水垢形成是一个复杂的物理化学过程。这个过程分为两步：第一步为水烧开或加热（60℃～70℃以上）后，一部分水蒸发了，水中钙镁盐类物质浓度逐渐升高达到过饱和状态，并从水中析出；第二步为结晶的钙镁盐类物质在受热面上形成各种不同密度和不同成分的固体附着物水垢或悬浮在溶液中成为水渣。
       成为水垢还是成为水渣不仅取决于它们的化学成分和结晶状态，而且还与析出的条件有关。如在省煤器、给水管道中，水中析出的碳酸钙常常结成坚硬的水垢。而在锅炉的受热面中，如果水的碱度较强，又处于剧烈的沸腾状态，则析出的碳酸钙常形成海绵状的松软水渣。 硬水中钙镁盐类物质的饱和指数如果未超过或正好在饱和的临界点上，就不会有水垢生成。同样，在软水中如果超出了饱和指数也会产生水垢。
      饱和指数由水的PH值（酸碱度）决定。PH值越低，水中的酸性越强（热泵热水器），饱和指数越高，所能溶解的矿物质成分也就越多；PH值越高，水中的碱性越强，饱和指数越低，所能溶解的矿物质成分也就越少。对水加热、水压降低（如打开水龙头等）、在水中添加化学品剂等都会导致PH值升高。 
      最初所形成的过饱和状态溶液很不稳定（空气能热水器），开始时是在过饱和溶液中盐类结晶核心上，极小的微粒逐渐长大成颗粒，最后形成粗结晶体或絮状的水垢或水渣。形成水垢或水渣，不仅与盐类物质的化学成分有关，而且还取决于盐类杂质和受热面之间物理化学因素。如果金属受热面粗糙并有凸起时，便会在过饱和溶液产生固态的结晶核。金属受热面氧化层有相当大的附着力，它可成为金属壁与析出结晶沉淀物的粘结中间层。因此，金属表面粗糙或覆盖一层氧化物时，盐类杂质沉淀出来将主要成为水垢；相反在光洁的受热金属面上，则多呈水渣。

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