Правда, доменный цех был невелик. Две печи работали на древесном угле и выплавляли всего 10 тонн чугуна в сутки. Но Павлова на заводе ждал приятный сюрприз - прекрасно по тому времени оборудованная химическая лаборатория. Здесь фактически началась его плодотворная научно-исследовательская деятельность. Остановилась одна из печей. Павлов добивается разрешения изменить ее профиль - увеличить диаметр горна и уменьшить размеры распара. Домна стала давать больше чугуна. Это была первая победа! Через год новая остановка печи для ремонта и новое увеличение диаметра горна. И опять производительность агрегата возросла. Наконец, Павлов в третий раз меняет профиль домны. Диаметр горна увеличился вдвое по сравнению с первоначальным. В 2 раза возросла и производительность печи, хотя полезный объем ее сократился. Уже не 600, а 1200 пудов чугуна в сутки стал давать усовершенствованный агрегат.

Накопленный опыт позволил молодому исследователю спроектировать и построить совершенно новую доменную печь. Она была задута в 1891 году и потом много лет давала качественный металл. Чертежи первой домны, созданной м. А. Павловым, вошли в его знаменитый «атлас чертежей по доменному производству», изданный в 1902 году и долго служивший металлургам настольной книгой.

Павлов продолжает работать над совершенствованием доменных печей Климовского завода. На это уходит несколько лет упорного труда. В 1894 году в «горном журнале» появляется статья «исследование плавильного процесса доменных печей» - первое теоретическое исследование на русском языке по тепловому балансу домен, работающих на древесном угле.

После четырех месяцев знакомства с металлургией Америки молодой ученый с 1896 года работает на Сулинском металлургическом заводе, где печи устаревшей конструкции реконструируются, усовершенствуется их арматура, увеличивается мощность воздуходувок.