قراضه فولاد و عناصر آلیاژی بازیافت بهینه با روش برنامه ریزی خطی

 اهمیت خودروهای فرسوده به عنوان معدن شهری در انتظار رشد و بهره برداری است، زیرا افراد بیشتری در کشورهای در حال توسعه تجربه‌ی استانداردهای زندگی بالاتر را دارند، در حالی که خودروها به صورت بیشتری از مواد با کیفیت برای تأمین الزامات محیط‌زیستی و ایمنی دقیق‌تر استفاده می‌کنند. اگرچه بیشتر مواد موجود در خودروهای فرسوده، به ویژه فولاد، با نرخ بازیافت بالا بازیافت می‌شوند، اما مسائل کیفی به دلیل استفاده پیچیده از مواد خودروها به طور کافی مورد توجه قرار نگرفته‌اند، که به ازای این امر بازیافت عناصر آلیاژی ارزشمندی از دست می‌روند. این مطالعه بالاترین ظرفیت بازیافت کیفی قراضه فولاد خودروهای فرسوده را با تاکید بر روش‌های مورد استفاده از قطعات بازیافتی، به منظور تولید فولاد آلیاژی خام مبتنی بر کوره قوس الکتریکی با افت کمی از عناصر آلیاژی، برجسته می‌کند. با استفاده از برنامه‌ریزی خطی در مورد اقتصاد ژاپن در سال 2005، ما متوجه شدیم که به‌کارگیری جداسازی قطعات می‌تواند منجر به بازیابی حدود 94-98% از عناصر آلیاژی موجود در قطعات بازیافتی (منگنز، کروم، نیکل و مولیبدن) شود، که می‌تواند معادل 10% منابع خام در تولید فولاد آلیاژی خام مبتنی بر کوره قوس الکتریکی را جایگزین کند.

.مقدمه

استخراج معادن شهری یک مفهوم کلیدی برای استفاده پایدار از فلزات است. با این حال، بازیابی و/یا بازیافت فلزات از محصولات فرسوده (یعنی معادن شهری) به دلیل ساختار و ترکیب پیچیده محصولات کاربردی اخیر، به طور فزاینده‌ای پیچیده شده است. مسائل ممکن مانند آلیاژ‌زدایی ناخواسته، آلودگی و انتقال حرارت ممکن است اتفاق بیافتد که به واسطه این پیچیدگی در برخی از فلزات با نسبت بازیافت بالا (به عنوان معدن‌های شهری) به وجود می‌آیند؛ زیرا این فلزات به طور معمول به صورت مستقل استفاده نمی‌شوند، بلکه ترکیب و/یا آلیاژ شده می‌شوند. بازیابی کارآمد فلزات از محصولات فرسوده نیازمند تجزیه و تحلیل این است که چگونه فلزات در محصولات فرسوده وجود دارند و روش‌های بازیافت مناسب قراضه فولاد برای آن‌ها تعیین شود. بازیافت حلقه بسته یک راه ایده‌آل برای بازیافت پایدار فلزات است. با این حال، به دلیل اینکه فلزات به طور اکثر در اشکال ترکیبی و/یا فیزیکی (یعنی آلیاژی) استفاده می‌شوند، به ندرت استفاده می‌شود. نه تنها فلزات آلیاژی، بلکه فلزات ترکیبی نیز در مرحله‌ی جداسازی در فرآیند بازیافت به طور عملی از یکدیگر جدا نمی‌شوند مگر اینکه به طور پیش‌فرض جدا شوند. در نتیجه، بازیافت حلقه بسته فلزات با حفظ کیفیت مورد نیاز به طور کلی غیرممکن به نظر می‌رسد. در حال حاضر، بازیافت حلقه باز استراتژی اصلی بازیافت است. در بازیافت فلزات حلقه باز، روشی که قطعات بازیافتی مرتب می‌شوند و به تولید مواد ثانویه اختصاص می‌یابند، نسبت بازیافت فلزی قراضه فولاد را تعیین می‌کند. اهمیت محتوای فلز پایه در تخصیص قطعات بازیافتی به تولید مواد ثانویه در مطالعات مربوط به بازیافت آلومینیوم، به دلیل کاهش تجمعات آلودگی در آلومینیوم بازیافتی، تأکید شده است. از طرف دیگر، مطالعاتی که بر محتوای فلز پایه در بازیافت قراضه فولاد تمرکز می‌کنند، به جز موارد مربوط به آلودگی توسط مس، به ندرت وجود دارند، احتمالاً به دلیل سهم کوچک مواد قراضه فولاد حاوی عناصر آلیاژی (آلیاژی) نسبت به فولاد کربنی تولید شده جرمی. افزایش اخیر در تولید خودرو و استفاده افزایشی از فولاد آلیاژی، مدیریت پایدار هم فلز اصلی (آهن) و هم فلز زیراولیه (آلیاژی) در قطعات بازیافتی مهم شده است. در واقع، دایگو و همکاران متوجه شدند که انتقال عناصر آلیاژی به فولاد کربنی منجر به افزایش تدریجی در غلظت این عناصر (به عنوان آلودگی) در قطعات قراضه فولاد بازیافتی می‌شود، که نیاز به کیفیت در بازیافت فولاد برای استفاده پایدار را تأکید می‌کند.

