钢铁材料不仅可以通过磁选易于从废品中分离出来，具有高的分离性，而且废钢铁制品会由于资源价格上升而被回收，回收性也很好。但是，循环利用时有些混入的杂质元素不能在炼钢工序中去除。为了能持续循环利用，需要避免这些元素浓度增高问题的发生。

1前言

每年有大量钢材被生产出来，并被广泛用于桥梁、铁塔、建筑物、汽车、机械等各个领域，随着时间推移而形成钢铁材料的物质存量。由于钢铁材料易于循环利用，这些物质存量在完成了其使命后，也具有成为二次资源的潜力。

钢铁材料可通过磁力进行分选，同时也是许多制品的主要原材料，而且即便闲置也不会劣化，因此其回收性非常优秀。

2钢铁材料的存量

首先简要说明一下评价回收性所必需的钢铁材料存量。如上所述，钢铁材料制成各种产品投入社会后，持续发挥着作用，直至产品寿命终止。这种处于发挥着作用的状态的钢铁材料，称为使用中存量。而其他钢铁存量的状态，在产业生态学学术领域还可分为老旧存量和冬眠存量。所谓老旧存量，是指尽管已经处于完成使命而不能继续使用的状态，但仍存在于社会圈中的钢铁存量；冬眠存量是指在未被使用的存量中将来还有被回收利用的可能性的存量。

为了推算出使用中存量和老旧存量等存在于社会圈的所有钢铁存量，采用被回收的废钢量作为排出量。而为了推算使用中存量，则需要计算出使用完毕的所有产品中所含的钢铁材料（废钢产生潜力）作为排出量。前者如图1右侧所示的流动量“被回收的老旧废钢”，后者如图1左侧所示的流动量“老旧废钢产生潜力”。后者的量难以进行实测，但可通过动态MFA（Mat erial Fl ow Anal ysis）推算出来。所谓动态MFA，是指根据用于不同用途的钢铁材料的使用期限分布，通过以往各年中各项用途中的投入量，推算出该年中的排出量的方法。图1中记载了使用完毕后的钢铁材料的流动。除使用完毕的产品和废钢进出口以外，还包括回收过程中散失的损失以及填埋处理的部分。未被回收的钢铁材料中，包括用于建筑物基础的、即使建筑物拆除后有时也不会拔出而留在地下的基础桩材料。

3钢铁材料回收率

图2所示为从1987年开始日本老旧废钢产生潜力和被回收的老旧废钢的推算值的比较。其中，2007年和2008年，1年时间内的老旧废钢回收量超过了从该年使用完毕的产品中的废钢产生潜力。即使考虑到废钢发生潜力的推算过程中产品使用期限的不确定性，也可以得出在至少这两年间，老旧废钢的回收量超过了从该年使用完毕的产品中废钢发生潜力的结论。这两年正是资源价格高而钢铁材料需求量大的时期，尽管这些钢铁材料是在过去使用完毕的，但并未进行回收，而是集中在这一时期回收。例如，如果废品发生在回收成本较高的郊外，即使放在那里也不会有什么妨碍的情况下，当作为废钢的销售收益抵不上回收成本，那么回收的诱因也不会发生作用。这样，可以理解为遗留的废品作为冬眠存量存在，而在这两年间被回收，并且这部分对于总量而言，并非是几乎可以忽略不计的数量。

回收率有各种不同的定义。为了区别于其他定义，将以老旧废钢产生潜力为分母，以回收的老旧废钢为分子的比值称为“用毕回收率”。用图2所示的分母和分子得出的日本钢铁材料用毕回收率在过去的20余年高达80%以上，且与价格和供需状况相呼应，在约80%-110%之间大幅变化。因此，钢铁材料并不是在使用完毕时没被回收就无法再次回收，而是在社会圈内存在期间，具有成为未来的二次资源的潜力。钢材循环利用性的优势，包括易于通过磁性和其他原材料分离，不必电解即可在炼钢时去除Si、Al等杂质，以及杂质的容许浓度高等，除此之外，包括从产品使用完毕开始的时间缓冲在内的回收率高也是其优势之一。

4钢铁材料循环利用与杂质的浓化

这样，具有优秀循环性的钢铁材料比其他原材料具有更高的反复循环利用的可能性。而另一方面，由于反复循环利用，Cu、Sn等杂质浓度有上升的可能性。杂质元素的混入，主要两个原因包括产品拆分、处理时未能分离的钢铁材料以外的金属材料混入废钢中，以及合金钢被作为普通钢的废钢进行回收。杂质元素中，不仅在精炼时难以去除，且对钢铁材料加工性产生不利影响的元素被称为混入元素，人们担心的是这些元素的浓化。

