廢鋼殘余元素增加影響評估——第1部分：歷史回顧
    鋼鐵是當今世界使用最為廣泛的材料，它具有很高的強度和較低的制造成本，全球每年可循環利用6.3億噸鋼鐵材料，能夠一次又一次不斷循環利用是鋼鐵材料獨特性能之一。然而，由于它是循環回收使用，廢鋼中的殘余元素含量不斷上升，往往造成廢鋼降級使用。在一定程度上說，循環廢鋼使用不夠經濟，需要更大的精力來控制廢鋼中的殘余元素。本文定量描述、跟蹤和控制廢鋼中的殘余元素，以便廢鋼循環使用能夠長期持續進行。
    鋼鐵是建筑、基礎設施、汽車、機械、船舶和家電的主要構成材料，鋼鐵的一個獨特的性能是它可以反復回收循環利用，而又不犧牲其鋼鐵產品的優良的性能。
    廢鋼的回收利用節省了原材料、能源和填埋土地。鋼鐵工業每年回收數億萬噸的鋼鐵罐類容器、汽車、家電、建筑材料和其他鋼鐵產品，報廢部件的廢鋼的主要來源為汽車。使用廢鋼冶煉比從鐵礦石中生產鋼鐵產品消耗的能源要少得多。冶煉消耗廢鋼減少了垃圾填埋處理設施的負擔，防止了廢鋼積累對環境的污染。
    每回收1噸廢鋼可減少1.5噸二氧化碳排放，減少使用1.4噸鐵礦石和740千克煤，1噸廢鋼生產出來的鋼鐵產品所消耗的能量僅僅約為長流程消耗能量的三分之一。據估計，目前回收超過85%的鋼鐵產品達到其使用壽命的終點。當今每年回收大約6.3億噸廢鋼進行冶煉(每年減少9.45億噸二氧化碳)，這比所有其他材料回收總量加起來還要多，使得廢鋼成為意想不到的回收利用的冠軍。我們可以回收更多的鋼鐵產品，但鋼材的使用壽命較長，制造的產品中通常會可以使用很多年，所以我們必須等到它們達到使用壽命后，才能回收利用，重新冶煉制造新的產品。
    通過長流程(焦爐-高爐-氧氣轉爐(BOF))生產的鋼材，主要使用的鐵質原材料是鐵礦石，但也可以在轉爐中消耗約30%的廢鋼，電弧爐(EAF)工藝可以使用100%廢鋼，但在許多鋼廠生產中，使用了生鐵和直接還原鐵(DRI)/熱壓鐵塊(HBI)，用來生產高品質的鋼鐵產品。

    不同用途鋼種的化學成分差別很大，有些元素不能從鋼中去除，因此當廢鋼循環利用時就會不斷積累，這些元素包括銅、鎳、鉬和錫，在某些情況下，鉻也是一種殘余元素，如果碳含量低于0.3 wt.%，鉻就可以在冶煉中去除。圖1給出國際鋼鐵協會(IIMA)顯示各種鋼鐵產品的典型化學成分要求，可以看出，可接受的殘余元素是隨鋼材的最終用途有相當大的差異，從圖中還可以看出，不同等級的廢鋼其殘余元素含量差別很大。

    隨著時間的推移，循環使用中的廢鋼殘余元素含量將會增加，即使來源于拆卸的汽車的剪切料，它也含有0.5 wt.%的殘余元素。今天使用在露天環境下的汽車薄板成分要求小于0.1 wt.%的殘余元素，這就是一對矛盾了。日本的一項研究(Nakamura)表明，只有大約7-8%的汽車廢鋼重新用于制造汽車，而北美和歐洲的研究表明，他們的比例高達20-25%。顯然無論如何回收的廢鋼，往往會被降級使用，用于生產較低質量的產品。美國鋼鐵協會(AISI)的分析表明，汽車上的鋼鐵材料回收利用率達99%，因此，汽車廢鋼剪切料可以用于生產特殊鋼棒材(SBQ)和普碳鋼棒材產品，而大多數汽車廢鋼是用來生產建筑用鋼材的——建筑和基礎設施用鋼。
