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

âmic

a

Cim

ento

e C

al

Vidr

os

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s

Ótic

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Elet

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ca

Lam

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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