Изучение состава расплава KCl – AlCl₃ – ZrCl₄ – HfCl₄ применительно к экстрактивной ректификации хлоридов циркония и гафния

В 2021 г. в АО ЧМЗ введено в эксплуатацию производство высокочистой циркониевой губки для производства компонентов ядерного топлива. Одним из основных этапов производства является очистка циркония от гафния до остаточной концентрации менее 0.01 мас. %. Очистка осуществляется методом ректификационного разделения смеси тетрахлоридов циркония и гафния в расплаве KCl–AlCl₃. Опыт эксплуатации установки разделения тетрахлоридов циркония и гафния показал, что для определения эксплуатационных свойств расплава недостаточно знать содержание в нем K, Al, Zr, Hf.

В процессе эксплуатации установки расплав KCl–AlCl₃–ZrCl₄–HfCl₄ изучен комплексом независимых методов: рентгеновская дифрактометрия, восстановительное плавление в присутствии углерода, определение остаточного содержания циркония после отгонки летучих компонентов потоком инертного газа.

В замороженных плавах методом рентгеновской дифрактометрии определено содержание фаз ZrCl₄, K₂ZrCl₆ и AlCl₃ на фоне матричной фазы KAlCl₄. Установлено, что фаза KCl не образуется.

Изучено содержание ZrCl₄, AlCl₃ и K₂ZrCl₆ в расплаве на разных участках технологической схемы установки. Установлено, что в расплаве узла приготовления разделяемой смеси тетрахлоридов циркония и гафния, ректификационной колонны и испарителя присутствует ZrCl₄ и AlCl₃ или K₂ZrCl₆, в зависимости от избытка или недостатка AlCl₃ по отношению к KCl. В расплаве после десорбционной колонны ZrCl₄ и AlCl₃ отсутствуют, в ряде случаев обнаружен K₂ZrCl₆, причем его содержание коррелирует с содержанием Zr, определенного методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой.

В замороженных плавах установлено содержание рентгеноаморфной компоненты, которая содержит до 1.5 мас. % алюминия и до 3.5 мас. % циркония. Методом восстановительного плавления в присутствии углерода в замороженных плавах установлено содержание кислорода до 1.8 мас. %, который входит в состав рентгенноаморфной компоненты, предположительно состоящей из AlOCl и ZrOCl_².

Исследовано остаточное содержание циркония в пробах расплава после отгонки летучих компонентов потоком аргона при температуре 550°С при различном содержании AlCl₃. По результатам исследований разработана методика определения соотношения AlCl₃/KCl, основанная на различии в физико-химических свойствах компонентов расплава. Показано, что мольное соотношение Al/K, рассчитанное по массовым долям Al и K в расплаве, выше мольного соотношения AlCl₃/KCl, полученного по разработанной методике. На основе полученных результатов организована корректировка состава расплава при эксплуатации установки разделения хлоридов циркония и гафния в АО ЧМЗ.