“双碳”目标下全球钢铁资源循环回收利用技术发展态势研究

熊书玲，郑 佳，康 凯，纪颖茹

（中国科学技术信息研究所，北京 100038）

钢铁产业是中国国民经济的重要基础产业[1]，也是实现绿色低碳发展的重要领域，其碳排放占中国总碳排放的13%～15%，大部分来自钢铁生产过程中的直接排放[2-3]。再生资源回收利用是实现碳减排的路径之一，同时兼具污染物减排的协同效益，是实现“双碳”目标的重要方式[4]。再生资源的回收利用可以有效减少初次生产过程中的碳排放，而钢铁等高耗能行业的产品在可再生领域的潜力最大[5-9]。因此，需要通过加快钢铁资源的循环回收利用等，支撑中国钢铁产业循环经济高质量发展，最终实现“双碳”战略目标[10]。当前对碳减排的研究热点主要集中在能源领域[11]，而对钢铁等非可再生资源回收利用行业的碳减排研究有待加强[12-13]。

废钢铁主要包括钢厂产生的废钢铁、工业等加工废钢铁和社会折旧废钢铁等。废钢铁炼钢以“废钢铁—电炉”短流程为主。废钢铁再利用的碳减排量为生产同等回收量的废钢铁所产生的温室气体量减去废钢铁回收再生产为粗钢所排放的温室气体量[14-17]。本文通过论文与专利分析，从钢铁循环回收利用（或废钢铁利用）技术的年度分布趋势、研发国家、研究机构、技术领域、研究人员等多个维度对废钢铁利用技术发展态势进行研究，通过国内外对比研究，分析基础研究和应用研究领域的制约因素并提出相关建议，为推动中国钢铁产业循环经济高质量发展，进而实现“双碳”目标提供支撑。

1 检索策略

废钢铁利用技术主要是将钢铁生产过程中产生的废料重新应用在炼铁、炼钢环节中。按照关键词扩展（如废钢、生铁、钢屑、精炼渣、废钢铁等）和“分类号+关键词”检索等方式，结合比较差异数据、检索词修正等流程，最终确定废钢铁利用技术的论文及专利检索词库[18-20]。通过Innography 专利检索平台和Web of Science 论文检索平台，得到全球废钢铁利用技术领域的相关专利与论文数据。检索时间范围为2000年1月1日至2022年12月31日，专利检索为同族扩展，论文检索选择科学引文索引（SCIE）和科学技术会议录索引（CPCI-S）。由于专利公开一般会有18 个月的滞后期，因此2021年和2022年的相关专利数据仅供参考。

2 论文分析

2.1 论文产出年度分布情况

2000—2022年，全球废钢铁利用技术领域共收录SCIE 和CPCI-S 论文12 734 篇。由图1 可以看出，2000—2010年，相关论文发表数量较少，每年发表论文不足300 篇，相关基础研究进展缓慢。2011年之后，论文发表数量整体呈快速增长趋势，于2021年达到1 586 篇，近年来相关基础研究成果大幅增加。其中，2009年和2011年的论文发表数量年增长率排在前两位，分别达36.9%和37.9%，这可能与该时期的论文发表基数不高有关。

图1 2000—2022年全球废钢铁利用技术领域相关论文年度分布情况

2000—2022年，中国废钢铁利用技术领域共收录SCIE 和CPCI-S 论文3 917 篇。由图2 可以看出，2000—2010年，相关论文发表数量呈小幅波动趋势，每年发表论文不足100 篇。2011年之后，相关论文发表数量呈波动式快速增长趋势，尤其是2016年以后，相关基础研究进展加快，于2022年达到663 篇。

图2 2000—2022年中国废钢铁利用技术领域相关论文年度分布情况

2.2 主要论文发表国家分布情况

图3 展示了2000—2022年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前10 位的国家分布情况。可以看出，中国在废钢铁利用技术领域发表的论文数量大幅领先于其他国家，居世界首位；其次是印度（1 014 篇）、美国（767 篇）、韩国（665 篇）、日本（625 篇）、澳大利亚（592 篇）、英国（533 篇）、土耳其（500 篇）、西班牙（392 篇）、加拿大（391 篇）等。但同时，澳大利亚和英国的论文篇均被引次数较高，相关基础研究成果的国际影响力较高；其次是加拿大、美国、土耳其和西班牙。中国虽然论文发表数量最多，但相关基础研究成果的国际影响力偏弱。

