陈毅笑着说：“当年诸葛亮大摆空城计，身边只有两个老兵、一个琴童，迷惑了拥有重兵的司马懿。你现在有3个团的兵力，还不能同敌人周旋一番吗？你这个阻击战打得越好，越有利于我们大部队调整部署。详细情况，请粟司令给你谈吧。”
粟裕把封振武带到地图前，具体介绍了敌我双方情况和我军作战部署，然后说：“这次给你的任务很艰巨，但也有很多有利条件，争取抗击5天到7天不成问题。首先，敌人这个部队同它的上级有矛盾，对进犯蒙阴不甚积极，正处在进退两难之际。另外，你们可以打出主力部队的番号，虚张声势，迷惑他们。陈军长不是叫你们唱空城计吗？就是要造成敌人的错觉。古时候不是有个孙膑战庞涓的故事吗？孙膑用每天减灶的办法诱使庞涓上当。你这次不妨来一个增灶法，使敌人摸不清我军的虚实。”
听了粟裕这番明确具体的分析、指点，封振武茅塞顿开，信心倍增。他按计而行，“增灶示强”，打出3个主力部队的番号，机动灵活地同敌人周旋。在每一个宿营地，特地多搭一些草铺，多砌一些锅灶，转移时一个不拆。敌人不知我军虚实，行动犹豫迟缓。经过一个星期的战斗，把敌人阻挡在蒙阴以北30里的地方，圆满完成了任务。
南线主力部队，按照陈、粟的行军命令，分3路向北急进，不顾山高路险，冒着雨雪风寒，每天从“日落村”出发，到“天亮庄”宿营。与部队并肩前进的，还有几十万支前民工。从临沂到蒙阴150公里的地区内，白天宁静，夜晚沸腾：山上山下，人欢马叫；村前屯后，熙熙攘攘；大小道路，车轮滚滚；千军万马，浩浩荡荡。
第六纵队司令员王必成和政委江渭清并马而行，看到这一幅人民战争的壮丽画卷，兴奋地议论：“陈粟会合，相得益彰，挥军自如，连战皆捷。这次挥师北上，兵力之强大，气势之雄伟，前所未有。看来李仙洲集团是难逃被歼的命运了。”
2月15日，华东野战军主动放弃临沂，同时下达围歼北线之敌的作战预令。
国民党军队占了临沂一座空城，却捏造了“歼灭共军16个旅”的战绩，又从空军侦察发现华野部队向西北运动，在运河架桥。蒋介石的统帅部一阵狂欢，作出了华野“全面退却”，“已无力与国军决战，欲与刘邓部会合”的错误判断。陈诚大吹大擂：“鲁南决战空前大胜”，“山东之大局指日可定”。
然而，国民党军将领并非都是昏庸无能之辈。坐镇济南的第二绥靖区司令官王耀武，得知华野主力向北运动，南线蒋军未经激烈战斗就占领临沂，判断华野可能改变作战方向，有包围李仙洲集团的企图，就自行命令李仙洲全线后撤，同时打电报给陈诚要求“准予机动作战”。
陈诚和蒋介石先后回电和写信，坚持认为“共军主力已被击溃，有过黄河避战企图”，“已败之师，无足顾虑”，严令王耀武重新占领莱芜、新泰，“恢复先前态势”，借机实行南北夹击，歼灭华野主力于沂蒙山区，警告他不得擅自撤退，“切勿失此良机”。
王耀武无奈，只好命令第四十六军重占新泰，第七十三军军部率1个师折返颜庄。不过还是打了折扣，命令其余部队原地不动。后来，王耀武查明华野主力确有北上攻歼新泰、莱芜蒋军的企图，就不顾蒋介石、陈诚一再严令南进，而急令新泰，颜庄部队星夜北撤。
蒋介石、陈诚与王耀武对华野行动意图判断不同，在作战指导上发生分歧，因而引起北线敌情的多次变化，李仙洲集团六七万人忽而北缩，忽而南伸，调动频繁，较大的部署变动就有4次。
“用兵之法，要在应变”。
粟裕密切注视敌军动向，敌变我变，因势利导，适时调整作战部署。但是变中有不变，鉴于北线敌军态势没有发生根本性的变化，因而始终坚持原定的围歼李仙洲集团的作战决心，并且加速实行战役合围部署。在作战指导上坚持变与不变的辩证法，达到了炉火纯青的地步。
北线蒋军突然后撤，是华野撤出临沂后北线敌情的第一次变化，也是最大的一次变化。当时许多指挥员担心抓不住敌人，有的纵队指挥员建议提前出击，认为这样即使不能抓住全部敌人，也可以切掉敌军的“尾巴”。
