为了缓解由于大量生产、大量消耗以及大量废弃型社会经济活动而引起的全球气候变暖、能源与资源的日益枯竭等环境问题，我们的社会绝对有必要转变成更具循环型的社会。
含10.5％或更高含量铬（Cr）的不锈钢是极其有用的材料，通过调整其中不同合金元素的含量，它将具有抗腐蚀性能、耐热以及优异的力学性能和其他有利的特征。日本现在每年不锈钢产量达到350万t，估计这个数字未来还将增大。大致上可将不锈钢分为两类：SUS304或SUS316，含镍的奥氏体不锈钢，用于冷加工；SUS410或SUS430，含铬不加镍的铁素体不锈钢。这些不锈钢的主要合金化元素Cr、Mn、Ni和Mo，它们的资源都是有限的，储采比分别为116年、37年、56年和50年。另外，需要大量的能源来冶炼铬铁和镍铁原材料使它们成为合金元素。此外，由于铁素体不锈钢是磁性的，一部分铁素体不锈钢无法在回收过程中从普通废钢中分离出来，从而导致Ni和Cr合金元素也不能有效地被循环利用。鉴于这些原因，推动不锈钢废钢的闭环循环利用来生产不锈钢，被认为有利于减轻不锈钢生产带来的环境冲击。
要通过推动循环利用来实现减轻环境影响，必须要弄清循环过程中整体物质流情况。Daigo等人提出一个模型，分析目标材料的动态物质流，促进钢铁循环使用。至今仅有为数不多的用于不锈钢的物质流分析。并且，前面提到，一部分铁素体不锈钢不能在回收过程中从普通废钢中分离出来，特别是还仍不清楚废弃处理与循环过程中的物质流的详细情况。对构成某种材料元素的元素流分析通常有助于分析物质流。目前有一些元素流分析方法来确定有毒物质如Pb、Hg和重金属的流向。然而，目前对不锈钢中添加元素Ni和Cr进行的详细元素流分析，用以解决不锈钢的物质流分析问题。
本文试图弄清日本的不锈钢的物质流情况，其中将不锈钢按照应用、添加元素以及在循环过程中的差异而划分为奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢，分别进行分析。另外，本文目标在于分析由不锈钢的循环使用而降低不锈钢生产对环境影响的潜力。
2.分析方法
2.1建立动态物质流
要确立物质循环的当前状态以及研究循环利用而降低对环境影响的潜力，必须建立目标物质的流。目前发表的文献和统计数据考虑了不锈钢汇总后的物质流，而没有细分它们的归类类型。由于不可能提供关于消费使用后不锈钢的真实量，因此，还没有统计报告或文献给出这方面的数据信息。本文试图采用PBM（数量平衡模型）来估计消费使用后不锈钢的量。另外，由于无法从统计或过去的文献中得到关于奥氏体和铁素体不锈钢的物质流，因此，每一物质流是根据它们的物质平衡分析来估算的。下面给出估算方法、假设与数据。
2.2Fe、Ni和Cr的物质平衡分析
本文的物质分析集中在不锈钢的主要化学组成（Fe、Ni和Cr）上来估算物质流。分析过程中，用于不锈钢生产的原材料分为10类，分别是生铁、镍铁、铬铁、自产奥氏体和铁素体不锈钢废钢、奥氏体和铁素体不锈钢加工废钢、奥氏体和铁素体不锈钢折旧废钢以及普通废钢。不锈钢产品分为5类，分别是13型不锈钢、18型不锈钢、Ni－Cr型不锈钢、Ni－Cr－Mo型不锈钢和耐热钢。上述划分是根据每类钢中的Fe、Ni和Cr的含量不同进行的。在物质平衡分析中，首先按照不锈钢生产阶段10类原材料的输入量和化学组成（镍铁与铬铁除外）来确定Fe、Ni和Cr的净供料量，接着，由5类产品的生产量与其化学组成来确定所需的Fe、Ni和Cr的净量。镍铁和铬铁的物质输入量就由Fe、Ni和Cr的需求与供给量的物质平衡的对应量来确定。此外，由现有的文献和统计数据获得不锈钢生产各阶段原料输入量，Ni和Cr的输入量由多重统计结果给出，产品产量由统计结果给出。产品的化学组成由现有的文献和标准给出，并且下文给出如何由多重统计值和假设估计的数据。
采用调研的方式获取铬铁中Fe和Cr的含量。按照统计结果给出的日本不锈钢产量中奥氏体