图3 2000—2022年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前10 位的国家

2.3 主要论文发表机构分布情况

图4 展示了2000—2022年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前10 位的机构分布情况。可以看出，中国的北京科技大学（468 篇）、东北大学（344 篇）、重庆大学（248 篇）等机构发表的论文数量较为领先，创新主体主要是高校、科研院所；其次是埃及知识银行（245 篇）、武汉理工大学（230 篇），以及英国研究型图书馆（211 篇）、印度国立技术研究院（185 篇）、中南大学（171 篇）、印度理工学院（156 篇）、东南大学（139 篇）等。全球废钢铁利用技术领域排名前10 位的论文发表机构主要分布在中国，其次是印度。相比较而言，印度理工学院的论文篇均被引次数较高，相关基础研究成果的国际影响力较高，其次是中国的东南大学。

图4 2000—2022年全球废钢铁利用技术领域论文发表排名前10 位的机构

3 专利分析

3.1 专利年度变化趋势

由图5 可以看出，2000—2022年，全球废钢铁利用技术领域相关专利申请总量为28 176 件，其中授权专利为18 511 件，授权比重达65.7%。2000—2007年，全球废钢铁利用技术领域相关专利申请量呈波动式缓慢变化趋势，相关应用研究进展缓慢。2008—2022年，全球废钢铁利用技术领域相关专利申请量呈波动式快速增长趋势，于2020年达2 331 件。2000—2012年，全球废钢铁利用技术领域相关授权专利年度变化趋势整体与申请专利保持一致，但2013年以后，授权专利与申请专利的数量差距不断增大，这可能与专利一般平均有2 ～5年的授权周期有关。

图5 2000—2022年废钢铁利用技术领域相关专利年度变化趋势

2000—2022年，中国废钢铁利用技术领域相关专利申请总量为16 789 件，其中授权专利为10 103 件，授权比重达60.2%。2000—2006年，中国废钢铁利用技术领域相关专利申请量呈缓慢增长趋势。2007—2022年，中国废钢铁利用技术领域相关专利申请量整体呈现波动式快速增长趋势，废钢铁利用技术步入快速发展期，2020年中国废钢铁利用技术领域相关专利申请量达到1 907 件，占全球该领域专利申请总量的81.8%。中国废钢铁利用技术领域相关申请专利在2000—2009年保持了较高的授权比例，2009年授权专利占比高达93.1%，之后授权专利与申请专利的数量差距不断增大。

3.2 专利技术来源国

图6 列出了2000—2022年全球废钢铁利用技术领域专利申请量排名前10 位的国家。从图6 可以看出，按照专利申请的数量，废钢铁利用技术来源国依次是中国、韩国、日本、美国、德国、俄罗斯、澳大利亚、奥地利、法国、意大利等。其中，中国的专利申请量大幅领先，占全球专利申请量的50%以上，其次是韩国和日本。从专利授权占比情况可以看出，澳大利亚的专利授权占比最高，其次是俄罗斯和日本等。

图6 2000—2022年全球废钢铁利用技术领域专利申请量排名前10 位的国家

3.3 主要专利权人

图7 列出了2000—2022年全球废钢铁利用技术领域排名前10 位的专利权人分布情况。从图7 可以看出，专利申请量在全球排名靠前的主要专利权人是日本、韩国和德国等国家的企业，其废钢铁利用技术研发实力较强。日本杰富意钢铁公司和新日本制铁公司的专利申请量排在前两位，专利申请量均超过700 件。其次是韩国浦项制铁集团公司，专利申请量超过500 件，德国西马克·韦斯公司和日本神户制钢公司专利申请量超过400 件。图8 列出了2000—2022年中国废钢铁利用技术领域排名前10 位的专利权人分布情况。从图8 可以看出，中国的鞍钢集团有限公司专利申请量排在首位，其次是宝武钢铁集团有限公司、北京科技大学、攀钢集团有限公司、东北大学和中南大学，其专利申请量均超过200 件。

