Schlackologie – Analyse von Schlacken

Bastian Asmus
Verschieden Schlacken der mittelalterlichen Kupferverhüttung am Rammelsberg im bei Goslar.

Slag samples of a medieval (12th century) copper smelting furnace.
Top left: #21, XPL. Under crossed polarisers the zinc sulphide can be seen as tiny dendrites within the glassy matrix. The other phases are willemite (wlm) and copper (Cu), which is usually asso ciated with the (Zn,Fe,Cu)S phase, an accompanying phase of copper matte at the Huneberg, from which it probably segregates upon solidification. Free iron oxides are seen as dark and much larger dendrites.
Top right: Another section of #21, under plain polarised light. It shows the abundant spinels, the iron oxides and copper inclusions. Most notably it shows the free baryte (brt) inclusion in the slag matrix.
Bottom left: #22, shows more free baryte (brt), together with a lead antimony matte. The long needles are a mixed iron and zinc oxides and are believed to be franklinite (frk?). #104, is rather more affected by corrosion than the other two samples. It shows mainly spinel (sp), free iron oxides and some willemite (wlm). Spinels are in the same order of magnitude than in the other samples.

Dieser umgangssprachliche Begriff wird von einigen Kollegen in den archäometrischen Disziplinen verwendet, wenn es um die Analyse und Interpretation von meist metallurgischen Schlacken geht. Aber, warum werden Schlacken überhaupt untersucht und was genau sind Schlacken eigentlich?

Was sind Schlacken und woraus bestehen sie?

Gemeinhin werden Schlacken als diejenigen Neben- und Beiprodukte der Metallurgie bezeichnet, die aufgrund ihrer vermeintlichen Wertlosigkeit am Produktionsort verbleiben. Metallurgische Schlacke ist in der Regel aus fünf Einzelbestandteilen zusammengesetzt:

Schema eines Schmelzofens, dessen Chargenbestandteile und der Endprodukte: Metall und Schlacke.

Die Rohmaterialien die zur Schlackenbildung beitragen sind Erz, taubes Gestein, Brennstoffasche, Ofenbaulehm und u.U ein Flussmittel (Asmus 2012).

  • Erz
  • Ganggestein (als Erzbegleiter)
  • Brennstoffasche
  • Ofenbaumaterial
  • Schlackenbilder/Flussmittel

Ob und inwieweit das Flussmittel oder der Schlackenbildner intentionell zugesetzt lässt sich meist erst gegen Ende der archäometallurgischen Untersuchung ermitteln. Es gibt aber Erze die den Schlackenbildner als Bestandteil im tauben Gestein bereits mitbringen.

Schlacken werden oft in großen Mengen an Verhüttungsplätzen gefunden und belegen den Umfang der damaligen Produktion. Aufgrund der großen Mengen werden Schlacken auch bei archäologischen Grabungen oft nur als Proben aufgenommen.
Schlacken können in ihrem Aussehen von glasig bis blasig, von kompakt bis schaumig und von homogen bis heterogen variieren, sind von der Farbgebung aber meistens schwarz, braun oder grau. In einigen Fällen kann es aber auch grüne oder blaue Schlacken geben. Eine makroskopische Unterscheidung zwischen Verhüttungsschlacken, Ofenschlacken, Schmiedeschlacken oder verglastem, sog. vitrifiziertem Ofenbaumaterial ist nicht immer möglich, und bedarf weiterer Untersuchungen.

Schlacken können unterschiedlich erscheine, doch chemisch identisch sein.

Verschiede Kupferverhüttungsschlacken.

In aller Regel bestehen die Schlacken aus Silikaten, also Verbindungen bei denen Kieselsäure zur Bildung notwendig ist. Bei stark überwiegenden Teil der archäologisch fassbaren Schlacken sind diese aus dem SiO2 – FeO – Al2O3 System, die ein ganz besonders niedrig schmelzendse Silikat, den Fayalit Fe2SiO4 als Hauptbestandteil besitzen. Hierbei ist es egal ob es sich um Eisen – oder sulfidische Kupfererzverhüttung handelt. Daneben kommen in der Schlacke, je nach Beherrschung des Verhüttungsprozesses auch noch die Einschlüsse der Ausgangsmaterialien und/oder der Zwischenprodukte wie beispielsweise dem Stein vor.

Warum untersucht man Schlacken?

