炼油厂接替矿务局
1961年6月27日，独山子矿务局撤销，矿务局机关并入炼油厂，所剩钻井及大部分采油队伍调往大庆、克拉玛依等油田，其余单位移交给炼油厂。从此，独山子炼油厂开始接替独山子矿务局，统管全矿区所有单位。独山子炼油厂直接归属新疆石油管理局领导。
当时炼油厂机构设置：机关科室14个，下属单位除炼油厂10个车间外，还有采油区队、机械厂、运输站、供应站、生活后勤部门和新源钢铁厂等，共26个，到1965年增加到36个（其中生产车间17个）。
1966年“文革”开始，党、政机关瘫痪，矿区实行军事管制，生产由军管会生产指挥部负责。1970年3月，两派群众组织实现“大联合”，成立独山子矿区革命委员会（简称革委会），由军代表、干部代表、群众代表三结合组成领导班子，下设办事组、政工组、生产组和市政组。革委会同时行使政府和企业双重职能，即“政企合一”，统管全矿行政、生产、生活等各项工作，矿区各基层企事业单位也都成立革命委员会或革命领导小组，隶属矿区革委会领导。
1970年5月，为支援湖北五七油田建设，独山子机械厂除少数民族职工留下外，全厂汉族职工758人（干部138人、工人620人）连带设备全部调往天门五七油田。
1973年7月，矿区军事管制结束，革委会领导班子调整，局势逐步稳定。1979年4月5日，局（新疆石油管理局）、市（克拉玛依市）革委会决定，下属单位一律取消“革命委员会”，独山子到1981年1月开始改用“新疆石油管理局独山子炼油厂”的公章。此后，开始实行党委领导下的厂长负责制，恢复“文革”前的党、政机构设置。
1987年，独山子炼油厂行政级别由正处级升格为副局级，仍隶属于新疆石油管理局。此时，炼油厂机关设办公室、生产调度处、技术开发处、全质处、安环处、机动处、计划处、财务处、劳人处、企管处、基建处、销售处等18个处室。
下属生产单位有：蒸馏、催化、延迟焦化、润滑油、酮苯脱蜡、丙烷脱沥青、沥青、综合、液化气、重整加氢、芳烃抽提、化工、原料、销售、供排水、工业水、化验、仪表、电修、检修、钳工等21个车间（室）。
直属辅助生产单位有：热电厂、机械厂、炼建处、运输处、供应处、采油区队、通讯公司、设计院、研究院、设备研究所、新源钢铁厂、一车间、水泥连、计算机中心。生活后勤、卫生、教育、保卫等单位有：生活服务公司、职工医院、保卫处、兴华实业公司、教育中心、接待处、离退处。一直到1995年石化总厂成立之前，炼油厂机构设置保持相对稳定。矿务局时期由于进行石油勘探开发，职工人数最多时（1959年末）达到11675人。1960年国家经济困难时期精减人员，职工人数减少到8240人。1961年矿务局撤销，钻井及采油人员调走，到1962年末职工人数锐减到5404人，此后20年一直保持在5000人左右，到1982年上升到6000人，1988年上升到7000人，1990年上升到8000多人，到1995年石化总厂成立前上升到了10252人。
随着改革开放时期的到来，从1981年到1995年止，独山子炼油厂职工从男女比例、年龄结构、文化素质等方面都发生了显著变化：干部的比例从24.3％增加到37.8％；工程技术人员从5.1％增加到16.1％；女职工的比例从31.6％增加到42.9％；职工队伍逐年年轻化，30岁以下职工比例从30.5％提高到62.5％。
从炼油发展到炼化
独山子炼油厂从1961年接管矿区全面工作，到1995年底成立石化总厂，34年间生产发展的最大成就是，实现了从炼油生产到炼化生产的转变。