در مطالعات پیشین ما، جرم عناصر آلیاژی حاوی در خودروها با تحلیل جریان مواد ورودی-خروجی ضایعات (WIO-MFA) تخمین زده شده است. این تخمین‌ها با تأیید تطابق با ترکیب شیمیایی تجزیه‌ای و بحث درباره عدم قطعیت در نتایج انجام شده است. علاوه بر این، مزایای ممکن جداسازی قطعات قبل از خرد شدن و ذوب با استفاده از رویکرد مبتنی بر سناریو و با مقایسه محتوای عناصر آلیاژی در قطعات بازیافتی قراضه فولاد مشتق شده از خودروهای فرسوده (ES) مرتب شده بر اساس قطعات (که در ادامه به آن “قطعات بازیافتی” گفته می‌شود تا آن را از ES به معنای کلی تمییز کند) با استانداردهای صنعتی گرید‌های فولاد مقایسه شده است. علاوه بر این، سرنوشت عناصر آلیاژی در هر یک از محصولات در طول چند دوره عمری محصولات توسط مدل MaTrace-alloy پیگیری می‌شود با اختصاص سناریوهای بازیافتی به فرآیندهای تصفیه جایگزین به طور بیرونی. با این حال، اکتشاف سناریوهای اختصاص ممکن است در دامنه و تنوع کمبود داشته باشد. برای بحث در مورد این که چگونه سناریوهای عملی موثر مورد علاقه باید باشند و برای سنتز سیستماتیک سناریوهای اختصاص نزدیک به ایده‌آل، باید به مزایای بالقوه حداکثری پرداخته شود.

در این مقاله، تخصیص بهینه قطعات قراضه فولاد بازیافتی به تولید فولاد با EAF را فاش می‌کنیم و مزایای بالقوه استفاده از قطعات بازیافتی به عنوان منبع ثانویه عناصر آلیاژی در کاهش انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای تجسمی و هزینه‌ها را ارزیابی می‌کنیم. با تکیه بر کارهای پیشین، از برنامه‌ریزی خطی مبتنی بر ورودی-خروجی (LP) برای تشخیص یک روش بهینه استفاده از منابع ثانویه عناصر آلیاژی استفاده می‌کنیم، به این معنا که قطعات قراضه فولاد بازیافتی با ترکیبات  (عناصر آلیاژی) عناصر آلیاژی خاص دارند. منابع ثانویه و اولیه عناصر آلیاژی به همراهً برای تولید فولاد در کوره قوس الکتریکی EAF استفاده می‌شوند که تحت نیازهای عناصر آلیاژی مختلف قرار دارند. دو تابع هدف جایگزین در نظر گرفته می‌شوند: (1) کاهش انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای (GHG) در منابع عناصر آلیاژی اولیه، و (2) کاهش هزینه خرید منابع عناصر آلیاژی اولیه در قراضه فولاد برای تولید فولاد دز EAF. علاوه بر تخصیص منابع عناصر آلیاژی ثانویه، استفاده از منابع عناصر آلیاژی اولیه نیز بر اساس توابع هدف بهینه‌سازی شد. محدودیت‌های برنامه خطی از تعادل عرضه و تقاضای اقتصادی که از پایگاه داده ورودی-خروجی (IO) برای تحلیل تجربی عناصر آلیاژی همزمان با WIO-MFA توسعه داده شده، ارائه شده است. این امکان را به ما می‌دهد که تأثیرات استفاده بهینه از قطعات بازیافتی روی هم فرآیندهای تولید فولاد و سایر بخش‌ها را درک کنیم. علاوه بر این، با مطالعه تفاوت‌ها بین نتایج دو تابع هدف، استراتژی‌های کاهش انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای به منظور تطابق با کاهش هزینه مورد بررسی قرار می‌گیرند. در نهایت، پیامدهای فناوری و سیاسی کار ما را بررسی می‌کنیم.

