卡內基越過大西洋來到歐洲進行了長達半年多的旅行和考察，此行收獲頗豐。他買下了道茲兄弟的鋼鐵製造法的專利和焦炭洗滌還原法的專利，為事業擴展奠定了技術基礎。回到美國後卡內基幹勁兒十足，他建造了世界上最大的熔礦爐，開始了鋼鐵事業。
卡內基的成功除了好學、勤奮、具有經濟的頭腦和高瞻遠矚的視角外，還有一點尤為重要，那就是他相信科學。無論是企業的管理，還是工廠的生產；無論是項目的最初設計，還是最終實施，科學的理念自始至終貫徹著他所經營的各項事業。19世紀60年代起，美國的鋼鐵生產經營極為分散，從采礦、煉鐵到最終製成鐵板等成品，中間需經過許多廠家，其中加上中間商在每個產銷環節的層層加碼，致使最終產品的成本居高不下。卡內基深知傳統鋼鐵企業的這些弊病，他決心建立一個麵目全新的，包括整個生產過程的供、產、銷一體化的現代鋼鐵公司。到了19世紀70年代，他意識到，鋼鐵時代已經來臨了。
橋梁製造廠由於架橋的需要，都是生產鍛鐵，這是一種含碳量少的精製鐵。後來，卡內基決心開始製造銑鐵，這是一種粗製鋼鐵，是製鋼的原料。1870年，他們建立了一處熔礦爐，以卡內基弟弟湯姆的妻子的名字命名，稱為露西爐。這座熔礦爐高22.5米，像一個高大的怪物聳立在匹茲堡。建立露西熔礦爐耗費了一筆龐大的資金，超出預算兩倍，很多投資者都提心吊膽，生怕把老本賠進去，當時有位業界的前輩就曾勸告他們應該延期展開這一事業。
那一時期的美國對利用化學方法可以製造銑鐵一無所知，事實上，再也沒有比製鐵更需要利用化學技術的了。那時候熔礦爐的技術員都是靠感覺來判斷爐內的情況。卡內基聽說當時的歐洲全都采用化學方法製鐵，於是，他想在自己的工廠進行實驗，他聘請一名德國學者，由他檢驗買進的礦石、石灰石和焦炭的品質。結果他們發現過去一直被評為品質優良的礦石竟是含鐵量極少的廢物，相反，過去被認為是廢料的礦石卻是純度極高的良質礦石。好壞的價值完全顛倒了，還有很多情況也是一樣，科學技術的引進顛覆了很多他們舊有的錯誤觀念。由於化學知識的改進，從此，銑鐵製造工程逐漸走出了無知的黑暗。
但是化學方式製鐵容易使熔礦爐發生故障，因為用優良的礦石取代了過去的廢料，優質礦石中所含的成分也隨之倍增，要熔化其中的成分，必須投入大量的石灰石，而落後的設備無法承受新的優質材料，以致熔爐逐漸無法負荷。
所幸隨著時間的流逝，這些初期遭遇的難題都迎刃而解了。熔礦爐每天可生產100噸的銑鐵，生產量竟出乎所有人的意料。這種產量在全世界是一項空前的奇跡，而他們一直保持著這個紀錄，有很多人慕名前來參觀，他們也都感到十分驚訝。科學的經營方法終於使他們超越了那些一直抱著陳舊思想而不求改善的製鐵工廠，露西熔礦爐也就此成了卡內基事業中最有力的部分。
1872年，他們又建造了另一座熔礦爐，建造費用比起第一座熔礦爐經濟得多。從此以後，他們便以低廉的價格買進其他製鐵工廠摒棄不用的“低純度”礦石，再利用科學技術，變魔術般地把它們製成品質優良的銑鐵。
卡內基還買下了一座在當時人眼裏毫無價值的礦山。根據卡內基手下技術人員的化學分析，得知這裏的礦石硫磺含量少、矽含量多，隻要適當地熔化，就可以製造品質最優良、含鐵量最豐富的罕有產品。這個結果讓這座原先一度被廢棄的礦山一夕之間聲名大噪，卡內基也因此獲利。
長期以來，卡內基一直忽略了英國貝西默先生發明的周轉爐（可以旋轉、倒轉的爐）製鋼法。鋼這種東西比鐵硬，而且富有彈性，用途非常廣泛。如果貝西默的製鋼法能夠普及，鐵的時代就會成為過去，而由鋼取代它的地位。卡內基有一位朋友約翰·賴特先生，他比卡內基更早注意到這件事，便曾專程到英國和貝西默簽訂契約，而建造了新的熔礦爐。這是非常正確的判斷，不過當時貝西默製鋼法還是屬於試驗期間，無法生產預期的製品，同時費用也很龐大，結果約翰·賴特失敗了。
卡內基看到這種情形，也就不急於馬上采用貝西默製鋼法，而開始製造鐵與鋼的中間產品，也就是製造硬頭鐵軌。硬頭鐵軌就是直接和車輪摩擦的部分，是以特殊方法製成以保持硬度。當時不僅是賓州鐵路，其他很多鐵路公司也都被迫更換鐵軌，而且事態非常緊迫。因為在某地的轉彎處，每隔六周就必須抽換一次新軌，最長也不得超過兩個月，不但費用龐大，而且也很麻煩。因此卡內基決定到英國去一趟，買下了道茲兄弟的專利權，他的發明是把鐵軌頂部加以碳化，以減少損耗。卡內基回來以後就在他們的製鐵工廠旁邊另外建造了一座熔礦爐，把賓州鐵路數百噸的鐵軌加以碳化處理，製成硬頭鐵軌。他們把硬頭鐵軌安裝在一些急彎的鐵道上，進行實驗觀察，結果證明其耐久力相當強，的確是一項重要的發明。