上世纪60年代，当时国家正处于困难时期，独山子炼油厂靠着艰苦奋斗的精神，克服种种困难，自力更生建起了糠醛、白土等润滑油装置，使独山子炼油厂从单一燃料型企业转变为燃料—润滑油型企业，生产出了国家急需的润滑油产品。70年代，为使炼油工艺达到国内先进水平，炼油厂自力更生建成了分子筛提升管催化裂化装置，从而实现了独山子炼油工艺上的一次革命，由此跨进了全国炼油生产先进行列。80年代，建成了第二套蒸馏装置，使原油加工能力从120万吨提高到330万吨，同时建成了气体分馏、聚丙烯等装置，使炼油厂又从燃料—润滑油型转变为燃料—润滑油—化工型。90年代，建成了第二套焦化、第二套催化裂化、第三套常减压蒸馏装置，使炼油加工能力又从330万吨翻到了600万吨。更突出的成就是完成了世人瞩目的14万吨乙烯建设，这使独山子由单一的炼油生产转为炼油化工综合生产，开始步入全国大型石化企业行列。
1961年至1995年炼油厂时期，独山子炼油厂生产经营业绩显著，原油年加工量逐年提高，34年累计共加工原油近4000万吨，固定资产原值由1961年的1亿多元增加到1995年的18亿多元。销售收入从1961年的0.44亿元增加到1995年的近32亿元。实现利税总额从1961年的300万元，增加到1995年的近7亿元，累计上交利税66亿元。
生产装置一扩再扩
建设润滑油装置
独山子炼油厂从1961年起，一心一意搞炼油，原油加工量提高很快，可产品品种却很单一，只能生产汽油、煤油、柴油、沥青和焦炭等产品，而市场上急需的各种润滑油产品不能生产，多是靠进口，因此，生产润滑油成为当务之急。1962年，炼油厂科研分所开始着手对润滑油进行研制。1963年，克拉玛依低凝原油开始输送到独山子，这为生产润滑油提供了条件，当年即开始由本厂自行设计、自行施工建设润滑油糠醛精制和润滑油调合装置。同时又在蒸馏装置上进行舌型塔盘试验，并取得了可喜的效果。炼油女工程师徐谦，钻研舌型塔盘改造，塔上塔下不停地奔忙，工作服浸透了油，头发被油灰凝固板结，但她全然不顾，一心扑在工作上，为炼油扩建作出了突出贡献，被称为石油战线的科研技术标兵。1963年9月，她带着试验报告到北京参加第一次石油科学报告会，会后在中南海受到毛泽东、刘少奇、周恩来等党和国家领导人的接见。1964年，用新型的舌型塔盘加工低凝原油，生产出了合格的润滑油基础油。同年6月，糠醛精制和润滑调合装置建成投产。1965年3月，润滑油白土精制装置建成投产。
从此，独山子炼油厂开始大批量生产各种润滑油，如汽机油、柴机油、机械油、压缩机油、冷冻机油、车轴油、变压器油等，填补了国内润滑油产品的空白。同时还生产了军用寒区稠化机油，解决了部队急需。仅1965年炼油厂就生产各种润滑油3万余吨，产品品种从10余种猛增到40余种，产品结构从单一燃料型转为燃料—润滑油型。
顶着风浪建焦化
1966年，炼油厂为改进生产工艺，提高二次加工能力，拟新建工艺先进的延迟焦化装置。延迟焦化工艺在当时被称为炼油工业的“五朵金花”之一。独山子炼油厂的建设项目申请一提出，很快得到石油部批准。
1966年6月底，延迟焦化工程指挥部成立，正式开始建设。这项工程的工程量比炼油厂以往任何工程都大。仅就焦炭塔而言，其直径5.4米，高22米，塔壁厚30毫米，重达100吨。这么大的单体设备，从制造到安装都有很大难度，而炼油厂维修队和兵团工一师机械厂克服种种困难，终于把两座大塔成功造出。接下来便是吊装问题，他们又组织技术力量成立了一个吊装起重加强队，周密布置，科学施工，第一个塔仅用51分钟，第二个塔只用26分钟就安全出色地吊装就位。
1967年春，“文化大革命”开始在独山子风起云涌，红卫兵分成对立两派，少数工人也参与其中，抄家、揪斗、辩论、武斗，一些工人停产“闹革命”，这无疑对工程建设产生了很大干扰，但大多数职工还是顶着风浪坚持上班。经过一年多的施工建设，终于把延迟焦化建成了，并于1967年9月23日开始投产。1968年5月成功地炼出了1号石油焦，此后相继炼出了冶金用的电极针状焦和其他优质石油焦。
