Nº A cadeia produtiva de terras raras para produção de imãs e a obtenção de didímio metálico no IPT.

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1 COMUNICAÇÃO TÉCNICA Nº A cadeia produtiva de terras raras para produção de imãs e a obtenção de didímio metálico no IPT João Batista Ferreira Neto. Palestra apresentada no Workshop promovido pela Pró-Reitoria de Pesquisa da USP, jul., 2016 A série Comunicação Técnica compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT Av. Prof. Almeida Prado, 532 Cidade Universitária ou Caixa Postal 0141 CEP São Paulo SP Brasil CEP Tel /4000 Fax

2 A cadeia produtiva de terras raras para produção de imãs e a obtenção de didímio metálico no IPT

3 Demanda mundial Ligas metálicas exceto baterias; 9,6 (La: 2,5; Ce: 5; Pr: 0,5; Nd: 1,6) Fósforos; 9,5 (Y: 6,6; La: 0,8; Ce: 1) Outros; 6,8 Pós para polimento; 19 (La:6; Ce:12,4, Pr: 0,7) 137 mil t em mil em 2013 aditivos para vidros; 8,2 (Y: 0,2; La: 2; Ce:5,4; Pr: 0,1; Nd:0,2) Baterias; 14,9 (La: 7,5; Ce: 5; Pr: 0,5; Nd: 1,5; Sm: 0,5) cerâmicas; 13,6 (Y:7,2;La:2,3;Ce:1,6;Pr:0,8;Nd :1,6) catalisadores FCC; 19 (La: 17,1; Ce:1,9) Imãs permanentes; 26,8 (Pr:5,9; Nd: 18,8; Gd:0,5; Tb:0,1; Dy:1,5) Catalisadores automotivos; 9,5 (La: 0,5; Ce:8,6; Pr: 0,2; Nd:0,3) 2011 Brasil ~1% da demanda mundial: ~1.200 t (maior parte para FCC) US$ 2 a 3 bilhões em TR

4 Terras Raras: Aplicações Usos mais comuns e históricos Catalisadores (FCC e automotivos), vidros, metalurgia e fósforos Usos de alta tecnologia (principalmente na geração alternativa de energia) Baterias de carros híbridos, imãs para motores elétricos, turbinas eólicas, drives de discos rígidos

5 Mercado: Histórico Início da produção: t/ano 1960 China Possuía 75% das reservas de terras raras conhecidas 1970 Produção China > Produção USA: Início exportações chinesas de TRO e metais (reduziu exportação concentrado) Molycorp seguia produzindo TRO a partir dos estoques de sua mina 1990 China China exporta produtos acabados contendo TR: motores elétricos, PC s, bateriais, LCDs, telefones celulares, dispositivos móveis Molycorp: Supria ~ 50% da demanda (até 1984) Mountain Pass/Califórnia, (reservas 30 milhões de t - depósito de Bastanaesita) China Começa a exportar concentrado de terras raras China Já exportava produtos de maior valor agregado: imas, fósforos e materiais para polimento Molycorp: mina de Mountain Pass paralisada totalmente (custos não competitivos com China)

6 Mercado: Histórico 20% TR produzidas em 2011 vieram de garimpos ilegais na China. Mercado negro de lantanídeos pesados e Ítrio vindo de depósitos de Xenotímio e argilas lateríticas do sul da China. Estimado em a t em 2007, teria sido reduzido para a t em 2010 com politicas internas do governo (problema continua) China: Crescimento mercado interno: adota tarifas e cotas de exportação (especialmente TR pesadas). Argumento: passivo ambiental da mineração ilegal China anuncia 35% de redução nas cotas de exportação (preços explodem) Lynas (Australia) abre mina de Mount weld ( capac: t/ano). Investimento US$ 800 milhões na mina (Monazita) e US$230 milhões na planta de separação (Malásia) Molycorp anuncia retomada de produção objetivando t. Parceria Japão- Vietnam permitiria produzir t/ano. 60 novos depósitos em 16 países estariam em desenvolvimento Ago/14 - OMC jula não conformidade da imposição de tarifas e cotas de exportação de TR pela China Produção t TRO (apenas t fora da China. China % dos metais de terras raras são produzidos na china. Alta dos preços: Iniciativas de várias projetos 2014 Preços caem: decréscimo de demanda e elevado estoque acumulado. Dificuldades para novos projetos. Aumento consumo imãs, decréscimo fósforos (LED requer menos TR que fluorescente). Esforços para substituir TR (redução consumo) 2015 China elimina barreiras: cotas e tarifas de exportação (ajuda a manter preços baixos). Ago/15: Operação da Molycorp na Califórnia não resiste e suspende operação, após dívida de 1,7 bilhão (operações na China e Estônia continuam produzindo). Lynas: Venda de produto a preço de custo Únicas minas fora da china : Depósito na Índia e o depósito de bastanaesita na mina de Dong Pao Vietnam (pertecente a várias companhias asiáticas ) Ambas produzem t de REO, das t produzidas fora da China em 2010

