築地反射炉
先の成功例が伝えられると、幕府も反応を示した。嘉永6年(1853年)黒船来航後の8月(同9月頃)、幕府は佐賀藩に、品川台場向けの鉄製大砲50門の製造を依頼した。これを受けた藩は、銃砲製造関係の既存施設があった多布施に新たな反射炉の増設を決定する。多布施反射炉(公儀石火矢鋳立所、こうぎいしびやいたてしょ)は安政元年3月27日(1854年4月24日)に操業を開始した。
安政2年(1855年)7月最初の納入では、完成した大砲16門を輸送中、暴風雨により輸送船2隻中1隻が大砲と共に沈没する災難もあった。安政6年(1859年)までに50門を幕府に納入し、そのうち42門が品川台場に配備された。
多布施反射炉は、安政6年11月(1859年12月頃)まで操業したことが分かっている。また、築地反射炉は遅くとも、安政4年7月(1857年8月頃)には操業を停止していたことが分かっている。操業を終えるまでの約9年間、鋳造が完了しなかったものや鋳造後破裂してしまったものを含めて、計138門の鉄製大砲を鋳造した。また、特に長崎の砲台に早期に必要な分などは鉄製大砲では間に合わないため青銅砲で補っており、両反射炉では青銅砲も鋳造した。鉄の大砲と青銅砲を合わせると、300門近くを鋳造したとされている。
なお、1858年にはオランダから圧延機を輸入して使用した記録がある(日本最初の圧延機)。この圧延機をはじめとした設備類は、後に一度幕府に献納され、明治政府に移管、明治4年(1871年)に久留米に開設された赤羽製鉄寮(のちの赤羽工作分局)に引き継がれた。
築地反射炉は、試験炉として初期は部分操業を行いつつ、実用炉を目指して徐々に整備されていった。形式としては連装2基4炉で、4炉はL字型に配置された。水車動力を必要としたため、天祐寺川沿いに設けられた。一方の多布施反射炉は、当初より実用炉として整備された。こちらも連装2基4炉だが、配置はH字型であった。また、こちらも同様に多布施川沿いに設けられた。
反射炉の操業と大砲の製造には多額の費用がかかった。ある年の佐賀藩の財政を見ると、大砲・火薬・弾の製造費用が年間歳入の4割にも上った記録がある。このような出費を可能にしたのは、鍋島直正が幕末に行った藩政改革により藩の財政が好転していた成果だと見られている。
当時参考とされたのは、オランダのヒュゲーニン(Ulrich Huguenin)による技術書『ロイク王立製鉄大砲鋳造所における鋳造法(Het Gietwezen in's Rijks Ijzer - geschutgieterij te Luik)』である。この書は高島秋帆の手により1836年頃初めて日本に輸入されたとされるが、翻訳は行われていなかった。直正はこの翻訳を命じ、藩の蘭方医であった伊東玄朴とその弟子杉谷雍介、池田才八によって訳本『銕砲全書』が著された。この訳本が完成したのは嘉永2 - 3年(1850 - 1851年)頃と考えられている。また同時期に手塚律蔵訳の『西洋鉄熕鋳造篇』、嘉永5年(1853年)に金森建策訳の『鉄熕鋳鑑』がそれぞれ別に著されている。
実は、『ロイク王立製鉄大砲鋳造所における鋳造法』に記されている手法は、まず鉄鉱石を溶鉱炉で溶かして銑鉄を作り、それを反射炉で再溶解して砲身を鋳造し、それから鑚開台で砲腔を空けるというものであった。しかし、日本でこれを読んだ者の多くは、原料は、砂鉄を原料とする日本在来のたたら製鉄で十分だろうという認識であったため、反射炉の築造が焦点となった。ちなみに、そのような中で南部藩の大島高任は当初から溶鉱炉の必要性にこだわり、釜石・大橋において日本初の高炉の本格操業に漕ぎ着けている。