풍력발전기 부품소재로의 채용기회

회주철보다 탄력계수가 크고 브리넬경도 200을 보이는 구상흑연주철
구상흑연주철이란 보통 주철의 조직에 나타나는 흑연을 내충격에 약한 엽편상에서 강한 구상으로 변화시켜 강인성을 향상시킨 주철을 말한다. 1947년 H. Morrogh 등은 인과 황이 적은 주철 용탕에 소량의 세륨을 첨가 처리하면 흑연이 구상화되는 것을 발견하였다. 거의 같은 시기에 미국에서도 마그네슘 처리를 하면 구상화흑연이 생성되는 것을 발견하였다. 그 후 칼슘, 규소 등을 첨가 처리하여도 흑연이 구상화되는 것이 알려져 실제 생산에 이용되고 있다. 1cm²당 50~70kg/mm²의 인장강도를 가지면서 10~20%의 연신성이 잇어 강인성이 요구되는 각종 기계부품, 수도관, 롤러 등에 널리 사용된다. 회주철보다 탄력계수가 크고 브리넬 경도도 200 정도나 되며 절삭성도 같은 경도의 일반 주철보다 좋다.

 
한편, 오스템퍼드 구상흑연주철(austempered ductile cast iron)은 구상흑연주철을 오스템퍼링 처리해 제조하기 때문에 기지조직인 베이나이트 조직 외 비교적 많은 양의 잔류 오스테나이트 조직을 지니고 있다. 이러한 이유로 단조강에 필적할만한 높은 강도와 우수한 인성을 지니고 있으며 복잡한 형상의 부품도 제조가 용이해 자동차 부품 및 산업기기 부품 등에 폭넓게 사용되고 있다. 구상흑연주철은 산철, 고철 등을 큐폴라나 유도로를 사용해 용해한 후, 탈황, 구상화처리, 주입의 공정을 거쳐 제조된다.

 
세계 생산량은 2008년도를 기점으로 감소했으나, 중국생산량에 힘입어 2012년부터는 증가 추세
세계 구상흑연주철의 생산량은 2008년까지는 매년 증가세를 보이다가 2008년도 23,841,444톤을 기점으로 감소했으며 2009년도에는 생산량이 19,939,470톤에 이르렀다.
2011년도에도 일본 지진 영향으로 감소가 예상되지만 중국의 생산량이 급속도로 늘어나고 있어 2012년부터는 다시 증가할 것으로 예상된다. 한편 우리나라는 자동차 산업의 호조에 힘입어 지속적인 증가세를 보이고 있다. 세계 주요 구상흑연주철 생산국의 최근 5년간 생산량 추이를 살펴보면 중국은 2005년 5,838,753톤에서 2009년 8,7000,000톤으로 연평균 10.5%의 증가율을 보이고 있는 반면 미국은 12%의 감소율을 보이고 있다. 그 외에도 러시아와 인도는 약한 증가세를, 일본과 독일은 감소세를 나타내고 있다.

우리나라 구상흑연주철 생산량은 전체 주물 생산량의 28.50%정도
우리나라 구상흑연주철 생산량은 전체 주물 생산량의 28.50% 정도이다. 전체 주물을 용도별로 살펴보면 자동차용이 58.01%, 산업기계용, 공작기계용, 가공기계용, 토목건설용이 각각 7.76%, 8.59%, 2.24%, 7.54%를 차지하고 있다.

2010년도 용도별 업체평균 생산량 중 토목건설용, 농기계용은 감소추세를 보였고 자동차용, 산업기계용, 공작기계용, 가공기계용, 전기통신용, 중장비용, 기타의 대부분의 품목에서 2009년도에 비해 증가추세를 보이고 있다. 우리나라 주철 주물 생산업체는 200여개 업체 정도이며 그 중에 상당수의 업체가 구상흑연주철 주물을 생산하고 있다. 구상흑연주철은 자동차 산업의 호조에 힘입어 자동차 경량화에 따라 일부 부품이 알루미늄합금, 마그네슘합금 등으로 대체되고 있음에도 불구하고 전체 주철생산량 대비 구상흑연주철 생산량 비율이 2005년도 32%에서 2009년 33%로 약간 높아졌다.