2. مواد و روش‌ها

2.1. سهم برنامه‌ریزی خطی در بازیافت قراضه فولاد

در بازیافت قراضه فولاد ، انواع مختلفی از ضایعات به عنوان منابع ثانویه مورد بررسی قرار می‌گیرند. علاوه بر این، تکنولوژی‌های متنوعی برای بازیابی و استفاده از ضایعات وجود دارد. به همین دلیل، ترکیب‌های مختلفی از ضایعات، بازیابی و تکنولوژی‌های بازیافت وجود دارد. برای مدیریت منابع پایدار، انتخاب یک ترکیب بهینه از جایگزینی‌های موجود مهم است که بیشترین مزایای قراضه فولاد را فراهم می‌کند و خسارات را کمینه می‌کند. برنامه‌ریزی خطی به عنوان یک رویکرد عملی برای شناسایی یک سیستم استفاده شده است که به حداقل رساندن تأثیرات محیطی انواع سیستم‌های تولید و بازیافت، مانند تولید مواد پلاستیکی، تأمین انرژی، تصفیه نفت و بازیافت پسماندها، می‌پردازد. این مطالعات از جدول فرآیندهای خطی شده برای فرمول‌بندی یک برنامه‌ریزی خطی استفاده می‌کنند. علاوه بر این، برنامه‌ریزی خطی نیز با استفاده از جدول ورودی-خروجی به مناطق مختلفی در اکولوژی صنعتی اعمال شده است. کوندو و ناکامورا مدل برنامه‌ریزی خطی ورودی-خروجی ضایعات (WIO-LP) را توسعه دادند، که می‌تواند برای بهینه‌سازی انتخاب فناوری‌های بازیافت و پردازش ضایعات، همچنین فناوری‌های تولید کالاها و خدمات، با هدف کمینه کردن بار محیطی بر اساس مدل ورودی-خروجی گسترده شده برای ضایعات (WIO) مورد استفاده قرار گیرد. لین WIO-LP را به پالایش آب‌شیرین به منظور بهینه‌سازی انتخاب‌های فنی برای کمینه کردن بارهای محیطی استفاده کرد. مطالعات مبتنی بر برنامه‌ریزی خطی همچنین برای بازیافت ELV موجود است. با این حال، بر اساس برنامه‌ریزی خطی بر روی کیفیت بازیافت قراضه فولاد در ترم‌های عناصر آلیاژی تمرکز بسیار کمی شده است. استثنا، لوویک و همکاران هستند که برنامه‌ریزی خطی را بهینه‌سازی بازیافت قطعات آلومینیومی مشتق شده از ELV برای کاهش اضافه‌شده در نظر گرفته‌اند، ترکیب محتوای عناصر آلیاژی در قطعات آلومینیومی مرتب‌شده را در نظر گرفتند. رویکرد لوویک و همکاران به مطالعه حاضر در اینکه به جنبه‌های کیفی توجه داشته است مشابه است. با این حال، استفاده از رویکرد IO در این مطالعه امکان ارزیابی تأثیر بازیافت بهینه بر کل اقتصاد ملی را فراهم می‌کند، در حالی که مطالعه لوویک و همکاران تنها به آلومینیوم مورد استفاده در صنعت خودرو متمرکز شده بود.

2.2. برنامه‌ریزی خطی

محدودیت‌های مسئله بهینه‌سازی ما به سه گروه تقسیم می‌شوند. گروه اول تعادل عرضه و تقاضای کالاها و خدمات را نمایندگی می‌کند. تساوی به فرم x=Ax+y، معادله تعادل عرضه و تقاضای استاندارد در تحلیل ورودی-خروجی است. گروه دوم تعادل عرضه و تقاضای قطعات بازیافتی را نشان می‌دهد. گروه سوم از محدودیت‌ها به ترکیب فلزات اشاره دارد که به طور خاص برای قراضه فولاد آلیاژی معین است و بر اساس شرایط فنی تعیین می‌شود، در حالی که گروه اول و دوم از محدودیت‌ها به شرایط تعادل بازار اشاره دارند. محدودیت‌های عدم منفی بودن برای متغیرها و دو تابع هدف آلترناتیو برای کمینه کردن: انتشار GHG و هزینه تولید را در نظر می‌گیریم.

دستورات تولید، به عبارتی ترکیبات ورودی‌های مواد خام برای تولید انواع مختلف فولاد آلیاژی، متغیرهای طراحی در این برنامه‌ریزی خطی هستند. به طور کلی، دو روش برای اجرای بهینه‌سازی دستورات تولید در تحلیل ورودی-خروجی وجود دارد. یکی از آن‌ها این است که ستون‌ها و متغیرهای اضافی معرفی شوند که فناوری‌های تولید آلیاژی جایگزین را نشان دهند. این باعث می‌شود ماتریس ضریب ورودی A بیشتر از تعداد سطرها داشته باشد. این روش مناسب است زمانی که دستورات تولید “اقدامات” خاصی شناخته شده باشند و هر دستور ممکن را می‌توان به عنوان میانگین وزن‌دار یا ترکیب محاوره‌ای از جوامع اقدامات ممکن نمایش داد. با این حال، این در مورد مطالعه ما صادق نیست. دیگر روشی که ما به کار بردیم، به عنوان متغیرهای ضرایب ورودی را مدل کرد. این مسئله می‌تواند با استفاده از برنامه‌ریزی خطی مدل شود، با در نظر گرفتن نیمکرهای معرفی شده توسط این روش به طرز مشابهی با Kondo و Nakamura. باید توجه داشت که مجموعه محدودیت‌های سوم نقش تعادل جرمی هر بخش را از نظر عناصر فلزی ایفا می‌کند، که در آن نیازهایی برای ترکیب عناصری از فولاد آلیاژی تولیدی به تأمین می‌شوند. به دلیل اینکه قطعات بازیافتی شامل عناصر آلیاژی هستند، می‌توانند منبع عناصر آلیاژی ثانویه باشند و برخی از فراکسیون‌های عناصر آلیاژی مشتق شده از منابع عناصر آلیاژی اولیه را جایگزین کنند. این مدل به ما امکان می‌دهد که میزان این جایگزینی را تحت اهداف کمیتی ارزیابی کنیم.

