63.
Propriedades de nanocompositosde nylon-6
13x10-56.3x10-5 (-52%)CTE (expansão térmica)
0.870.51 (-41%)Absorção de água (%)
2.32.8 (+22%)Resistência ao impacto(kJ/m2)
65145 (+223%)HDT (oC)
69107 (+55%)Resistência a tração(MPa)
1.12.1 (+91%)Módulo de tensão (GPa)
Nylon-6Nanocomposite (5%wt. argila)
Propriedades
Uso nanoclay em filmes
clay
matrix
Nielsen, L. E. J. Macromol. Sci. (Chem.), A1(5), 1967, 929-942.
d d’ WLd d’ WLd d’ WL
Caminho para uma molécula de gás:
d’ = d + d.L.Vf/2.Wd: espessura do filmeL: diâmetro da lamelaW: espessura da lamelaVf: fração volumétrica da argila
Tortuosity factor
τ = d’/d= 1 + L.Vf/2.W
f/2.W
’f
CO2
O2
Uso nanoclay como anti-chama
Without nanoclay 5% nanoclay
Referência recomendada. A Tecnologia como chave de sucesso no negócio. Ciminelli R., Brasil Mineral, no 204, 2002.
GRAU DE COMPLEXIDADE E DE DIVERSIDADE DOS MINERAIS INDUSTRIAIS
MINERAIS IDUSTRIAISCOMPETITIVIDADE
IMPUREZAS E MINERAISASSOCIADOS
ESPECIFICAÇÕESORIGEM E MODO DE
OCORRÊNCIA
VOLUMES DE PRODUÇÃO
PREÇOS
TÉCNICAS DE EXTRAÇÃO
MULTI-MARCAS E GRADES
PERFIL DA DEMANDA
PROPRIEDADES FÍSICAS EQUÍMICAS
MULTI-USOS
DISTÂNCIA DOMERCADO
Comentários finais
• Minerais industriais têm muito espaço para crescerno Brasil/América Latina
• Mercados mais exigentes novas soluções e novosprodutos são demandados. Oportunidades agregarvalor
• 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 eda 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)• 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
PERFORMANCEDESEJADA PELO
MERCADO
MARKETINGDE
DESEMPENHO
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 SECAGEMA 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
CompressorCompressor
Feed Feed -- BinBin
PMTPMT--Spiral JetSpiral Jetmmillill
Roots BlowerRoots Blower
SSwitchboardwitchboard
FFinal Productinal Product--SiloSilo
Redução consumo de energia em até 30%
Maior eficiência de moagem devido ao circuitofechado de moagem-classificação
Fácil ajuste da granulometria pela regulagem da velocidade do rotor
Válvula para ejeção de produtos grosseiros
Futura planta de moagem ultrafina de talco
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