7 Global distribution of rare earth deposits. (Source: Kaiser Research Rare Earth Resource Centre)

8 World Reserves of RE Fonte: U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2015 RE Oxide basis

9 Predomínio de fosfato, com 3,2% Ce e 2,5% La (tem reservas indígenas no entorno) reserva biológica e indígena Xenotímio (1% de TR, principalmente Y) Mineração Taboca Grupo Minsur No rejeito mineração de Nb da CBMM - quantidades importantes de TR (Potencial p/ até 90 mil t/ano) TR nos rejeitos da extração do Nb Mineral % Bariopyrochlore 4 Limonite, goethite 36 Barite 20 Magnetite 16 Gorceixite 6 Monazite 4 Ilmenite 5 Quartz 4 Others 5 Total 100 Mineração Serra Verde (Grupo Mining Ventures Brazil): Projeto em Minaçu-GO plano produzir conc. TR em 2017 (previsão: 5 mil t/ano TRO separados)

10 Aplicações: Instalação anual (GW) Imãs permanentes (37% mercado em valor): Geradores de turbinas eólicas, veículos elétricos e híbridos, drives de disco rígido, amplificadores de áudio, motores industriais, ressonância magnética por imagem, dispositivos eletrônicos (celulares, tablets, etc) Geradores de turbinas eólicas Consumo de 0,6 a 1 t imã NdFeB (180 a 300 kg Nd/MW eólico e cerca de kg de Dy por MW Projeção crescimento moderado (base 2013) : 35,5 GW a t Nd 2020: 65,8 GW a t Nd Fonte: Global Wind Energy Concil Potencial de consumo no Brasil: Operação: 3,1 GW Construção: 3,3 GW Outorgados: 5,3 GW Construção + outorgados: potencial de até t Nd

11 Imã de NdFeB É um intermetálico (Nd,Pr) 2 Fe 14 B (26,7%Nd/Pr; 72,2%Fe; 1,0%B) que pode conter Dy e Tb (preserva propriedades magnéticas em altas T)

12 Aplicações: Carros elétricos e Híbridos Cerca de 0,5 kg a 1 kg Nd/veículo Toyota Prius usa ~1 kg de Nd no seus imãs Outras aplicações: bicicletas elétricas, scooters, transporte publico coletivo, etc..

13 Rota de produção dos imãs Nd,Pr-Fe-B Minério Concentrado Óxido Metal (Nd,Pr) Liga Pó Sinterizado/imã

14 Produção dos imãs Nd,Pr-Fe-B Minério Concentrado Óxido Metal (Nd,Pr) Liga Pó CBMM Projeto IPT em andamento CBMM/Embrapii (2 anos) Domínio (Universidades /Institutos) Sinterizado/imã

15 Tecnologias para Redução do Nd 2 O 3 Metalotérmica - Produção de lingotes em batelada - Consumo de material redutor - Redutores de alta reatividade - Atmosfera controlada Eletrólise em sais fundidos - Possibilidade de produção contínua - Consumo de energia elétrica - Ânodos consumíveis (geração CO 2 e CO 2 equiv) - Sal reciclável

16 Rotas investigadas Voltametria Cíclica Eletrólise Redução Metalotérmica

17 Reatores

18 Produção dos imãs Nd,Pr-Fe-B Minério Concentrado Óxido Metal (Nd,Pr) Liga Pó CBMM Projeto IPT em andamento Embrapii/CBMM (2 anos) Conhecimento (Universidades /Institutos) Sinterizado/imã Nd e (Nd,Pr) > 99%