구상흑연주철의 생존전략은 경량화와 새로운 수요개발(풍력발전기 부품소재)에 있다.
구상흑연주철은 국가마다 약간의 차이는 있지만 자동차가 60% 전후를 차지하며 산업기계 수요가 15% 전후를 차지하기 때문에 자동차 생산대수에 큰 영향을 받는다. 최근 자동차는 지구환경보호를 위한 수소, 에탄올 연료차, 전기자동차, 하이브리드차의 개발이 이루어지고 있으며 고원유가 영향으로 소비자의 관심이 경자동차, 소형차로 옮겨 가고 있다. 다라서 구상흑연주철 부문에서도 두께를 얇게 하는 등의 경량화와 함께 새로운 수요 개발이 향후 생존에 필수적이다. 향후 새로운 수요처로 가장 유력한 후보 중 하나가 풍력발전기 부품이다. 풍력발전기는 해안이나 고원 등 풍량이 풍부한 곳에 설치한다. 풍력발전기의 가동 환경은 매우 가혹하기 때문에 풍력발전기에 사용하는 부품은 강도가 높고 저온 내충격성이 우수한 소재로 설계된다. 덴마크, 노르웨이, 미국 등 풍력발전기 분야 기술선진국의 터빈 설계 자료에 따르면 풍력발전기의 로터시스템(허브, 블레이드 어댑터, 베어링), 샤프트, 터빈프레임, 기어박스 등에 구상흑연주철이 사용되며, 사용량은 풍력 발전량 단위 MW당 평균 13.5톤 정도이다.

 
세계 풍력발전 설치용량은 1996년에 6,100MW에서 2009년에 115,254MW로 증가했다. 2009년 풍력발전용량은 유럽이 전 세계의 55%로 약 63,889MW이고 미국이 24%, 아시아 국가가 약 17%를 차지하고 있다. 유렵의 풍력발전은 2020년에 180,000MW로 증대될 전망이다.

2008년도 풍력발전기용 주조제품의 시장은 646,500톤이고 2012년에는 917,000톤으로 증가할 것으로 예상돼 향후 수년간 신규 생산설비의 증가가 없으면 2012년부터 공급부족 현상이 나타날 것으로 전망된다(BMT Consult 2008). 우리나라는 현재 풍력발전이 차지하는 비율이 전체 전력수요량ㄹ의 0.1% 정도이나 향후 2012년까지 2,250MW까지 확대하는 것을 목표로 하고 있으며 이곳에 사용될 구상흑연주철은 24,200톤 정도에 이를 것으로 추산된다.

세계 10대 풍력발전기용 주조제품 제조업체는 덴마크의 Vestas Casting Group A/S, 독일의 Eisengiesserei CHL Torgelow GmbH, Meuselwilz Guss, 이탈리아의 Fonderia Viegevanese, 중국의 Ningbo Yeong-Shang Casting Iron, Ningbo Riyue Foundry Co. Ltd, Hangzhou Sound Foundry Co. Ltd, 인도의 Patel Alloy Pvt. Ltd이다(BNT Consult 2008).

 
부경대학교가 중소기업기술혁신사업의 지원을 받아 풍력발전용 후육 구상흑연주철에 관한 연구를 수행한 바 있으며 유니슨은 최근 750kW급 Geared 및 Gearless type의 국내 보급형 중․ 대형 풍력발전기 국산화 개발을 정부 주도 과제로 진행시켜 로터리 허브(EN-GJS-400-18U-LT)를 구상흑연주철로 제작했다.
아시아 국가로는 중국이 5개사, 인도가 1개사인데 반해 우리나라는 아직 그 수준에 미치지 못하고 있다. 다라서 대규모 풍력발전 설비 건설을 구상흑연주철 산업 도약의 계기로 만들기 위해서는 보다 적극적인 연구개발과 설비투자가 뒷받침 되어야 할 것이다.

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