在循环冷却水系统中，水垢是由过饱和的水溶性组分形成的。水中溶解有各种盐类，如碳酸氢盐、碳酸盐、硫酸盐、氯化物、硅酸盐等，其中以溶解的碳酸氢盐如Ca（HCO₃）₂、Mg（HCO₃）₂最不稳定，极容易分解生成碳酸盐。因此，当冷却水中溶解的碳酸氢盐较多时，水流通过换热器表面，特别是温度较高的表面，就会受热分解，其反应如下：

当循环水通过冷却塔，溶解在水中的CO₂会逸出，水的pH值升高，此时，碳酸氢盐在碱性条件下也会发生如下的反应：

Ca（HCO₃）₂＋2OH→^－CaCO₃↓＋2H2O＋CO^2－₃

如水中溶有适量的磷酸盐与钙离子时，也将产生磷酸钙的沉淀：

2PO^3－₄＋3Ca→^2＋Ca₃（PO₄）₂↓

上述一系列反应中生成的CaCO₃和Ca₃（PO₄）₂等均属难溶性盐，它们的溶解度比起Ca（HCO₃）₂来要小得多。同时，它们的溶解度与一般的盐类还不同，其溶解度不是随着温度的升高而加大，而是随着温度的升高而降低，属反常溶解度的无机盐。如CaCO₃的溶度积为：20℃为5.22×10^－9；25℃为4.8×10^－9；40℃为3.03×10^－9。水温升高更易饱和。因此，在换热器传热表面上，这些难溶性盐很容易达到过饱和状态而从水中结晶析出，尤其当水流速度小或传热面较粗糙时，这些结晶沉淀物就会沉积在传热表面上，形成了通常所称的水垢。由于这些水垢结晶致密，比较坚硬，又称之为硬垢。常见的水垢成分有：碳酸钙、硫酸钙、磷酸钙、镁盐、硅酸盐等。