一八七〇年，清政府责成直隶总督北洋大臣李鸿章负责筹划天津机器局的扩建。在李鸿章的主持下，天津机器局进行了五次大规模的扩建：
一八七三年第一次扩充。这年四月，新购的四架西洋药碾到齐，又添购各式机器十余台，建成第二座碾药厂和新建的机器房，又动工修建第三、第四座碾药厂。原设在海光寺西局的铸铁厂也移并东局本厂。另外，还在蒲口地方购地五十九亩，建成洋式药库三座。这一期间共修建厂库二百余间，增筑护堤一千余丈。到一八七四年（同治十三年），第三、第四碾药厂先后开碾，淋硝、磨磺、烧炭等部门，也各就原厂房增添器具，提高产量，以供应四个碾药厂的需要。[9]
第二次扩建在一八七五年，修建了一座制造饼药的新厂，装置了新购到的六角藕饼药机器，专门制造后膛钢炮所用的饼药。
同时，把原机器房分出一半，为洋枪厂。添购了制造林明敦枪及中针枪子的机器，并添设捲枪炉房。又把原铜帽房分出一半，为枪子厂，并添设烤铜装药房，制造枪弹。此外，还添设了硫酸厂、轧铜厂和配造拉火的新厂。[10]
至此，天津机器局初具规模，开始正式生产。〔注三〕
第三次扩建在一八七六年（光绪二年）。这年四月，添设电气水雷局，“制成各种水雷，历赴海口演试，应手生效”。一八七九年（光绪五年）添设提磺厂，压药房，又设分药、切药等房。一八八一年（光绪七年）添设淋硝厂一座。一八八二年（光绪八年）增建硫酸厂一座，有铅房六间。又在韩家墅勘建新药库一座。[11]
第四次扩建在一八八七年（光绪十三年），兴建了一座制造栗色火药的工厂。由外国技师约士（Herr Jauss）设计，总工程师司图诺负责安装。据当时外国记者报导，这个工厂是“以最新式的机器制造最新式的火药”，完工以后，“将成为世界上最大最好的火药厂”。[12]
第五次扩建是从一八九一年（光绪十七年）开始筹备，为了制造新式长炮弹的需要，增设一座炼钢厂。从英国新南关机器公司（New Southgate Engineering Co.）购买全套西门子马丁炼钢法的最新设备，又从英葛来可力夫厂订购一座铸钢炉，从格林活厂订购了水力轧钢机和十吨起重机。一八九二年兴建，一八九三年开工投产。[13]
天津机器局的主要产品是火药。从一八七六年（光绪二年）正式生产以后，每年产量六十余万磅〔注四〕。一八八一年新建的栗色火药厂开工投产，产量增高到一百多万磅。
其次是枪弹和炮弹。所造林明敦、士乃得枪子每年约一百万颗，截至一八八〇年，共造八百余万颗。炮弹主要有两种：前膛开花炮弹每年六万余个，后膛来福镀铅大炮弹每年五、六千个，一八七九年最高达九千余个。一八七九年以后，每年造水雷（一千磅、七百磅、五百磅等）数百个。(www.xing528.com)
曾小规模试造林明敦中针后门枪，每年二、三百杆，由于造价过高，一八八〇年以后停造。
除此之外，天津机器局还试造了一艘“直隶”号挖泥船，一艘吃水十五英吋的小火轮“仙航”号。一八八〇年“造成行军桥船一百三十余只，百丈之海顷刻布成平地”。一八八一年造成海口布雷用的一百三十匹实马力七丈螺轮船二只。一八八〇年试造了一艘“水底机船”。〔注五〕
机器局还负责为北洋水师修配船舰和舰上的武器装备，为招商局修配轮船等。
机器局每年制造硫酸、轧制铜片数十万磅。自己制造各种机器车床等。
总之，天津机器局在制火药、造枪炮、修造船舶、制造机器等方面已具有相当规模。
天津机器局的全部经费开支和采购原材料的用费，完全由清政府拨付。从一八六七年到一八九一年，由崇厚、李鸿章两人经手报销的开支经费共达六百六十余万两。〔注六〕
这笔巨额的经费开支，是由津海关、东海关两关的四成洋税（包括招商局轮船税）拨充的。以后因税收减少，开支加大，又增拨户部筹边饷银数万两，北洋海防经费协款十万余两，各省划还军火等价银十万余两。这笔经费占去清政府财政支出的相当大一部分。[14]
天津机器局虽然装备了近代机器设备，采用了当时的先进技术，经常雇用两千多工人，进行大规模的军火生产，但从性质上看，它是两千余年来封建官府工业的直接继承者。它不从事商品生产，不参加交换，不为谋取利润，不是资本主义企业。
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