امکان بهره گیری از مواد فرار حاصل از زغال سنگ در احیای مستقیم، دورنمای آینده فرایندهای پیشتاز در احیا را تغییر داده است. در این پژوهش، با طراحی یک سیستم چند لایه ای متشکل از پودرهای زغال سنگ با محتوای بالای مواد فرار، آلومینا و هماتیت خالص، امکان احیای هماتیت در لایه بالا به کمک مواد فرار حاصل از زغال سنگ در لایه پایین بررسی گردید. گرمایش نمونه ها به دو بخش غیر هم دما تا دماهای 700، 800 و 900 درجه سانتی گراد با سرعت گرمایش 12 درجه سانتی گراد بر دقیقه و نگهداری هم دما در این دماها درون کوره موفلی انجام گرفت و تغییرات همزمان میزان احیا و خروج مواد فرار در این شرایط بررسی گردید. پس از اطمینان به کارایی سیستم ارائه شده، اثر پارامترهایی نظیر دمای احیا، زمان احیا ، مقدار زغال-سنگ و ضخامت لایه میانی آلومینا بر میزان احیای هماتیت در ناحیه گرمادهی هم دما مورد بررسی قرار گرفت. برای نیل به این هدف با حداقل آزمون های ممکن، آزمایشات به کمک روش طراحی مرکب مرکزی (ccd) به عنوان یکی از شناخته شده ترین روش های طراحی آزمایشات پایه ریزی شد و از نتایج آن ها برای مدل کردن فرایند به روش رویه پاسخ (rsm) استفاده گردید. به کمک رویکرد آماری آنالیز واریانس (anova)، ابتدا اعتبار مدل مربوطه در محدوده در نظر گرفته شده برای متغیرهای فرایند بررسی شد، سپس میزان اهمیت هر متغیر و همچنین اثر متقابل آن ها بر میزان احیا و مقدار مواد فرار خروجی از زغال-سنگ مشخص گردید و در آخر روابطی برای اندازه گیری درصد احیا و درصد خروج مواد فرار در ناحیه هم دما و در محدوده در نظر گرفته شده برای متغیرهای فرایند ارائه شد. کارایی مدل ارائه شده با انجام آزمایشاتی برای تأیید نتایج پیشنهادی مدل ها آزموده شد. نتایج، کارایی بالای مدل رویه پاسخ در پیش بینی میزان احیا در تمام محدوده مورد بررسی را تائید کرد. به منظور بررسی فازشناختی روند احیای هماتیت در درصدهای مختلف احیای اکسیدهای آهن، از آنالیز پراش اشعه x استفاده شد. مورفولوژی نمونه های احیا شده جزئی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (sem) بررسی و تأیید مشاهدات به روش طیف سنجی انرژی (eds) انجام گرفت. نتایج آنالیزهای اشعهx نشان داد احیای هماتیت خالص اولیه به آهن فلزی از طریق سازوکار سه مرحله ای با عبور از مگنتیت و ووستیت انجام می شود. بررسی های مورفولوژیکی، احیای توپوشیمیایی اکسیدهای آهن را هم در مقیاس میکروسکوپی و هم در مقیاس ماکروسکوپی نشان دادند.