钢铁材料从作为产品被使用到作为废钢被回收的平均时间为20年左右。而在对钢筋、棒材进行杂质浓度增高的情况观察时发现，历经30年以上但杂质浓度几乎没有变化。作为例外，日本普通钢电炉工业协会对钢筋、棒材中的杂质成分进行了定期观察，而在全世界范围内对杂质浓度的认知至今仍非常有限。因此，即使希望构筑避免杂质浓化的可持续循环利用机制，也仍未能掌握其实际状态。本文将介绍伴随着日本生产的、包括棒钢以外的普通钢的杂质量推算结果。

5伴随着普通钢的杂质元素的流动

伴随着普通钢生产的杂质元素流动量可分为四种。第一种和第二种是有意识用于普通钢的、分别由于表面涂覆而伴随的杂质元素流动量f₁和由于作为合金成分添加而伴随的杂质元素流动量f₂。例如，前者为镀锡板有意识地表面涂覆的Sn。第三种为合金作为存在于普通钢中的杂质元素的流动量f₃。第四种为老旧废钢中无意识存在的除普通钢以外的其他材料的杂质元素流动量f₄。图3所示为普通钢及伴随着普通钢的杂质元素在炼钢炉中的收支情况。在此，认为混入元素，且假定杂质不流向所生产的钢材以外。并且认为生铁几乎不对杂质元素的收支发生影响。

要掌握f₃和f₄，需要从原料或者从生产的钢材角度，再抑或同时从二者角度进行掌握。但是，废钢作为原料，是多种原材料以固体状态混合的形式，要想掌握其平均组成，需要将这些原材料彻底分离后，再对每种原材料进行成分分析，需要大量的劳力等。因此，对生产的钢材中所含的杂质（Cu、Sn、Cr、Ni、Mo）进行量化。虽然从理论上而言，Cr不包含在混入元素范围内，但实际上如果Cr在钢水中的残留多，浓度升高，则有可能对深冲性能等加工性产生影响，因此，在本研究中，将其与其他混入元素同样对待。

由于品种不同，所允许的杂质浓度也各异，将平均浓度和产量均按照品种进行区分。随机选取500个日本生产的普通钢，通过进行元素分析，得到日本产不同品种钢材的杂质浓度。各品种的试样数量由产量和杂质浓度决定。按照不同品种，将分析结果示于表1。用杂质浓度的平均值和日本产不同品种的产量，推算出日本产普通钢伴随的杂质元素流量f₃和f₄。其中，分析母材的化学成分时，涂覆量f₁不包括在分析结果中，但添加量f₂包含在分析结果中。因此，涂覆量f₁，由文献或产品手册中的技术信息推算出来，但Cr的涂覆量无法通过数据推算；添加量f₂，由于几乎全部普通钢品种都不是有意识地添加相应合金元素，因此按0处理。

由以上结果可以推算出日本普通钢生产伴随的杂质量，Cu、Sn、Cr、Ni、Mo分别为5.5×10⁴吨、4.2×10³吨、1.7×10⁴吨、3.8×10³吨、5.5×10⁴吨。其中，Sn中有2.7×10³吨、Ni中有8.5×10²吨为表面涂覆量f₁。除此之外的普通钢中的未发挥功能的杂质量与这些金属的生产量进行比较可知，Cu占电解铜产量的4%，Sn占电解锡产量和进口量总和的7%，Cr占铬矿石和进口铬铁的9%，Ni占镍铁和金属镍产量的15%，Mo占矿石进口量的19%。可以看出，特别是Ni、Mo中有大量资源分散在普通钢中。

6结语

无论哪种材料，人们都希望其可以持续循环利用。其中，从使用完毕的产品到混入杂质的浓化现象，不仅存在于钢铁材料，所有金属材料全都面临这个问题。为了实现金属材料的持续循环利用，在准确掌握实际情况的同时，还需要查明混入原因，构筑起避免混入发生的系统。如果能根据表1所示的国内钢材平均需要比例的杂质浓度进行材料开发，就有可能用循环利用原料生产出高性能材料，并构筑更为健康的资源循环系统。 （孟群）