ما محدودیت‌های نامساعد اضافی به برنامه‌ریزی خطی خود اضافه کردیم تا راه‌حل‌های بی‌معنی را خارج کنیم. برای جزئیات بیشتر به اطلاعات پشتیبانی (SI) مراجعه فرمایید.

2.3. داده‌ها

در این مطالعه، جدول WIO-MFA که بر اساس جدول ورودی-خروجی ژاپنی برای سال 2005 در مطالعات پیشین ما توسعه یافته است، داده‌های مورد نیاز برای فرمول‌بندی محدودیت‌های بهینه‌سازی استفاده از قطعات بازیافتی را فراهم می‌کند. جدول WIO-MFA جدول ورودی-خروجی گسترده‌شده برای تجزیه و تحلیل جریان در سطح عناصر آلیاژی با تجزیه و تحلیل هر دو بخش مواد خام (مانند فروآلیاژها) و تولید فولاد خام در جدول ورودی-خروجی اصلی بر اساس گزارش‌های تولیدی که از تولیدکنندگان اصلی فولاد ژاپنی، استانداردهای صنعتی و سهم آنها در تولید هر گرید فولاد به دست آمده‌اند، تهیه شده است. به عنوان مثال، بخش فروآلیاژها که در جدول ورودی-خروجی اصلی تنها به یک بخش برای تمام گونه‌های فلزات در نظر گرفته شده بود، به نه بخش مانند فروآلیاژ منگنز، فروآلیاژ کروم و غیره تجزیه و تحلیل شد که هر یک متناسب با هر گونه فلزی است. بخش تولید فولاد خام بر اساس دو روش تولید (به عنوان مثال، کوره اکسیژن پایه [BOF] و EAF) و 29 گرید فولاد به 58 بخش تجزیه و تحلیل شد. تحلیل WIO-MFA بر اساس این جدول انجام شد و به ما امکان می‌دهد تا ترکیب مواد و محتوای عناصر آلیاژی در تقریباً 400 نوع محصول را دریافت کنیم. ترکیب و محتوای عناصر آلیاژی در خودروها را می‌توان به عنوان میانگین ملی در نظر گرفت که تأیید شده‌اند که در محدوده مشابهی با تجزیه و تحلیل شیمیایی دقیق قرار دارند. علاوه بر این، محتوای عناصر آلیاژی در قطعات قراضه فولاد بر اساس نتایج WIO-MFA برای خودروها با در نظر گرفتن روش‌های کنونی پردازش ELV مانند جدا کردن موتور و/یا قطعات قابل استفاده، فشار دادن و خرد کردن تخمین زده شد. برای جزئیات بیشتر در مورد توسعه جدول WIO-MFA و نتایج تجزیه و تحلیل، به کارهای پیشین ما مراجعه فرمایید.

برای بهینه‌سازی استفاده از قطعات قراضه فولاد بازیافتی از نظر محتوای AE، ما محتوای عناصر آلیاژی در قطعات بازیافتی را بر اساس نتایج WIO-MFA با مطالعه محتوای عناصر آلیاژی در قطعات بازیافتی از نتایج WIO-MFA مقایسه می‌کنیم، به جای استفاده از استانداردهای صنعتی مختلف، جدول WIO-MFA را به عنوان یک مرجع از تقاضای عناصر آلیاژی در تولید فولاد EAF به کار می‌بریم. این پایگاه داده میانگین وزن‌دار ورودی‌های عناصر آلیاژی را در تولید هر گرید فولاد EAF ارائه می‌دهد، با در نظر گرفتن هم استانداردهای صنعتی و سهم آنها در تولید هر گرید فولاد.