粟裕对这一建议进行了审慎的研究，认为我主力部队尚未全部到达预定集结位置，还不能达成合围，仓促发起战役，无取胜把握，并且可能将敌人赶跑。相反，如果继续隐蔽集结主力，不过早惊动敌人，就可能使敌人一时难以判明我军企图，因而举棋不定。即使敌人不再南来，我待主力到齐后再突然发起攻击，至少还可以在胶济路抓住敌人。因此，他坚持原定决心，没有采纳提前出击的建议，而督促各部加速隐蔽开进，尽快完成对敌人的合围。战后，粟裕说，幸亏没有同意提前出击的意见，否则部队一伸出去，这5万多敌人就很难消灭了。
王耀武执行南京统帅部的命令，要第四十六军重新南下占领新泰，第七十三军军部率一九三师折返颜庄。这是敌情的第二次变化。粟裕认为，敌军犹豫徘徊，重新南下，证明我军作战企图尚未暴露。因此，只是针对敌军南下的新态势适当调整了具体作战部署，而仍然坚持歼灭李仙洲集团于莱芜地区的作战决心。
王耀武发现华野主力在莱芜地区集结，判断华野有攻歼新泰、莱芜蒋军的企图，再次下令已进至新泰、颜庄的四十六军和七十三军星夜北撤莱芜，并令驻扎于胶济线张店的七十三军七十七师经博山南下归建。这是北线敌情的第三次变化。根据这个变化，粟裕决定于2月20日发起战斗，首先以伏击手段歼灭七十七师于博山地区，然后攻歼集结于莱芜、颜庄地区的蒋军主力。
蒋军七十七师行动迅速，在华野预定发起战斗之前就进人华野伏击地域，华野部队提前两小时发起攻击。王耀武和李仙洲因此获得调整部署时间，急令在颜庄的四十六军撤到莱芜与七十三军会合。北线敌情发生第四次变化。粟裕当机立断，指挥部队尽快歼灭七十七师，迅速完成对莱芜地区蒋军的合围。
2月21日，华野八纵、九纵全歼蒋军七十七师，首战告捷。一纵攻克莱芜城以西以南诸村落，击退与华野争夺莱芜城北各要点之敌。六纵突人莱芜城北吐丝口镇，歼灭由青石桥南援之敌。至此，华野部队已全部展开，在莱芜地区形成了兵力对比上的绝对优势，基本上完成了对李仙洲集团的战役合围。
王耀武明知中计，但无可奈何，只好孤注一掷，要李仙洲冒险突围。王耀武特派他的副参谋长罗辛理去南京，当面向蒋介石报告突围计划。蒋介石计穷智竭，只好批准王耀武的计划。
此时，粟裕把他的注意重心集中在如何达成对李仙洲集团的全歼上，在作战指导上辩证地处理网开一面与四面包围的关系。
当时，李仙洲的总部和七十三、四十六两个军麇集莱芜城内。粟裕认为，让敌人撤出莱芜城，在运动中予以歼灭，对我军更为有利。为此，他首先采取围三阙一，网开一面的战法，令城北正面阻击部队略向后缩，调虎离山，纵敌出城。莱芜城内敌军大部撤出时，有的纵队指挥员建议截击敌人后尾部队。粟裕没有同意，而坚持待敌人完全撤离莱芜以后再发起攻击．他说，否则敌军主力见势不妙，缩回城内，将增加我歼敌困难。而在敌人全部撤出莱芜城，进入我设伏阵地寸，他又采取四面包围，收网捉鱼的战法，下令城北部队尽快攻占吐丝口镇，坚决卡此敌军北撤的咽喉要道；指令已攻占莱芜城的部队积极向北进击，防止敌人回窜；又令预伏于东西两翼的突击集团乘势猛烈夹击：国民党第四十六军军长韩练成，在华东军区秘密工作人员安排下，于李仙洲率部突围的关键时刻，悄悄离开指挥岗位，使蒋军更加慌乱。到2月23日中午，5万多蒋军被团团包围在东西三四公里、南北十一二公里的袋形阵地里，北进不能，南退不得，东冲西突，指挥失灵，乱作一团。到下午5时，李仙洲集团大部被歼灭：乘隙逃出的第七十三军军长韩浚及其残部5000多人，也被华野部队截击全歼。
莱芜战役至此胜利结束。这一仗打得干净利落，只用3天时间就大获全胜，华东野战军以伤亡8000多人的代价，消灭国民党1个绥靖区的敌指挥所，2个军部、7个师共5.6万余人，生俘第二绥靖区中将副司令官李仙洲、第七十三军中将军长韩浚和少将17名，击毙少将师长、副师长2名。然后乘胜扩张战果，几天之内就控制胶济线250公里，解放县城13座和重镇几十个，使鲁中，渤海、胶东，滨海4个解放区连成一片，大大改善了华东野战军的战略态势，华东战场的形势从此转入一个新阶段，
莱芜战役的胜利，提前完成了中共中央给予的1个月至1个半月歼敌10个旅左右的作战任务。奏捷之速，歼敌之多，代价之少，创造了解放战争以来华东战场的空前记录，也是中国战争史上少见的奇迹。
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