和铁素体组成比，将自产废钢输入量分解为奥氏体和铁素体类型，按照日本国内奥氏体和铁素体不锈钢需求量组成比，将加工废钢输入量分解为奥氏体和铁素体类型。通过面访废钢商获取加工废钢与折旧废钢的输入量比（奥氏体：70／30，铁素体：95／5）来推算出奥氏体和铁素体型折旧废钢的输入量。此外，由于推算出的奥氏体和铁素体废钢的总输入量近似等于文献中的值，这可能证实了调研数据的真实性。铁素体不锈钢废钢的成分是按照2002年生产的13Cr和18Cr不锈钢产量进行加权平均，奥氏体不锈钢废钢的成分是按照2002年生产的Ni－Cr和Ni－Cr－Mo不锈钢产量进行加权平均。从已有的文献可知，消费使用后的一般结构用轧制钢含2.5％非金属部分，因此认为普通废钢中Fe含量为97.5％。根据实际流通情况认为所有的进出口不锈钢废钢都是奥氏体废钢。由JISG4303标准中规定的热轧不锈钢薄板、中厚板和板带的化学成分来确定不锈钢中Ni和Cr的含量。采用标准中上下限的平均值作为不锈钢中Cr的含量。因此，对13Cr不锈钢Cr含量为12.5％，18Cr中Cr含量为17％，Ni－Cr中Cr含量为19％，Ni－Cr－Mo中Cr含量为17％。另外，由于Ni价格昂贵，假设不锈钢中Ni含量取标准中的下限值，Ni－Cr中Ni含量为8％，Ni－Cr－Mo中Cr含量为10％。并且，假设不锈钢中除了Ni和Cr外，余下的都是Fe。调研发现大部分耐热钢为铁素体不锈钢，而耐热钢只占总的钢产量中很小部分，因此假设耐热钢全部为铁素体不锈钢，其中Cr含量取JIS标准中所有钢的平均值13.75％。
2.3采用PBM模型推算消费使用后的不锈钢量
本文采用PBM模型来推算消费使用后的不锈钢量。PBM是从某种产品由具体应用而决定的寿命分布和该产品历年需求量来估算产品在某一特定年的废弃量。
首先确定了日本国内1951～2003年奥氏体和铁素体不锈钢的应用需求。对奥氏体和铁素体不锈钢，每一类都有8个钢类（薄板与中厚板、冷轧窄带、线材、焊管、无缝管、型钢、棒材和扁平材）和8类应用（建筑、工业机械、电子机械、家用和工业电器、汽车、其它运输工具、容器以及其它）组成，总的为128类。
由于没有1975年以前的按钢类和应用进行分类的国内需求量数据，因此，如果要获得以前某一年的对特定钢类和应用的需求量，将该年的热轧钢产量乘以1976年相应钢类和应用的需求量与1976年热轧钢总量之比进行计算。1976至2003年按钢类和应用划分的需求量，其中4类（薄板与中厚板、冷轧窄带、线材、焊管）由不锈钢供求数据提供，剩下的4类（焊管、无缝管、型钢、棒材和扁平材）按钢类和应用划分的需求量的2001～2003年的数据由调研获得。2000年以前钢类和应用的需求量是将该年的热轧钢产量乘以2001年相应钢类和应用的需求量与2001年热轧钢总量之比计算得出。
从2002至2030年消费使用后不锈钢的量的年度变化采用PBM来估算。假定在这段时间内按钢类和应用划分的需求量从2003年就保持不变。建筑和汽车用钢的寿命分布规律由文献数据给出。工业机械用不锈钢主要用在工厂热交换器和核电厂设备。尽管这些设备宣称约有60年的寿命，但调查研究发现，由于新机械的引进、工厂关闭以及其他外部因素而导致这些设备提前报废。相应地，60年的寿命就必须打对折，只有30年的平均使用期。调查研究也发现电子机械用不锈钢的平均寿命12年，家用不锈钢主要有水槽、厨房台面和相关用品，因此和建筑用不锈钢一样，平均30年的使用期。其他运输工具有不锈钢的寿命平均为40年，因为主要应用领域是铁道车辆，第一辆是从1962年开始投入使用的。容器和其他方面用不锈钢平均寿命分别为3年和15年。所有应用的不锈钢的寿命采用γ分布函数。
2.4推动消费使用后不锈钢的闭环循环降低环境冲击的潜力分析
《汽车回收法》于2005年在日本生效，这部法的实施，制定了汽车回收途径，并且汽车用不锈钢就有可能当作不锈钢废钢进行回收（闭环循环）。因此，本文根据基于成熟的不锈钢物质流而推动消费使用后不锈钢的闭环循环的情况，分析估计了自2005年后每年对环境冲击的降低潜力。