Es gibt eine Vielzahl von Prozessen bei denen Schlacken entstehen. Oben wurden schon einige genannt. Um zu belegen welcher Tätigkeit an einem Fundplatz nachgegangen wurde können Schlacken untersucht werden. Anhand ihrer Phasenbestandteile und ihrer chemischen Zusammensetzung lassen sich sich die Bildungsbedingungen der Schlacke rekonstruieren, Mit den Schlacken stehen uns also „Fahrtenschreiber“ chemischer, pyrotechnologischer Prozesse zur Verfügung, die wir auslesen und interpretieren können.

Welche Informationen können wir den Schlacken entlocken?

Einzelne Phasen innerhalb der Schlacke bilden sich unter physikalischen Bedingungen wie Druck, Temperatur und Atmosphäre Ofen (der sogenannte Sauerstoff-Partialdruck oder Sauerstofffugazität). Diese physikalischen Bedingungen ändern sich nicht im Laufe der Zeit. Fayalit bildet sich heute unter den gleichen Bedingungen wie vor über 2000 Jahren. Die Variabilität der Schlacke ist ein Ergebnis der chemischen Verbindungen, die während Schlackenbildung im Ofen vorhanden sind. Wir können diese Bildungsbedingungen durch die Untersuchung der Phasenzusammensetzung der Schlacke rekonstruieren. Die chemische Zusammensetzung, oder vielmehr die pauschalchemische Zusammensetzung wird verwendet, um Fragen im Hinblick auf die Art der Ofencharge beantworten wie: Welche Erze wurden verwendet? Gab es eine absichtlich zugesetzte Flussmittel? Woher kommen Ofenbaulehm/Ton und andere Rohstoffe?

Wie wird Schlacke untersucht?

Schlacke aus einer Reihe unterschiedlicher Blickwinkel untersucht, und das sind keineswegs nur naturwissenschaftliche Untersuchungen eines Schlackenfragment.Von zentraler Bedeutung sind auch die Kenntnis des archäologischen Kontexts des Funds, sowie die Befundlage. In meiner Dissertation lieferte die archäologische Auswertung die entscheidenden Hinweise zum Verständnis des ganzen Verhüttungsprozesses!

Die wissenschaftliche Analyse beginnt mit der Dokumentation und Beschreibung der makroskopischen Erscheinung. Der nächste Schritt ist die optische Untersuchung mit einem Stereomikroskop, welche die Probenvorbereitung für die Licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen vorbereitet. Mit der Polarisationsauflichtmikroskopie, die auch als Erzmikroskopie bezeichnet wird, können eine Unmenge an Informationen gesammelt werden, die auch mit der modernsten naturwissenschaftlichen Untersuchungsmethode nicht ersetzt werden können, u.a.:

Korrosion von Schlacken

Bildausschnitt; 1mm, PPL. Diese Mikrographie zeigt eine Schlacke die äußerlich korrodiert ist. Der Rand der Probe erscheint dunkler, dies ist der angegriffene Bereich.

  • allgemeinen Erhaltungszustand
  • Textur
  • Anzahl der vorhandenen Phasen
  • Identifizierung der Phasen

Nach diesem Schritt können  Proben mittels Elektronenmikroskopie, wie z.B. der Rasterelektronenmikroskopie, der Elektronenstrahlmikrosonde oder andere mikroanalytischen Geräten, die uns mit Informationen, die zur Identifizierung der Schlacke führen Phasen geprüft werden.

Ein paralleler zu verfolgender Ansatz ist die Bestimmung der pauschalchemischen Zusammensetzung der Proben, da dies Informationen benötigt wird, um die chemische Wechselwirkung zwischen den einzelnen Ofencharge zu verstehen. Diese Analysen können  mit Röntgenfluoreszenz oder Massenspektroskopie durchgeführt werden. Es hat sich als Vorteil erwiesen die Proben zunächst mit optischen Mitteln  untersuchen: Proben die durch Korrosion und damit chemischer verändert sind, können somit von der Analyse ausgeschlossen werden.

Wie unterscheidet man Schlacken?

Schlacken können letztendlich nur durch ihre Chemie und die Phasenzusammensetzung sicher unterschieden werden. Eine makroskopische Ansprache und Identifikation mag auf regionaler Ebene und mit Kenntnis der archäologisch nachweisbaren Prozesse einigermaßen erfolgversprechend sein, wird aber bei überregionalen Vergleichen zu Fehlinterpretationen führen.

Weiterführende Links:

Lesen Sie auch meine englischsprachigen Beiträge zur Schlackemikroskopie

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