废钢残余元素增加影响评估——第1部分：历史回顾
    钢铁是当今世界使用最为广泛的材料，它具有很高的强度和较低的制造成本，全球每年可循环利用6.3亿吨钢铁材料，能够一次又一次不断循环利用是钢铁材料独特性能之一。然而，由于它是循环回收使用，废钢中的残余元素含量不断上升，往往造成废钢降级使用。在一定程度上说，循环废钢使用不够经济，需要更大的精力来控制废钢中的残余元素。本文定量描述、跟踪和控制废钢中的残余元素，以便废钢循环使用能够长期持续进行。
    钢铁是建筑、基础设施、汽车、机械、船舶和家电的主要构成材料，钢铁的一个独特的性能是它可以反复回收循环利用，而又不牺牲其钢铁产品的优良的性能。
    废钢的回收利用节省了原材料、能源和填埋土地。钢铁工业每年回收数亿万吨的钢铁罐类容器、汽车、家电、建筑材料和其他钢铁产品，报废部件的废钢的主要来源为汽车。使用废钢冶炼比从铁矿石中生产钢铁产品消耗的能源要少得多。冶炼消耗废钢减少了垃圾填埋处理设施的负担，防止了废钢积累对环境的污染。
    每回收1吨废钢可减少1.5吨二氧化碳排放，减少使用1.4吨铁矿石和740千克煤，1吨废钢生产出来的钢铁产品所消耗的能量仅仅约为长流程消耗能量的三分之一。据估计，目前回收超过85%的钢铁产品达到其使用寿命的终点。当今每年回收大约6.3亿吨废钢进行冶炼(每年减少9.45亿吨二氧化碳)，这比所有其他材料回收总量加起来还要多，使得废钢成为意想不到的回收利用的冠军。我们可以回收更多的钢铁产品，但钢材的使用寿命较长，制造的产品中通常会可以使用很多年，所以我们必须等到它们达到使用寿命后，才能回收利用，重新冶炼制造新的产品。
    通过长流程(焦炉-高炉-氧气转炉(BOF))生产的钢材，主要使用的铁质原材料是铁矿石，但也可以在转炉中消耗约30%的废钢，电弧炉(EAF)工艺可以使用100%废钢，但在许多钢厂生产中，使用了生铁和直接还原铁(DRI)/热压铁块(HBI)，用来生产高品质的钢铁产品。

    不同用途钢种的化学成分差别很大，有些元素不能从钢中去除，因此当废钢循环利用时就会不断积累，这些元素包括铜、镍、钼和锡，在某些情况下，铬也是一种残余元素，如果碳含量低于0.3 wt.%，铬就可以在冶炼中去除。图1给出国际钢铁协会(IIMA)显示各种钢铁产品的典型化学成分要求，可以看出，可接受的残余元素是随钢材的最终用途有相当大的差异，从图中还可以看出，不同等级的废钢其残余元素含量差别很大。