图7 2000—2022年全球废钢铁利用技术领域排名前10 位的专利权人

图8 2000—2022年中国废钢铁利用技术领域排名前10 位的专利权人

3.4 主要专利发明人

表1 列出了2000—2022年全球废钢铁利用技术领域专利排名前10 位的专利发明人。可以看出，废钢铁利用技术领域的专利发明人主要是来自日本的企业，其次是中国、澳大利亚、德国等国家的企业。其中，澳大利亚技术资源私人有限公司的Rodney James Dry 发明专利最多，其次是北京神雾环境能源科技集团股份有限公司&江苏省冶金设计院有限公司的吴道洪和曹志成，以及西门子奥钢联冶金技术（奥地利）有限公司的Robert Millner 和德国西马克·韦斯公司的Johann Reichel。此外，日本神户制钢公司、日本川崎制铁公司、日本杰富意钢铁公司和日本电气化学工业公司的几个专利发明人累计拥有超400 件专利。

表1 2000—2022年全球废钢铁利用技术领域排名前10 位的专利发明人

3.5 主要专利技术领域

表2 列出了2000—2022年全球废钢铁利用技术领域专利排名前10 位的国际专利分类号（IPC）分布情况。可以看出，废钢铁利用技术相关专利主要分布在IPC 为C04B 28/00 和C21C 5/00 的技术领域，相关专利申请量均超过3 000 件，涵盖多元羧酸盐水泥、碳钢冶炼等研究方向。其次是IPC 分类号为C22C 38/00、C04B 18/00、C21C 7/00、C22B 1/00、C21B 3/00、C21B 13/00 等技术领域，涵盖铁基合金、钢渣废料处理、生铁冶炼、直接还原法炼液体钢等。

表2 2000—2022年全球废钢铁利用技术领域排名前10 位的IPC

表3 列出了2000—2022年中国废钢铁利用技术领域专利强度为70 及以上的核心专利分布情况。可以看出，相关专利权人均为企业，专利以在国内申请为主，所有专利均为2018—2021年申请的有效专利。广西银亿新材料有限公司和广西银亿高新技术研发有限公司相关专利的专利强度最高，其废钢铁利用技术涉及废旧锂离子电池回收。其次是中冶京诚工程技术有限公司，其废钢铁利用技术涉及炼钢设备和方法，宝钢工程技术集团有限公司和宝武集团环境资源科技有限公司的废钢铁利用技术涉及含铁含锌固废资源化利用的装置及方法，瀜矿环保科技（上海）有限公司的废钢铁利用技术涉及利用钢铁渣萃取物辅助生物质制氢和生物炭系统等。

表3 2000—2022年中国废钢铁利用技术领域的核心专利分布

4 结论与建议

通过对废钢铁利用技术领域的论文与专利分析，主要得出以下结论与建议：

（1）近年来，废钢铁利用技术无论是在基础研究领域还是应用研究领域都正处于快速发展期。中国、印度、美国、韩国和日本是废钢铁利用技术基础研究领域的主要研发国家，中国、韩国、日本、美国和德国是废钢铁利用技术应用研究领域的主要研发国家。尽管中国相关论文数量和专利数量最多，但发达国家及其相关机构在论文国际影响力和专利授权率方面均优于中国。中国废钢铁利用技术领域的高水平研究成果数量仍有待提升，应继续加大科技创新研发投入强度，通过政策引导和市场激励相结合，形成废钢铁利用领域关键技术攻关合力，协同推动钢铁产业循环经济高质量发展。

（2）全球废钢铁利用技术基础研究领域的重点研发机构包括北京科技大学、东北大学、重庆大学、埃及知识银行等。全球废钢铁利用技术应用研究领域的重点研发机构包括日本杰富意钢铁公司、新日本制铁公司、韩国浦项钢铁公司等；重点技术研发领域包括多元羧酸盐水泥、碳钢冶炼、铁基合金、钢渣废料处理等；主要专利发明人大都来自日本企业。因此中国应积极制订相关专业技术人才培养计划，不断引进吸纳废钢铁利用技术领域的创新人才。

（3）中国废钢利用技术领域排名前两位的专利权人是高校，因此应不断完善产学研用协同创新体系，加快推动废钢铁利用技术转移转化。