برای ساده‌سازی تحلیل، این مطالعه آلایش با عناصر غیر آهنی به جز AEs را در نظر نمی‌گیرد. این فرضیه می‌پذیرد که قطعات قراضه فولاد بازیافتی به طور کامل از عناصر غیر آهنی به صورت مکانیکی جدا و مرتب شده‌اند، که با استفاده از روش‌های ELV مانند جداسازی مغناطیسی و/یا جریان Wirbel جدا می‌شوند. این رویکرد با پیچیدگی آلایش با عناصر غیر آهنی به جز AEs جلوگیری می‌کند. همانطور که در مطالعه قبلی خود انجام دادیم، ترکیب عناصر آلیاژی یک خودروی پایان عمر (ELV) تولید شده در سال 2005 را با استفاده از جدول WIO-MFA از آن سال تخمین زدیم. این فرضیه تغییراتی را که ممکن است در ترکیب مواد و محتوای عناصر آلیاژی خودروها در طول عمر ELV اتفاق بیفتد، نادیده می‌گیرد. اگرچه این فرضیه‌ها فرضیه‌های قوی‌ای هستند که از هر گونه تغییر در ترکیب مواد و محتوای عناصر آلیاژی خودروها در طول زمان صرف‌نظر می‌کنند، با توجه به محدودیت داده، این رویکرد به عنوان یک رویکرد معقول برای بدست آوردن یک معیار مورد انتخاب قرار می‌گیرد. علاوه بر این، ما تغییرات محتوای عناصر آلیاژی در قطعات مختلفی که از مدل‌های مختلف خودروها نشأت می‌گیرد، نادیده می‌گیریم. به جای آن، به ترکیب میانگین ملی خودروهای به دست آمده از WIO-MFA ارجاع می‌دهیم. به طور مختصر، مدل ما به سناریویی را نمایش می‌دهد که در آن توده‌های خودروهای پایان عمر به طور مکمل و مرتب شده توسط قطعات هستند، بدون در نظر گرفتن مدل اصلی خودروها. این فرضیه به طور قابل توجهی به وضعیت واقعی بازیافت ELV نزدیکتر است تا شناسایی و مرتب‌سازی قطعات بر اساس مدل‌ها یا انواع خودروها.

منابع عناصر آلیاژی نو آورانه، مانند فروآلیاژها (به عنوان مثال، فرو منگنز، سیلیکو منگنز، فرو کروم، فرو نیکل، و فرو مولیبدن)، AE‌های فلزی (مانند منگنز فلزی و نیکل فلزی) و منابع دیگر (مانند بریکت‌های مولیبدن) در عنوان منابع عناصر آلیاژی نو آورانه در نظر گرفته شدند. برای گرید فولادی که توسط EAF تولید می‌شود، ما فولاد کربنی و 19 گرید فولاد آلیاژ را به طور جداگانه تعریف می‌کنیم. در این مطالعه، فولاد آلیاژی نماینده فولادی است که برای به دست آوردن خواص مورد نظر، محتوای عناصر آلیاژی و/یا دستکاری‌های ویژه مورد نیاز است (یعنی “فولاد ویژه” در دسته‌بندی ژاپنی21). به همین ترتیب، فولاد کربنی فولادی است که در این مطالعه (بررسی بازیافت قراضه فولاد) به عنوان فولاد آلیاژی دسته‌بندی نشده است. برای تعاریف دقیق در مورد گریدهای فولادی، بهSI مراجعه کنید. انتشار گاز‌های گلخانه‌ای متجسم و چگونگی تأثیر هر منبع عناصر آلیاژی نو آورانه در هزینه به طور جداگانه برای منابع عناصر آلیاژی نو آورانه تولید داخلی و وارداتی در این مطالعه تعریف شد. برای مشخص کردن میزان انتشار گاز‌های گلخانه‌ای، از پایگاه داده LCI IDEA ver 1.040 برای منابع عناصر آلیاژی نو آورانه تولید داخلی و از Ecoinvent49 برای منابع عناصر آلیاژی نو آورانه وارداتی استفاده شد. در مورد هزینه‌های خرید منابع عناصر آلیاژی نو آورانه، قیمت واحد هر منبع عناصر آلیاژی نو آورانه از پیوست جدول ورودی-خروجی ژاپنی سال 200544 و آمار تجاری ژاپنی50 برای منابع عناصر آلیاژی نو آورانه تولید داخلی و منابع عناصر آلیاژی نو آورانه وارداتی به دست آمده است. برای مقادیر عددی مربوط به مجموعه‌ها و ثوابت، بهSI مراجعه فرمایید. ما یک تجزیه و تحلیل حساسیت انجام دادیم تا تأثیر تغییرات داده‌ها بر نتایج را با استفاده از خاصیت دوگانی LP بررسی کنیم. نتایج تجزیه و تحلیل حساسیت درSI توضیح داده شده‌اند.