延迟焦化的投产，取代了釜式焦化生产，不仅提高了生产效率，节约了釜式焦化检修时耗费的大量钢材，更重要的是消除了釜式焦化的人工除焦，从根本上改善了工人的劳动条件。延迟焦化的投产，提高了炼油厂二次加工能力，增加了轻质油收率，使炼油厂的工艺技术水平向前迈进了一大步。
自力更生建催化
1970年到1974年，炼油厂利用每年设备停工大检修的机会，连续对常减压蒸馏装置进行了5次技术改造，炼油一次加工能力大大提高，使双炉裂化、延迟焦化等二次加工装置由原来的“吃不饱”变成了“吃不了”，二次加工不平衡的问题如同“跷跷板”一样又显现了出来。
1973年的2月份，调离3年后又返回独山子炼油厂任矿区革委会副主任和党委常委的段振廷，面对炼油厂受“文革”影响，从生产到管理徘徊不前的局面，深入车间调查研究，并向总工程师袁名遂寻求整治发展的妙计良方。
段振廷曾是解放军57师通讯参谋，石油师人，1955年由西安石油钻探局转战到天山脚下的独山子炼油厂任计划科科长、技术科科长、总调度长、副厂长。由于他冲在一线、实干苦干、工作突出、作风扎实、表现出很强的组织领导才干，1965年刚刚35岁，就被任命为独山子炼油厂代理厂长。风华正茂的他，决心把自己的全部智慧和才华奉献给泥火山下的这块戈壁热土，奉献给祖国的炼油事业。这以后，他大刀阔斧，说干就干，在他的直接运筹指挥下，1966年将炼油生产的“龙头”常压蒸馏和减压蒸馏“合二为一”，改建成为60万吨的常减压联合装置。接着，又顶着“文革”的压力，于1967年9月指挥完成了被称为我国炼油“五朵金花”之一的延迟焦化装置的“移植”投产，以此取代了独山子炼油厂30年代落后的釜式焦化。
段振廷执着的事业心和顽强拼搏的奋斗精神，深深感染着袁名遂这位中苏石油公司时期就来到独山子炼油厂创业的老大学生。他将自己酝酿在心底的想法向段振廷和盘托出：催化裂化是国外炼油的最新技术，开工周期长，产品收率高，汽油质量好，而且可以解决双炉裂化炉内结焦、运行周期短的难题，目前国内已开始引进这项技术。如果我们把30万吨双炉裂化改造成60万吨催化裂化，不但可以提高二次加工能力，还可以提高汽油质量，甩掉我厂只能生产66号汽油的落后帽子。这番话让段振廷很受启发，他认为只要下决心去干，独山子一定能把双炉裂化改建成催化裂化。
建催化，全厂上下振奋，万众一心。但要建一套什么样的催化裂化，却在技术人员中引起了一番技术争论。有人认为，要建床层流化催化裂化，理由是国内其它炼油厂都是这种形式的，工艺成熟、设备易购，建起来比较容易。但也有人提出：要建分子筛提升管催化裂化，这是世界先进水平（上世纪70年代），虽然建设中会有困难，只要有决心建，就一定会建成，困难总能想办法克服。经过一番讨论，最后由段振廷和袁名遂拍板：要建就建先进的分子筛提升管催化裂化。段振廷在催化工程筹建会上对大家说：“这次建催化困难很多，要靠自力更生，不能有‘等、靠、要’的思想，越‘等’时间越晚，越‘靠’思想越懒，越‘要’志气越短。独山子人要有一种精神，有条件要上，没条件创造条件也要上。”
1974年6月，矿区党委召开了事关独山子发展大计的会议，厂长段振廷、党委书记国际巩、副书记帕达哈·吐木尔、司马义·托乎提、党委政治部主任刘腾、总工程师袁名遂等领导在会上都表示了建催化的坚定决心。会议作出了决定，明确提出了“自力更生建催化”的号召。10月，催化工程指挥部成立，由段振廷任总指挥，张广荣任副总指挥，袁名遂、张载欣负责技术领导工作。设计由炼油厂设计科承担，集中了全厂顶尖的技术力量，俞权平工程师担任项目设计总负责人，李国璞工程师和刘斗胆工程师分别负责土建和系统设计，正式开始设计筹建。