19 Óxido Nd,Pr Obtenção do metal (Nd,Pr) Elaboração liga NdFeB em FIV seguido de Strip Casting Hidretação Moagem em Jet Mill Pó de NdFeB Orientação Compactação Sinterização Tratamento térmico Revestimento contra corrosão

20 Fusão em FIV Principais desafios: Solidificação rápida Strip casting (obtenção de pós para imãs sinterizados isotrópicos) Reatividade do Nd com oxigênio Reatividade do Nd com refratário do forno Perda de Nd por vaporização Principais desafios: Evitar precipitação fase Fe(α): Fe(α) não magnética Grãos colunares de espessura reduzida FIV com dispositivo de solidificação direcional do IPT (capacidade: 2-3 kg) Matérias Primas: Fe de alta pureza Fe-B ou B Nd Fase rica em Nd em contorno de grão (η) (favorece a etapa de hidretação e propriedades magnéticas) Moagem - Jet Mill Principais desafios: Partículas entre 2-3 µm e distribuição uniforme Reduzido teor de O 2 (< 1000 ppm)

21 Óxido Nd,Pr CBMM Redução scale up IPT para Nd,Pr Próximas etapas: escopo do desenvolvimento Elaboração liga Nd-Fe-B em FIV IPT seguido de Strip Casting Hidretação Moagem em Jet Mill (IPT) Pó de NdFeB IPT Interesse de possível Produtor de imãs Orientação Compactação Parceria UFSC IPT Sinterização Tratamento térmico Revestimento contra corrosão Aplicação Interesse de possível usuário final

22 OUTRAS INICIATIVAS INCT IMÃS de TR) Laboratório Fábrica

23 - China reduziu preços não houve interesse de outros países (inclusive do Brasil). O quadro se repete em 2014/2015. Vamos repetir o erro do passado? Oportunidades para o Brasil - Como no resto do mundo ausência de produtores na cadeia de fornecimento para converter minério e óxidos de terras raras em produtos (imãs, baterias, fósforos, catalizadores, etc) para suprir produtos finais: Computadores, motores elétricos, geradores eólicos, telefones celulares, lambadas fluorescentes (CFL), LCDs e baterias. - Há pouca massa crítica no mundo fora da china na produção dos metais de terras raras. Necessita tecnologia para tratar com os radionuclídeos. - Necessidade de criar politicas de formação de pessoal e capacitação. Existem grupos que tem trabalhos importantes na cadeia de produção como CETEM, IPT, UFSC, IPEN, etc. Precisamos ampliar para sermos competitivos. - Com conhecimento criamos condições de enfrentar a volatilidade do mercado. - Existe dificuldade de competir - oportunidade para Brasil se colocar como importante player. Quem tiver vantagens comparativas vai ter oportunidade de se estabelecer. Necessidade de criar a cadeia.

24 Oportunidades para o Brasil O Brasil tem oportunidade de reforçar seu papel estratégico no fornecimento de TRs, matérias-primas e produtos finais das cadeias produtivas. A demanda por energias renováveis continua crescente, onde as TR tem papel importante, tanto no mercado interno quanto para exportação. O principal motor do crescimento futuro das TR deve estar no desenvolvimento de tecnologias limpas e sustentáveis, tais como turbinas eólicas e veículos elétricos e híbridos.

25 Reciclagem das TR Com monopólio da China esforços para substituir/reciclar TR - Crescimento de pedidos de patentes - Imãs podem ser reciclados, mas elevado custo e demanda de energia encarecem processo - Possibilidade de substituição de NiMH por Li-ion - Possibilidade de reciclagem de baterias NiMH (La, Ce, Nd e Pr): Umicore and Rhodia desenvolveram processo para reciclagem das terras raras. - Pesquisas para uso do Ce (produção excedente) na produção de imãs e baterias, pesquisa de uso de Sm em imãs (Toshiba) - Reciclagem fósforos: ricos em Eu, Tb e Y. Tecnologias restritas de reciclagem (apenas lâmpadas grandes). Não há tecnologias para reciclagem de fósforos em LCD e LEDs.

26 Cenários do potencial de reciclagem de Fósforos, imãs e baterias em 2020 (t) 375,000

27 Grato pela Atenção! João Batista Ferreira Neto Laboratório de Processos Metalúrgicos Centro de Tecnologia em Metalurgia e Materiais IPT jbfn@ipt.br

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