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到20日23時，開封戰役已近尾聲，隻剩下教養院、龍亭等尚未解決，殘餘之敵還在拚命抵抗。原來在開封戰役打響後，蔣介石立即飛鄭州、西安、徐州等地開會督陣，一麵電令開封守軍與城共存亡，固守待援，不準突圍；一麵速調七十五師、八十三師、五軍、十八軍等部增援開封，以便對攻城部隊進行反包圍。這時，蔣的各路援軍在蔣介石的嚴令督促下逼近開封，連遠在百裏、數百裏之外的蘇中、蘇北、淮南、山東的八十三師、七十二師、二十五師、六十二師也都拚命趕來。6月21日，開封守敵已隱約聽到增援部隊的炮聲，因此更加瘋狂頑抗，夢想逃脫被殲厄運。教養院是龍亭東麵的重要衛星陣地。21日拂曉，三縱八師一部突入了教養院核心工事，但連遭敵反衝鋒，陷入險境，突破口極有可能被敵封閉。這時，奉命執行穿插任務的“洛陽營”在與上級失去聯係情況下，主動以兩個連兵力撲向教養院，幾十名指戰員在敵人炮火下前仆後繼，掠過硝煙彌漫的突破口，三分鍾就全部衝進教養院，與反撲敵人展開了白刃搏鬥。在這關鍵時刻，這個營的三連也衝進教養院突玻口，在炮火支援下，反撲之敵被打退了，戰士們乘勝占領了教養院內的製高點——大洋樓。可是尚未等我軍部署就緒，敵人為爭奪這個製高點，又從多路反撲過來，戰士們來不及做工事，就利用敵人的屍體邊隱蔽邊還擊。敵人屢撲不克，就將所有炮彈傾瀉過來，9架蔣機又輪番轟炸，孒彈、炮彈、炸彈、汽油彈將這個不足300平米的陣地籠罩入煙火之中。大洋樓被打塌了，戰士們就到火海一般的前沿堅守。三連僅剩3個人沒負傷，但戰士們依然表示：“人在陣地在，剩下一個人也不能丟掉陣地！”就這樣凶殘的敵人最後被我們的鋼鐵戰士征服了。教養院核心工事攻克後，最後隻剩下盤踞龍亭的殘敵。龍亭是蔣軍六十六師師部和十三旅旅部所在地，三麵環水，隻有正麵夾在潘、楊二湖之間有長達一華裏的平直大道可通入。龍亭以東、以北和以西均為開闊地，僅東北角的華北運動場有部分建築物。蔣軍以龍亭為中心，在這個製高點附近修築了堅固的防禦工事和炮兵陣地，部署有較強的火力和大量兵力，妄圖憑險一戰，等待援兵到來。20日夜至21日晨，對龍亭核心陣地發動兩次攻擊，因組織準備不夠充分，協同動作不密切，未能奏效。21日，攻擊部隊重新調整部署，加強了各部隊之間、步炮之間的協同，把這一著的攻堅任務，交給了三縱八師的“郭繼勝連”和八縱的一個連。21日下午6時40分，再次對龍亭守敵發起攻擊，首先集中600多門大炮對準龍亭陣地猛烈轟擊近一小時，摧毀了蔣軍的野炮和絕大部分鋼筋水泥工事，大部蔣軍亦被炮火消滅和震昏。為了保護龍亭古跡，炮兵冒著生命危險扺近射擊，爆破手也出生入死炸掉了擋道的地堡，攻擊道路打通了。7時50分，擔任突擊的2個連隊在龍亭勝利會師，開封戰役勝利結束。
開封戰役消滅蔣軍39000餘人，活捉蔣軍六十六師少將參謀長遊淩雲、十三旅少將旅長張潔以下8名高級將領，惡貫滿盈的六十六師師長李仲辛被追擊部隊擊斃在城牆下。打下開封後，美聯社6月26日於上海發電稱：共軍“在汴所獲物資、武器與軍火，使其能把華中作戰支持到夏季。”盡管有些誇大，但華野部隊確實繳獲了大批糧食、彈藥，計繳庫存步槍6000多支、汽油3000多桶、32門高射炮，以及其他大批軍用物資。開封，是解放軍在關內奪取的第一個省會城市，中共中央對華野在開封的城市政策極為重視，毛澤東曾對開封守敵的一個喊話材料親自作了多處修改。中共中央並專門指示：除對劉茂恩一人之外，其餘一概不究。開封解放後，陳唐立即簽署《中國人民解放軍開封前線司令部政治部布告》，並經豫皖蘇區黨委介紹，把與中共有過交往有影響的上層社會名流請出，維持社會治安。破城當晚11時，由民運部長召開了社會名流會議，成立臨時籌委會。打下了開封這個中原戰略要地，使統治階級營壘大爆炸，南京當局大驚慌。當時在南京的河南籍監委、立委們吵吵嚷嚷，又哭又鬧，不是到蔣介石官邸請願，就是到參謀總長顧祝同那裏跪地不起，鬧得不可開交。與蔣介石有隙的國防部長何應欽聲稱此次失敗與國防部無關，開封整個戰役都係蔣介石親自指揮。後來何應欽更說：“關於此次中原戰事，最高統帥及參謀部所有幕僚人員，對於作戰之策劃及兵團行動之指揮，自始迄今，殫精竭慮。”“開封城被匪突破太快”，“此事實出意外。”矛頭所指一目了然。