    銅是一種殘余元素，通常是廢鋼質量相關的指標，典型的鋼材產品允許銅含量如下：
    (1) 螺紋鋼筋：0.2-0.4 wt.% Cu(最高可達0.8wt.%)。
    (2) 軸承鋼：最大0.3 wt.% Cu。
    (3) 碳鋼線材盤條：最大0.3 wt.% Cu。
    (4) 鋼絲繩線材盤條：最大0.15 wt.% Cu。
    (5) 彈簧鋼線材盤條：最大0.2 wt.% Cu。
    (6) 工具鋼：最大0.25 wt.% Cu。
    (7) 結構鋼：0.2-0.5 wt.% Cu；平均0.2 - -0.3wt. %。
    (8) 鋼板(A36)：0.2 wt.% Cu。
    (9) 管材：:0.08-0.20 wt.% Cu。
    (10) 薄板：0.04-0.10 wt.% Cu。
    廢鋼分為兩大類：加工形成的廢鋼和報廢廢鋼。加工形成的廢鋼是指在生產過程中產生的加工余料，形成的廢鋼是干凈的，化學成分固定可查。相比之下，廢棄部件材料廢鋼是到期報廢的部件，它是一種不知道使用時間的材料，在產品的使用壽命結束時回收利用，例如從報廢汽車剪切料得到的廢鋼，從拆除建筑物和使用報廢的家用電器中回收廢鋼。
    廢鋼占冶煉鋼包中鋼水成本的60 - 75%，鋼鐵循環協會(ISRI)定義的廢鋼規格主要是基于目視分析，幾乎沒有廢鋼成分參數，發現不了無用的材料。一些廢鋼規格可以追溯到平爐煉鋼的時代，廢鋼成分變化很大。但是加工過程形成的廢鋼和鐵礦石原料形成的含鐵材料(OBM)具有很好一致的化學成分，煉鋼冶煉可以規范連續操作生產高質量產品。
    隨著廢鋼不斷循環利用，廢鋼中的殘余元素含量水平持續上升，最終達到了由于殘余元素含量過高而不能使用的程度。
    當試圖預測未來廢鋼的產生和回收，以及廢鋼的殘余元素含量水平時，對廢鋼質量造成重大影響的幾個因素必須加以考慮：
    (1) 生命周期：因地理區域不同而有很大差異，也受文化影響。
    (2) 分揀：當銅價較高時，廢料加工過程會加大回收銅的力度，廢料質量也會提高。
    (3) 鋼種對殘余元素要求：鋼種的要求并非一成不變，而是不斷改變的。
    (4) 為了利用一些不良廢料，有些廢鋼供應商將它們與更清潔的廢料混合。現在剪切料里面包含了2號重型廢鋼、鋼筋、棒材廢鋼、汽車和白色家電。
    (5) 產品部件構成的變化，如汽車用鋼量的變化或汽車用銅量的變化。
    (6) 廢料目視分類：通常經紀人會指定一個最大平均銅含量，但是低含銅量廢鋼通常并不挑選出來，而是與高含銅量廢鋼混合在一起，從肉眼看都是相似的，除非有必要挑選低銅含量廢鋼，因為這種廢鋼價值更大。
歷史的研究