    随着时间的推移，循环使用中的废钢残余元素含量将会增加，即使来源于拆卸的汽车的剪切料，它也含有0.5 wt.%的残余元素。今天使用在露天环境下的汽车薄板成分要求小于0.1 wt.%的残余元素，这就是一对矛盾了。日本的一项研究(Nakamura)表明，只有大约7-8%的汽车废钢重新用于制造汽车，而北美和欧洲的研究表明，他们的比例高达20-25%。显然无论如何回收的废钢，往往会被降级使用，用于生产较低质量的产品。美国钢铁协会(AISI)的分析表明，汽车上的钢铁材料回收利用率达99%，因此，汽车废钢剪切料可以用于生产特殊钢棒材(SBQ)和普碳钢棒材产品，而大多数汽车废钢是用来生产建筑用钢材的——建筑和基础设施用钢。
    铜是一种残余元素，通常是废钢质量相关的指标，典型的钢材产品允许铜含量如下：
    (1) 螺纹钢筋：0.2-0.4 wt.% Cu(最高可达0.8wt.%)。
    (2) 轴承钢：最大0.3 wt.% Cu。
    (3) 碳钢线材盘条：最大0.3 wt.% Cu。
    (4) 钢丝绳线材盘条：最大0.15 wt.% Cu。
    (5) 弹簧钢线材盘条：最大0.2 wt.% Cu。
    (6) 工具钢：最大0.25 wt.% Cu。
    (7) 结构钢：0.2-0.5 wt.% Cu；平均0.2 - -0.3wt. %。
    (8) 钢板(A36)：0.2 wt.% Cu。
    (9) 管材：:0.08-0.20 wt.% Cu。
    (10) 薄板：0.04-0.10 wt.% Cu。
    废钢分为两大类：加工形成的废钢和报废废钢。加工形成的废钢是指在生产过程中产生的加工余料，形成的废钢是干净的，化学成分固定可查。相比之下，废弃部件材料废钢是到期报废的部件，它是一种不知道使用时间的材料，在产品的使用寿命结束时回收利用，例如从报废汽车剪切料得到的废钢，从拆除建筑物和使用报废的家用电器中回收废钢。
    废钢占冶炼钢包中钢水成本的60 - 75%，钢铁循环协会(ISRI)定义的废钢规格主要是基于目视分析，几乎没有废钢成分参数，发现不了无用的材料。一些废钢规格可以追溯到平炉炼钢的时代，废钢成分变化很大。但是加工过程形成的废钢和铁矿石原料形成的含铁材料(OBM)具有很好一致的化学成分，炼钢冶炼可以规范连续操作生产高质量产品。
    随着废钢不断循环利用，废钢中的残余元素含量水平持续上升，最终达到了由于残余元素含量过高而不能使用的程度。
    当试图预测未来废钢的产生和回收，以及废钢的残余元素含量水平时，对废钢质量造成重大影响的几个因素必须加以考虑：
    (1) 生命周期：因地理区域不同而有很大差异，也受文化影响。
    (2) 分拣：当铜价较高时，废料加工过程会加大回收铜的力度，废料质量也会提高。
    (3) 钢种对残余元素要求：钢种的要求并非一成不变，而是不断改变的。
    (4) 为了利用一些不良废料，有些废钢供应商将它们与更清洁的废料混合。现在剪切料里面包含了2号重型废钢、钢筋、棒材废钢、汽车和白色家电。
    (5) 产品部件构成的变化，如汽车用钢量的变化或汽车用铜量的变化。
    (6) 废料目视分类：通常经纪人会指定一个最大平均铜含量，但是低含铜量废钢通常并不挑选出来，而是与高含铜量废钢混合在一起，从肉眼看都是相似的，除非有必要挑选低铜含量废钢，因为这种废钢价值更大。
历史的研究
    20世纪80年代的日本开始对废钢残余元素含量上升进行评估，最近这一领域的大部分工作都集中在日本和中国。在欧洲进行的研究数量有限，在北美进行的分析更少。这就表明，在大多数发达国家，废钢供应似乎是理所当然的，没有过多地考虑废钢质量，也许这是因为在高度发达的经济体中，有如此巨大的钢铁储量，废钢供应充足。然而，对这些高度发达的经济体的回顾表明，除了美国之外，其他国家都是以长流程生产为主，废钢残余元素含量水平上升问题不用担心，因为转炉吃废钢比例低于30%，即使废钢残余元素水平较高，但是转炉冶炼中得到稀释，可以生产残余元素很低的钢材。在在电炉钢产量很低的地区，废钢中的残余元素含量水平也应该相对较低，因为钢铁产品主要是用铁矿石来生产的。
    然而，值得注意的是，美国并没有进行更多有关废钢的研究，2017年，美国近70%的钢铁是电弧炉生产的，这可能就是为什么美国钢铁工业比世界其他地区使用更多的废钢的原因，美国钢铁厂家已经学会了如何最好地利用现有的废钢。美国钢厂也积极地在电弧炉中使用生铁、DRI和HBI，使得生产的钢铁产品达到要求的残余元素含量水平。一些钢铁公司，如纽柯公司(他们有两个DRI设备在运行生产)，已经在为其电弧炉提供稳定的低残余元素原料方面进行了大量投资。
    欧洲和亚洲进行了一些研究，旨在量化目前工业各部门正在使用的钢铁材料的数量和比例(这些是主要潜在的废钢来源)。通过这种分析，了解钢铁产品部件的生命周期，并估计其能够回收钢铁的百分比。

    钢铁材料存量
    对正在使用的钢铁存量的详细了解对于预测未来的废钢可用性、确定原料使用关键因素和制定资源有效利用战略是非常重要的。在2013年，Pauliuk等人对美国等200个工业历史悠久的国家的人均使用钢铁量进行了估算，美国、英国和德国人均钢铁用量在11至16吨之间，他们的人均用量积累正在放缓或已经停止。最近才实现工业化的国家，如韩国或葡萄牙，其人均钢铁用量在6至10吨之间，并且正在迅速增加。有些国家，人均使用的钢铁量已经饱和或接近饱和。Pauliuk等人的定义人均使用钢铁量饱和数值为13±2吨，其中建筑用钢10±2吨，机械用钢1.3±0.5吨，运输用钢1.5±0.7吨，家电和容器用钢0.6±0.2吨。人均用钢时间序列数据和饱和水平可以用来估计未来的钢铁产量和废钢供应情况。
    不同地理区域的内的钢铁存量差异很大，这将对地区的废钢冶炼利用产生重大影响，因为废钢的运输成本将成为废钢成本的一个重要因素。在过去的5年里，在芝加哥地区出现了废钢价格的倒挂现象，在那里整理好的废钢以低于碎废料的价格出售。这是由于需求减少(由于当地市场的生产水平较低)和将废钢运到需要的地方的运输成本增加。

    虽然北美、欧洲和独联体的钢铁存量似乎已趋于稳定或缓慢增长，但由于中国的城市化进程，亚洲的增长相当迅速，印度的城市化程度相对较低。到目前为止，最大的用户是建筑和基础设施，其次是机械和汽车。当然，最终情况使用也因地理区域而异，这取决于每个区域内经济的发达程度以及工业化和城市化的水平。
    结论
    从本文中可以看出，世界各地废钢的残余元素含量水平变化较大，废钢的可利用性也存在显著差异。本文的第二部分将进一步讨论钢铁产品生命周期如何影响残余元素水平和废钢的可用性。虽然由于使用假设的数量参数，很难做出精准的预测，但这些研究有助于理解废钢可用性和质量的长期变化。此外，在钢铁生产中使用废钢冶炼，采用各种方法来控制钢中残余元素，将进行回顾和讨论。