۳.۲. مزایای استفاده از قطعات بازیافتی

مزایا با مراجعه به وضعیت پایه ژاپن در سال ۲۰۰۵ که در جدول WIO-MFA توصیف شده است (در ادامه به عنوان BS اشاره می‌شود) به میزانی کمیاب می‌شوند. شکل ۲ نشان می‌دهد که استفاده بهینه از قطعات قراضه فولاد بازیافتی می‌تواند میزان ورود AEs از منابع نو آورانه را به مقدار ۱۰٪ از BS برای هر دو تابع هدف کاهش دهد. همچنین، شکل ۲ نشان می‌دهد که میزان کاهش انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای و هزینه خرید منابع عناصر آلیاژی نو آورانه به تفاوت تابع هدف بستگی دارد. در مورد کمینه‌سازی انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای، ۷۴۹ هزار تن CO2eq کاهش می‌یابد که معادل ۲۸.۳٪ از انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای موجود در منابع نو آورانه مصرف شده در تولید فولاد EAF در وضعیت BS است. در مقایسه با نتایج به دست آمده در کمینه‌سازی هزینه، این کاهش ۱.۵ برابر بزرگتر است. در مورد کل هزینه خرید منابع عناصر آلیاژی نو آورانه، مقداری معادل ۳۱.۶ میلیارد ین ژاپنی (حدود ۲۸۷ میلیون دلار آمریکا با توجه به نرخ تبادل ۱ دلار آمریکا = ۱۱۰ ین ژاپنی) می‌تواند به بهینه‌سازی رسد، که معادل ۱۵.۲٪ از ارزش منابع نو آورانه مصرف شده در تولید فولاد EAF در وضعیت BS است. برای هر دو انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و هزینه‌ها، بزرگی کاهش‌های دست‌یافتنی در بهینه‌سازی از نتایج تحقیقات قبلی ما بیشتر بود که نشان‌دهنده کاربرد بهینه‌سازی در استفاده از قطعات بازیافتی برای حداکثر سود رساندن مزایا است.

۳.۳. انتخاب منابع نو آورانه AEs

مقدار مصرف منابع نو آورانه AEs در سال ۲۰۰۵ را با مقادیر به دست آمده تحت هر یک از توابع هدف مقایسه می‌کند. برای کروم، دو هدف نتایج یکسانی را در خصوص انتخاب منابع کروم نو آورانه داشتند. از چهار منبع عناصر آلیاژی نو آورانه کروم، بهینه‌سازی منجر به حذف کامل منابع “Cr دیگر (درونی)” و “FeCr” در داخلی و وارداتی شد، در حالی که کاهش برای “FeCr (Imp)” به سطحی معتدل رسید. برای سایر  قراضه فولاد AEs، نتایج بسته به انتخاب تابع هدف متفاوت بود. برای منگنز، “Metallic Mn (Imp)” در کمینه‌سازی هزینه کاهش یافت، در حالی که “SiMn” در کمینه‌سازی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای کاهش یافت. برای نیکل، منابع “Nis دیگر (درونی/وارداتی)” در کمینه‌سازی هزینه کاهش یافت، در حالی که “FeNi (Imp)” و “Metallic Ni” در کمینه‌سازی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای کاهش یافتند. برای مولیبدن، “FeMo (درونی/وارداتی)” در هر دو تابع هدف کاهش یافت، اما با تفاوت کمی در مقدار. در کمینه‌سازی هزینه، تقاضای منابع عناصر آلیاژی قراضه فولاد نو آورانه با قیمت‌های بالاتر کاهش یافته خواهد شد، در حالی که در کمینه‌سازی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای، کاهش برای منابع با شدت انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای بزرگتر خواهد بود. به این ترتیب، اگر یک منبع عناصر آلیاژی نو آورانه با قیمت بالا تصادفاً دارای شدت کمتری از انتشار گاز‌های گلخانه‌ای باشد، تعاملی تعادلی میان راه حل‌های توابع هدف به وجود خواهد آمد (برای جزئیات بیشتر در مورد نتایج هر منبع عناصر آلیاژی نو آورانه به SI مراجعه کنید).

۳.۴. بهینه‌سازی چند هدف

تعامل بین اهداف را می‌توان با انجام یک بهینه‌سازی چند هدف به تصویر کشید. در این روش به ما امکان می‌دهد وزن‌ها را برای توازن کاهش انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای و کاهش هزینه خرید منابع عناصر آلیاژی نو آورانه پیدا کنیم. نتیجه این بهینه‌سازی چند هدف می‌تواند در تصمیم‌گیری در مورد استفاده از قطعات بازیافتی مورد حمایت قرار گیرد. جزئیات روش‌های مولتی‌هدفهای ما در مورد بهینه‌سازی چند هدف را در SI ببینید.