    20世紀80年代的日本開始對廢鋼殘余元素含量上升進行評估，最近這一領域的大部分工作都集中在日本和中國。在歐洲進行的研究數量有限，在北美進行的分析更少。這就表明，在大多數發達國家，廢鋼供應似乎是理所當然的，沒有過多地考慮廢鋼質量，也許這是因為在高度發達的經濟體中，有如此巨大的鋼鐵儲量，廢鋼供應充足。然而，對這些高度發達的經濟體的回顧表明，除了美國之外，其他國家都是以長流程生產為主，廢鋼殘余元素含量水平上升問題不用擔心，因為轉爐吃廢鋼比例低于30%，即使廢鋼殘余元素水平較高，但是轉爐冶煉中得到稀釋，可以生產殘余元素很低的鋼材。在在電爐鋼產量很低的地區，廢鋼中的殘余元素含量水平也應該相對較低，因為鋼鐵產品主要是用鐵礦石來生產的。
    然而，值得注意的是，美國并沒有進行更多有關廢鋼的研究，2017年，美國近70%的鋼鐵是電弧爐生產的，這可能就是為什么美國鋼鐵工業比世界其他地區使用更多的廢鋼的原因，美國鋼鐵廠家已經學會了如何最好地利用現有的廢鋼。美國鋼廠也積極地在電弧爐中使用生鐵、DRI和HBI，使得生產的鋼鐵產品達到要求的殘余元素含量水平。一些鋼鐵公司，如紐柯公司(他們有兩個DRI設備在運行生產)，已經在為其電弧爐提供穩定的低殘余元素原料方面進行了大量投資。
    歐洲和亞洲進行了一些研究，旨在量化目前工業各部門正在使用的鋼鐵材料的數量和比例(這些是主要潛在的廢鋼來源)。通過這種分析，了解鋼鐵產品部件的生命周期，并估計其能夠回收鋼鐵的百分比。

    鋼鐵材料存量
    對正在使用的鋼鐵存量的詳細了解對于預測未來的廢鋼可用性、確定原料使用關鍵因素和制定資源有效利用戰略是非常重要的。在2013年，Pauliuk等人對美國等200個工業歷史悠久的國家的人均使用鋼鐵量進行了估算，美國、英國和德國人均鋼鐵用量在11至16噸之間，他們的人均用量積累正在放緩或已經停止。最近才實現工業化的國家，如韓國或葡萄牙，其人均鋼鐵用量在6至10噸之間，并且正在迅速增加。有些國家，人均使用的鋼鐵量已經飽和或接近飽和。Pauliuk等人的定義人均使用鋼鐵量飽和數值為13±2噸，其中建筑用鋼10±2噸，機械用鋼1.3±0.5噸，運輸用鋼1.5±0.7噸，家電和容器用鋼0.6±0.2噸。人均用鋼時間序列數據和飽和水平可以用來估計未來的鋼鐵產量和廢鋼供應情況。
    不同地理區域的內的鋼鐵存量差異很大，這將對地區的廢鋼冶煉利用產生重大影響，因為廢鋼的運輸成本將成為廢鋼成本的一個重要因素。在過去的5年里，在芝加哥地區出現了廢鋼價格的倒掛現象，在那里整理好的廢鋼以低于碎廢料的價格出售。這是由于需求減少(由于當地市場的生產水平較低)和將廢鋼運到需要的地方的運輸成本增加。

    雖然北美、歐洲和獨聯體的鋼鐵存量似乎已趨于穩定或緩慢增長，但由于中國的城市化進程，亞洲的增長相當迅速，印度的城市化程度相對較低。到目前為止，最大的用戶是建筑和基礎設施，其次是機械和汽車。當然，最終情況使用也因地理區域而異，這取決于每個區域內經濟的發達程度以及工業化和城市化的水平。
    結論
    從本文中可以看出，世界各地廢鋼的殘余元素含量水平變化較大，廢鋼的可利用性也存在顯著差異。本文的第二部分將進一步討論鋼鐵產品生命周期如何影響殘余元素水平和廢鋼的可用性。雖然由于使用假設的數量參數，很難做出精準的預測，但這些研究有助于理解廢鋼可用性和質量的長期變化。此外，在鋼鐵生產中使用廢鋼冶煉，采用各種方法來控制鋼中殘余元素，將進行回顧和討論。