Kesselstein entsteht durch Kalkausfall (Calciumkarbonat) an der Oberfläche, die das Kesselwasser von der Brennkammer trennt. Dort "brennt" sich der Kalk durch die hohe Temperatur (160 bis 270 °C) an der Kesselwandung oder Wärmetauscherwandungen von direktbeheizten Gasgeräte (DLE, Speicher) fest. Der "Kesselstein" entsteht auch an den elektrischen Heizwiderständen von elektrischbeheizten Durchlauferwärmer oder Heizpatronen in Speichern für die Trinkwassererwärmung.
Außerdem befindet sich dort auch ständig eine Schicht mit Mikroblasen.
Im Wasser befinden sich, abhängig von der Wasserhärte, Erdalkalimetalle (Calcium, Magnesium) und die an den Erdalkalimetallen gebundene Kohlensäure, die bei ansteigender Wassertemperatur ausfallen. Bei der Kalkausfällung wird die Kohlensäure, welche die Salze in Lösung hält, ausgetrieben. Der Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtszustand ist nicht mehr vorhanden.
Der Kesselstein an den Wärmeübertragungsflächen führt zu einer behinderten Wärmeabgabe bzw. Leistungsminderung.
Kesselstein hat eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (gipshaltiger Kesselstein 0,5 bis 2,3 W/mK und silikatreicher Kesselstein 0,08 bis 0,18 W/mK). Diese dämmende Kalkschicht auf den Trennwandungen von der Brennraum zum Wasserraum führt zu einer lokalen Temperaturerhöhung. Da sich der Werkstoff an den überhitzen Flächen stärker ausdehnt, kann dies zu Rissen besonders an Schweißnähten führen. Besonders Dampfkessel, die ständig mit unzureichend aufbereitetem Kessel-(Speise)wasser betrieben werden, sind sehr anfällig.
Die Wasserrohre in Wasserrohrkesseln und Schnelldampferzeugern können so weit mit Kesselsteinablagerungen zuwachsen, dass dadurch die Kühlung der Wandung fehlt, was zu einer hohen Wandtemperatur führt. Die betroffenen Bauteile können aufgrund der Druckbeanspruchung im Kessel einbeulen oder eindellen und letztendlich zum Abplatzen der Kalkschicht und zum Zerplatzen des Kessels (Kesselsteinexplosion) führen.
Im Gegensatz zu den alten Walzen- und Flammrohrkesseln können die modernen Dampfkessel (Flammrohr-Rauchrohrkessel) mit hohen Feuerungswirkungsgraden durch Kesselsteinablagerungen bereits nach kurzer Betriebszeit geschädigt werden. Deshalb müssen diese Kessel mit aufbereitetem Kesselspeisewasser (Enthärtung) betrieben werden (z. B. Abschnitt 3 TRD 611 - Technische Regeln für Dampfkessel - Betrieb Speisewasser und Kesselwasser von Dampferzeugern der Gruppe IVRD 611).
Da ein
Belag von
Kesselstein (
Verkalkung) und eingebranntem
Rostschlamm (
Magnetitschlamm) an der
Wandung von dem
Kesselbrennraum zum
Wasserraum ein
schlechter Wärmeleiter ist und dadurch den
Wärmeübergang aus der erhitzten metallischen Kesselwand in das Kesselwasser
behindert, kann eine sog. "
Kesselsteinexplosion" entstehen. Die mit Kesselstein und
Magnetitschlamm
belegte Wandung ist
heißer als eine
unbelegte Wand.
Platzt der angelagerte Belag aufgrund
thermischer Spannungen ab, kommt
Wasser die heiße Metallwand und
verdampft explosionsartig (aus einem Liter
Wasser entstehen ca. 1.700 Liter
Dampf). Da das
Sicherheitsventil die schlagartig entstehende
Dampfmenge nicht schnell genug ableiten kann,
zerreißt der
Überdruck den
Kessel vor allen Dingen an Schweißnähten. Da bei der entstehenden
Druckabsenkung zusätzlich
Dampf erzeugt wird, entsteht neben der
Druckwelle auch eine
Verbrühungsgefahr im
Heizraum.