در شکل ۴ (الف)، هر نقطه روی مرز نماینده بیشینه مزایای هر دو تابع هدف قراضه فولاد است. نقاط A، B، C، D و E بر روی مرز به منفعت توابع هدف با نسبت وزن مشخصی بین کمینه‌سازی هزینه‌ها و کمینه‌سازی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای متناظرند. نقاط A و E به ترتیب به منفعت کمینه‌سازی هزینه‌ها و کمینه‌سازی انتشار گاز‌های گلخانه‌ای اشاره دارند. در نقطه‌ی C به خوبی نشان داده می‌شود که اگر میزان کاهش هزینه‌ها را در سطحی کمی بیشتر، ۱۴.۴٪ به جای ۱۵.۲٪ نگه داریم، می‌توان میزان کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را به میزان ۲۷.۶٪ کاهش داد که نزدیک به حداکثر کاهش آن است. این نشان‌دهنده امکان فداکاری کمی در کاهش هزینه‌ها با تراکم قابل توجهی در انتشارات گاز‌های گلخانه‌ای است. در شکل ۴ (ب)، نقاط روی مرز را بر اساس عناصر تجزیه‌ای مشاهده کنید. با مشاهده تطابق نقاط بین شکل ۴ (الف) و (ب)، می‌توانیم درک کنیم کدام AEs به تغییر نقاط کمک کرده‌اند. تغییر از نقطه A به B به دلیل تغییر در انتخاب منابع منگنز نو آورانه انجام شد؛ تغییر از نقطه B به C و از نقطه C به D به دلیل منابع نیکل نو آورانه انجام شد؛ و تغییر از نقطه D به E به منابع مولیبدن نو آورانه برگشت. علاوه بر این تغییرات، کروم و آهن نیز به بهینه‌سازی کاهش‌ها با انتخاب‌های ثابت در هر وزن کمک کردند. با ترکیب با شکل ۳، نقطه C، که تعادل بهترین بین اهداف است، با انتخاب “SiMn” برای منگنز و “FeNi (Imp)” و “Metallic Ni” برای نیکل به جای منابع عناصر آلیاژی نو آورانه انتخاب شده در تابع هدف کمینه‌سازی هزینه قابل دست‌یابی است (برای جزئیات روش‌ها و نتایج دقیق، به SI مراجعه کنید).

۳.۵. تبعات و جهت‌های آینده

این مطالعه نشان داد که استفاده مناسب از قطعات قراضه فولاد بازیافتی به عنوان منابع دومی عناصر آلیاژی منجر به کاهش هم انتشار گاز‌های گلخانه‌ای و هم هزینه‌های منابع نو آورانه می‌شود. استراتژی بازیافت ES پیشنهادی با مرتب‌سازی ES به هشت نوع قطعات بازیافتی و استفاده مناسب از آن‌ها در فرآیند تولید فولاد با قوس الکتریکی (EAF) می‌تواند قطعات بازیافتی را به عنوان یک منبع مهم در معدن‌کاری شهری تبدیل کند. این مسئله نشان‌دهنده این است که مرتب‌سازی دقیق‌تر ES بر اساس گریدهای فولاد، مزایای بهتری در صرفه‌جویی عناصر آلیاژی در بازیافت ES خواهد داشت. با این حال، در بازیافت کنونی ES، ES به عنوان “منبع آهن” در نظر گرفته می‌شود و محتوای عناصر آلیاژی آن اغلب در نظر گرفته نمی‌شود، حتی در ژاپن و اتحادیه اروپا که تحت سیاست‌های 3R (کاهش، استفاده مجدد و بازیافت)51 و دستورالعمل ELV52 به بازیافت خودرو می‌پردازند. این قوانین تنها نرخ بازیافت مبتنی بر جرم مواد از ELV را تنظیم می‌کنند54و کنترل استفاده از ES در تولید فولاد با قوس الکتریکی را ندارند. در حالی که مباحث در مورد مفهوم و تعریف اقتصاد چرخه‌ای همچنان در جریان است،55،56اهمیت کیفیت بازیافت قراضه فولاد و حفظ مواد پس از آن به عنوان یکی از اجزای ضروری آن اشاره شده‌اند.57این مطالعه یک مقیاس تئوری برای اجرای این استراتژی مهم برای مواد فولادی مورد استفاده در بخش خودرو ارائه می‌دهد.

