十二月，李庭芝设计离间元军内部，散布消息说刘整与南宋暗通款曲，准备叛元归宋，但却没有成功，为了表达忠心，刘整亲自率军进攻樊城，并首次动用了忽必烈从伊利汗国征召而来的工匠阿老瓦丁与亦思马因刚刚改良的‘回回炮’（巨型投石机，因首次作战就用于襄阳，也被称为襄阳炮，因威力巨大，亦称巨石炮），在重达一百五十斤的巨石狂轰滥炸之下，仅用不到十日便彻底攻占了樊城，守将范天顺、牛富力战身亡，跟随刘整一同作战的将领阿里海牙（畏吾儿人，曾担任忽必烈的宿卫）下令屠城。
至元十年（1273年）正月，忽必烈亲自下诏招降吕文焕，并令阿术视情况随机应变，阿术遂命阿里海牙携带‘回回炮’轰击襄阳城，给吕文焕施加压力。
此时的襄阳城内，虽然尚且还有余粮可供食用，但军械甲衣已断绝供应，所穿的衣物大多破损，烧火做饭的薪柴也彻底断绝。
但这一切都没难倒吕文焕，他下令将家中死人时才会穿的麻衣都拿出来穿在身上，而后拆除民居的房梁烧火，以此来继续坚持守城。
眼见襄阳城坚守不降，差点被他射死的刘整十分高兴，他生怕吕文焕投降，自己就没法报仇雪恨了，于是便主张彻底毁灭襄阳城，活捉吕文焕来泄愤。
但还不等阿术说话，阿里海牙便出言否定了这个提议，他认为以目前的局势来看，襄阳已经没有继续坚守下去的必要了，吕文焕至今仍然不降，只不过是待价而沽，想要获得更高的爵位和更好的待遇罢了，此时若逼迫太狠，弄不好就会激化矛盾，若是吕文焕狗急跳墙，依仗襄阳的城坚壕深，顽强死守，元军定会损失惨重。
所以他的意见是继续劝降，这一意见也得到了阿术的赞同，于是阿叔命麾下大将轮番上阵，先是由阿里海牙、张宏、张庭珍等人出马轮番在城下喊话，而后更是派出一支劝降使团入城与其面谈，并以满城军民的性命来劝说他，吕文焕所虑，其实就是担忧城中数万军民的性命，被使者一语正中下怀，于是便起了投降的念头。
而趁着面见吕文焕的期间，这支劝降使团又在城中四处联络吕文焕麾下的将领，或许之以高官，或许之以重利，让他们共同劝说吕文焕投降。
经过内外无数人的轮番劝说，吕文焕终于下定决心投降，但在双方约定好投降之日后又突然变卦，阿里海牙知道他是担忧元军是诱骗他投降，在入城之后会行屠城之举，遂亲自入城面见吕文焕，双方折箭盟誓作为担保，吕文焕这才放下心来，于二月二十四日，率满城军民出城投降，归顺元朝。
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