特别是，本文利用由PBM获取的消费使用后的不锈钢按钢类划分的量以及由统计数据获取的折旧不锈钢按钢类划分的输入量，确定了2002年奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢废钢的回收率。那么，如果2005年铁素体不锈钢废钢回收率提高一个点，我们计算出物质输入量相应地将降低多少。同样，由于《汽车回收法》实施促使消费使用后的不锈钢的回收，而避免了原材料物质输入，导致CO2排放的降低，我们也计算出CO2排放降低量。在这些计算中我们将2002～2005年铁素体不锈钢废钢的回收率当作不变量：镍铁、铬铁和生铁等原材料物质产生的CO2排放量特征值分别采用4.88t－CO2／t、5.41t－CO2／t和2.27t－CO2／t。
3.分析结果与讨论
3.1不锈钢的物质流
根据统计数据、由Ni和Cr的物质平衡分析得出的奥氏体和铁素体不锈钢废钢量，以及由PBM得出的消费使用后奥氏体和铁素体不锈钢废钢量，我们可以绘制出2002年的不锈钢物质流。
奥氏体不锈钢废钢的回收率约为95％，而铁素体不锈钢回收率约为2％，这定性地表明，目前已建立起奥氏体不锈钢废钢的回收路径，而铁素体不锈钢废钢的回收路径还没建立起来。由于奥氏体不锈钢无磁性，通过磁性筛分从普通废钢中回收，但大多数磁性的铁素体不锈钢废钢是当作普通废钢进行回收的。镍铁和奥氏体不锈钢废钢中纯Ni单价（1kgNi的价格）差为242日元／kg，而镍铁和铁素体不锈钢废钢中纯Ni单价差为67日元／kg，这么小的价差不大可能补偿回收、筛分和配送的成本。这也就解释了为什么将消费使用后的铁素体不锈钢当作铁素体不锈钢废钢进行回收的路径还没有建立起来。
3.2日本消费使用后不锈钢量的未来情况以及由于推动消费使用后铁素体不锈钢的闭环循环而带来的CO2排放降低量我们根据以上分析方法，得出2002至2030年消费使用后的奥氏体和铁素体不锈钢的量。对于消费使用后奥氏体不锈钢的总量（从2002年的45万t到2030年的90万t）认为是显著上升，而消费使用后铁素体不锈钢的总量（从2002年的25万t到2030年的40万t）中绝大部分（35％～40％）为汽车回收。
由PBM结果可知，2005年消费使用后铁素体不锈钢量为27.2万t。铁素体不锈钢折旧废钢回收率从2％提高一个点到3％，铁素体不锈钢折旧废钢输入量将增加2700t，由废钢带来的净Cr增加420t，净铁增加2300t，这就等于避免了770t铬铁和2000t生铁未使用过的原材料的输入。然而，如果铁素体不锈钢折旧废钢被分离回收，则作为普通钢原料的普通废钢有同样量的减少。当这些普通废钢减少量完全由生铁来补充时，那么铁素体不锈钢折旧废钢回收率增加一个点带来2100tCO2排放降低量。
汽车回收中的铁素体不锈钢量占消费使用后铁素体不锈钢废钢总量约40％。因此，如果废弃汽车上所有的消费使用后铁素体不锈钢都被回收，则可以看出2005年CO2排放降低量将达到7.5万吨。根据这些假设可估计出2005年直至2030年每年CO2排放降低量的变化，到2030年将高达12.5万t。CO2排放降低量逐年改善可归结于汽车回收带来的消费使用后不锈钢量的比例增加。
4.结论
由物质平衡分析和PBM模型结果绘制出2002年日本奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的物质流。从物质流可以确定奥氏体不锈钢折旧废钢的回收率是95％，铁素体不锈钢折旧废钢的回收率是2％。尽管已经建立了奥氏体不锈钢的回收路径，但是由于铁素体不锈钢折旧废钢与普通废钢混合在一起，铁素体不锈钢折旧废钢几乎没有当作不锈钢废钢进行回收。
将铁素体不锈钢折旧废钢按不锈钢废钢回收，2005年回收率提高一个点，将导致CO2排放量降低2100t。此外，当由消费使用后的汽车产生的铁素体不锈钢废钢的回收路径建立起来后，将把2005铁素体不锈钢按不锈钢回收的回收率提高近40％，相应地带来7.5万tCO2排放降低量。 |