به منظور توسعه اقتصاد چرخه‌ای با کیفیت، تغییر سیاست‌های کنونی برای جذب صنایع استفاده کننده مواد بازیافتی قراضه فولاد و همچنین بازیافت‌کنندگان و تولیدکنندگان محصولات مورد بازیافت لازم است. سیاست‌های کنونی تنها فعالیت‌های بازیافت ELV را از نظر ES تنظیم می‌کنند. میزان بالاتری از تعامل تولیدکنندگان فولاد EAF هدف مهمی از تغییر سیاست‌ها خواهد بود. به منظور بهره‌برداری از حداکثر مزایای بازیافت قراضه فولاد ES مبتنی بر محتوای عناصر آلیاژی در سطح گرید، انتظار می‌رود بازیافت‌کنندگان ELV نقش‌های بزرگتری از تولیدکنندگان فولاد EAF ایفا کنند. نیازمندی‌های سرمایه‌گذاری برای بازیافت‌کنندگان ELV، مانند نصب فرآیندها و / یا تجهیزات اضافی، احتمالاً آن‌ها را از انجام جداسازی دقیق و مرتب‌سازی ES منزوی می‌کند، مگر اینکه جبران این کار با قیمت مناسب ES به جای قیمت فعلی آن بر اساس تنها شکل‌های خرد شده جبران شود و / یا انگیزه‌های اقتصادی توسط سیاست‌ها جهت تشویق تولیدکننده‌های فولاد EAF برای خرید و استفاده از ES ارائه شود. به علاوه، به توسعه تکنولوژی‌های مرتب‌سازی ضروری است که عناصر را دقیقاً تشخیص داده و فولادها را بر اساس محتوای عناصر آلیاژی مرتب‌سازی کنند. اخیراً تکنولوژی‌هایی که با استفاده از پرتو ایکس یا لیزر، ترکیب عناصر مرکب در مواد فولادی را به طور سریع تعیین می‌کنند، توسعه یافته‌اند. انتظار می‌رود توسعه تجهیزات و / یا فرآیند جداسازی اتوماتیک با این تکنولوژی‌ها مرحله بعدی باشد. حمایت مالی از توسعه‌دهندگان فناوری نقش مهم دیگری از سیاست‌ها است. توسعه تکنولوژی‌های بهتر مرتب‌سازی به بازیافت‌کنندگان ELV امکان دسته‌بندی دقیق ES بر اساس محتوای عناصر آلیاژی را فراهم می‌کند و منابع ثانویه مفیدی از آهن و AEs برای تولیدکنندگان فولاد EAF ارائه می‌دهد. سیاست‌هایی که همه مداراک‌های مرتبط با سیستم‌های پردازش فاضلاب را پوشش دهند، نه تنها برای بازیافت ELV بلکه برای همه نوع زباله، در جهت توسعه اقتصاد چرخه‌ای با کیفیت لازم هستند.

زیرا این مزایا بر اساس قیمت منابع آهن نو آورانه تخمین زده شدند، قیمت‌های هر نوع قطعات بازیافتی ممکن است بر اساس محتوای عناصر آلیاژی در هر قطعه بازیافتی تعیین شود. تحت کمینه‌سازی هزینه، الگوی بهینه استفاده از قطعات بازیافتی با قیمت‌های منابع عناصر آلیاژی نو آورانه تغییر خواهد کرد. بهینه‌سازی مبتنی بر ارزش عناصر آلیاژی و تخمین قیمت ES مبتنی بر محتوای عناصر آلیاژی جهت تحقیقات آینده این موضوع خواهد بود. این مطالعه دو تابع هدف را مورد بررسی قرار داده است. با توجه به دسترسی به داده‌های موجود در انبار، مجموعه‌ای بزرگتر از توابع هدف می‌توانند در نظر گرفته شوند. این به ما کمک خواهد کرد تا اطلاعات عملی مرتبط با گروه گسترده‌ای از نهادهای مختلف را شناسایی کنیم. یک جهت مهم دیگر برای تحقیقات آینده، توسعه دامنه مطالعه به مقیاس جهانی است، این مطالعه برای منطقه ژاپن در نظر گرفته شده است، اما سایر کشورها و مناطق ممکن است این نهادها را نداشته باشند. از آنجا که ELV به صورت جهانی تولید می‌شوند،این تفاوت در وجود نهادها می‌تواند در بحث در مورد تصمیم‌گیری در مورد قیمت‌گذاری جهانی قطعات قراضه فولاد  بازیافتی مورد توجه قرار گیرد. تصمیمات بین‌المللی در مورد قیمت ES بر اساس محتوای AE، نگرش کشورها نسبت به بازیافت ELV را تحت تاثیر قرار داده و تجارت ES به عنوان معدن شهری مفید از عناصر آلیاژی را فعال می‌کند. در مواجهه با دنیایی که به سرعت در حال موتورسازی می‌شود، یک سیستم بازیافت کارا برای ELV نه تنها در سطح نهادهای یک منطقه، بلکه در سطح جهانی نیز مورد نیاز خواهد بود. علاوه‌براین، می‌توانیم این مدل را به هر نوع قطعات فولادی بازیافتی اعمال کنیم. همراه با ES، بازیافت با کیفیت قطعات قراضه فولاد ایجاد شده به صورت انبوه، ساختمانی، ماشین‌آلات صنعتی و سایر انواع قطعات فولادی بازیافتی می‌تواند با تعیین ترکیب‌های عناصر آلیاژی نمایندگی آن‌ها ارزیابی شود. با اجرای بازیافت قراضه فولاد به مقیاس بزرگتر، می‌توانیم جامعه‌ای بازیافت کارا و معدن شهری عناصر آلیاژی توسعه دهیم.